提前放电避雷针的性能分析研究

89C　H　I　N　A V　E　N　T　U　R　E C　A　P　I　T　A　LTECHNOLOGYAPPLICATION|科技技术应用提前放电避雷针的性能分析研究云南省送变电工程公司杨娟娟摘要：本文对提前放电避雷针的性能进行简要分析。主要论述了提前放电避雷针的工作原理和特性、范围计算及优点。关键词：提前放电避雷针；保护范围；防雷一、前言避雷针的防雷原理为：在雷雨天气，高建筑物上空出现带电云层时，避雷针和建筑物顶部都被感应上大量电荷，静电感应时，避雷针尖端就聚集了大部分电荷；当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气很容易被击穿，成为导体，这样就使带电云层与避雷针形成通路，而避雷针通过导线接入地下，避雷针就可以把云层上的电荷导入大地，使其不对高层建筑构成危险，保证了建筑物的安全。提前放电避雷针定义为由截闪器、引下线和接地装置组成的防雷保护装置。截闪器安装在构架上并高于被保护物，用于拦截雷击使之不落在避雷针保护范围内的物体上，通过引下线和接地装置将雷电流释放到地中。二、传统避雷针的局限性1.保护范围不肯定，有绕击发生。大量的研究及实践证明，一根垂直避雷针无法获得一个肯定的安全保护区，其绕击率在1%左右，可见使用避雷针时被保护物的危险性还是比较大的。2.有反击发生。避雷针把雷引到自身的顶部后，其强大的雷电流在入地时，如果接地电阻和引下线的阻抗过高或是避雷针对保护物之间的距离小于安全距离时，会形成高电压，造成避雷针及引下线对保护物的反击。3.传统避雷针会引起感应过电压。在强大的雷电流（数10~100kA）以极快的速度（微秒级）沿避雷针及引下线进入地中的过程中，会在被保护物上形成感应过电压而造成事故。对架空输电线路，当50m以外落雷时，感应过电压一般可达250~500kV，甚至更高，这也会造成部分输电线路跳闸。4.产生较高的接触电压及跨步电压。当雷击避雷针时，如果有人站在附近地面上而人接触针基或引下线时会受到很高的接触电压，危及人身安全。由于强大的雷电流在地中扩散时会在地面上沿半径点形成不同电位，所以附近的人（畜）两脚会受到很高的跨步电压，也对生命构成危险。5.传统避雷针特别不适合保护弱电设备。由于传统避雷针在引雷过程中会形成较高的感应过电压，因此对通讯装置、电脑等弱电设备危害较大。三、提前放电避雷针工作原理在雷云电场下，系统自动感应雷云电场并启动内部电路。通过系统内部电路激发，在针尖产生高压，达到上述效果的三个因素 :激发装置产生电离子；自然条件下的尖端电场畸变电离；达到环境空气电离的临界值。电离空气，产生提前先导。间隙导通，接闪后系统完成使命，雷电流直接击穿间隙并形成良好电气通路，泄放雷电流。在晴朗干燥的天气下，地表电场强度大约是 150 V/m，随着雷云的发展，地面电场强度会逐渐增加直至发生闪电。在雷云条件下，内部电路启动。内部电路所激发的高压脉冲通过二级放大处理，将高压传送到针尖。针尖高压与接地装置通过间隙隔离使得尖端保持持续的高压维持空气电离放电。放电物理学表明，传统富兰克林避雷针上行先导的产生需经过一段延迟时间，这段延迟时间会限制垂直的或水平的避雷导体的有效性。提前放电避雷针在传统避雷针的基础上增加了一个主动触发系统，这个触发系统能建立起重复的高压脉冲信号，在放电过程中适时产生一个连续的放电路径与雷云的下行先导会合，把雷电流引入大地。提前放电避雷针通过一个脉冲变压器和振荡器的结合实现了以严格控制的频率和幅度发射高压信号的技术；它的能量来自静电场与电磁场并转化成高压信号送到针尖，产生大量的电离子，这种功能使提前放电避雷针发出的一行先导提前行至远离避雷针数十米甚至上百米处与来自雷云的下行先导接闪，从而扩大了避雷针的保护范围。一次引发也可能是不成功的，多次引发总是可以成功的。在一个不成功的向上先导发展停止以后，储能装置立即恢复到接收能量的状态，放电留下的残余电荷在停歇的瞬间迅速消失，在外界电场没有减弱的情况下，下一次动作又继续。整个过程极短，而且在电场愈高时，动作频率愈高，保证了引发的可靠性。提前放电避雷针保护范围说明：１.ｈ≥５ｍ 时，按 RP＝ h(2D—h)＋△L（2D＋△L） ；２.ｈ为提前放电避雷针有效高度，为提前放电避雷针高出被保护物体表面的距离。３.D为电击距离（滚球半径），根据不同防雷类别（Level）其数值不同按GB50057-94《建筑物防雷设计规范》，相应于Ｉ类、Ⅱ类、Ⅲ类建筑物的滚球半径Ｄ分别为30ｍ、45ｍ、60ｍ；按法国标准NFC17-102，相应于Ｉ类、Ⅱ类、Ⅲ类建筑物的滚球半径Ｄ分别为20ｍ、45ｍ、60ｍ；４.△L（ｍ）＝１（ｍ／μｓ）·ΔT（μｓ）。△T为提前放电时间，它的数值由高压实验实际测量得出。５.提前放电避雷针最佳安装高度为 ５ｍ。６.提前放电避雷针安装参照 99D501-1《建筑物防雷设施安装》。四、优点1.保护范围更大。在同等条件下，提前放电避雷针的保护范围计算依据《NF C17-102 1995》，将提前放电时间转换为抢先击距，击距增大从而保护范围更大，普通避雷针按滚球法计算击距仅按防雷分类的滚球半径计算保护范围相对较小。2.减少雷击非接闪器的概率。提前放电避雷针产生的提前先导迎接雷电下行先导，在下行先导未到达其他可能落雷的物体时就已经会合，产生雷电流通道，从而减少雷击其他非接闪器的概率。3.有效降低雷电的各种效应。精确控制雷击点后，通过合理布置避雷针的位置，则在雷电的回击和后续雷击会距离被保护物更远一些，对雷电的机械效应，电动力效应，热效应，声光效应、电磁脉冲效应等各种效应具有一定的降低作用4.安全可靠，免维护，无放射性、无耗能元件，耐腐蚀。产品质量控制体系严格，可靠性高，免维护，产品不含放射性物质，使用耐腐蚀304L不锈钢材质。5.安装简单便捷，体积小，重量轻，无需专用引下线。制造技术先进，外形美观大方，采用优质304L不锈钢材料精密加工，结构均符合国标GB50057-94的要求，抗风强度达45m/s。五、结语提前放电避雷针的放电时间比富兰克林避雷针平均提前13.3μs，并且可将下行雷闪转化为幅值低、陡度小的上行雷闪，有效减少感应过电压等其他次生危害。提前放电避雷针引雷能力比传统避雷针强，且有较大的保护角，大大降低了输电线路的绕击率，特别适合于高压输电线路的防直击雷保护。