黃克儉 黃丁誠 馮又華

（湖北省防雷中心）

優(yōu)化避雷針的研究與分析

黃克儉 黃丁誠 馮又華

（湖北省防雷中心）

本文通過對當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)的優(yōu)化避雷針的研究分析，歸納出了優(yōu)化避雷針?biāo)捎玫闹饕夹g(shù)，并對其先導(dǎo)放電和阻抗限流這兩種主要技術(shù)原理做了分析說明，指出了優(yōu)化避雷針在具體應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

優(yōu)化避雷針；阻抗限流；提前放電；上行雷閃

0 引言

自從1749年富蘭克林發(fā)明避雷針以來，在人類社會長達(dá)兩個半多世紀(jì)的防雷歷史上，富蘭克林避雷針（傳統(tǒng)避雷針）無疑起到了十分積極的防直擊雷的作用。但是，隨著社會的發(fā)展，微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，它的局限性已越來越明顯地表現(xiàn)出來。其一，保護(hù)的區(qū)域范圍小，側(cè)擊或繞擊的概率高。其二，放電電流的幅度大，陡度高，容易形成高電位反擊和二次雷擊效應(yīng)。為此，國內(nèi)外許多防雷專家，針對這兩大不足提出了各自的防雷理論，并通過大量的雷擊模擬試驗(yàn)，采用多種技術(shù)，研制出各種各樣的優(yōu)化避雷針，如美國ERICO公司的系統(tǒng)3000避雷針、中國中光公司的ZGU-200-3（TY）型優(yōu)化避雷針、法國杜爾梅森公司的ESE系列避雷針以及中國愛勞公司的AR限流避雷針等。許多學(xué)者也對當(dāng)前市場上出現(xiàn)的這些優(yōu)化避雷針進(jìn)行了一定的研究和應(yīng)用[1-6]。但都不系統(tǒng)。為了在防雷工程中更好地應(yīng)用這些優(yōu)化避雷針，有必要對它們的工作原理進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析。

1 優(yōu)化避雷針的研究分析

1.1 優(yōu)化避雷針的定義說明

由大量模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料表明，避雷針的外表形狀與其避雷效果并無明顯的關(guān)系。本文所研究的優(yōu)化避雷針是指較傳統(tǒng)避雷針有功能上的變化。如能改變雷電流的波形，提高避雷針的虛擬高度等，而不是指在形狀上改變的避雷針。

1.2 原理分析

通過對當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)的優(yōu)化避雷針的研究分析，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)化避針針主要采用先導(dǎo)放電，阻抗限流等技術(shù)來解決其傳統(tǒng)避雷針的兩大不足，以改善其避雷效果。

1.2.1 先導(dǎo)放電原理分析

通過雷電的形成性質(zhì)可知，雷云對地面物質(zhì)放電，有以下兩種方式：上行雷閃和下行雷閃。一般來說，下行雷閃時，先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過程發(fā)生在地面附近，大地電荷供應(yīng)充分，所以放電過程來得迅速，造成雷電流幅值大（平均值為30～40kA），陡度高（20～40kA/ms），上行雷閃，一般沒有自上而下的主放電，它的放電電流，由不斷向上發(fā)展的先導(dǎo)過程產(chǎn)生，即使有主放電因雷云向主放電通道供應(yīng)電荷困難，所以放電電流幅值?。ㄆ骄∮?kA），且陡度低（小于5kA/ms）[7]。

上行雷閃不僅雷擊電流幅值小陡度低而且不發(fā)生繞擊。這是因?yàn)楫?dāng)雷閃先導(dǎo)自上而下發(fā)展時，該先導(dǎo)或者直接進(jìn)入雷云電荷中心、或者攔截自雷云向下發(fā)展的先導(dǎo)，這樣中和雷云電荷的反應(yīng)在上空進(jìn)行，自雷云向下的先導(dǎo)就不會延伸到被保護(hù)對象。

這種優(yōu)化避雷針正是利用了上行雷閃的這些特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加工處理，使其能可靠地引發(fā)上行雷閃放電，從而達(dá)到改善防雷效果的目的。為此，這種優(yōu)化避雷針亦可稱之為提前放電避雷針。

要成功引發(fā)上行雷閃，必須具備以下兩個條件：

1） 在引發(fā)發(fā)生之前，抑制針尖的電暈放電，盡量減小包圍的空間電荷。

2） 在需要引發(fā)上行雷閃時，針尖處的電場強(qiáng)度應(yīng)足夠高，以迅速產(chǎn)生放電脈沖，形成向上引流。

下面以美國ERICO公司研制的“系統(tǒng)3000”避雷針為例，講述先導(dǎo)放電的工作原理?！跋到y(tǒng)3000”避雷針的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 “系統(tǒng)3000”避雷針的結(jié)構(gòu)示意圖

球形外殼與中心接地桿之間由絕緣材料隔離，中間有3mm間隙，一個高阻的電感線圈把接閃體的外殼接地，使接閃體在靜態(tài)時，表面電場相對平滑和電暈極小，當(dāng)雷電先導(dǎo)靠近接閃體時（由于頻率極高，線圈呈現(xiàn)開路狀態(tài)），由于電容耦合作用。接閃體表面的電場迅速增加，3mm空氣間隙被擊穿，并觸發(fā)雪崩過程，形成向上引流。

1.2.2 阻抗限流原理分析

沖擊電流發(fā)生器能產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電流或操作波，能較好地模擬雷電的放電回路。為此，通過分析沖擊電流發(fā)生器的放電回路[8]，從而了解利用阻抗限流技術(shù)的避雷針的工作原理。沖擊電流發(fā)生器的原理圖如圖2所示。

其工作原理是在比較長的時間內(nèi)，脈沖電容組C被整流電源充電到電壓UO，然后，調(diào)節(jié)球隙G的間距，使G擊穿，在短時間內(nèi)電容組C把所獲得的能量釋放給被測試品。

當(dāng)球隙G擊穿后，其放電回路可列出微分方程式：

圖2 沖擊電流發(fā)生器的原理圖

這是一個一元二次微分方程，其放電電流i，根據(jù)L、C、R之間的關(guān)系，有三種情況。我們最關(guān)心是放電電流i的幅值Im和陡度，其計(jì)算結(jié)果如下：

由式（1）～式（7），可得出以下結(jié)論：

1）無論放電電流是周期性或是非周期性的，其放電電流的幅值Im都與C中的儲能W、放電回路的電感L和放電回路的電阻R有關(guān)，且與儲能W成正比，與電感L和電阻R成反比。

2）無論放電電流是周期性或是非周期性的，其放電電流的最大陡度都是一樣，，只取決于C和L，與R無關(guān)。其陡度與充電電壓成正比，與電感L成反比。

圖3是加感抗前后沖擊放電電流波形的變化圖形（理論計(jì)算）。

圖3 加感抗前后沖擊放電電流波形的變化圖

由此可知，通過增加回路中的感抗或阻抗，可以降低雷電流的幅度，特別是增加感抗后，還能降低雷電流的陡度。

采用阻抗限流技術(shù)的避雷針就是利用這一原理，在針中適當(dāng)增加感抗和阻抗，以達(dá)到改善雷擊電流波形即降低陡度、幅度的目的。

2 結(jié)束語

通過以上分析可知，采用先導(dǎo)放電技術(shù)的避雷針可引發(fā)上行雷閃，從而有效降低雷電流的幅度和陡度，并能有效防止側(cè)擊和繞擊現(xiàn)象，采用阻抗限流技術(shù)的避雷針利用阻抗變化來達(dá)到降低雷電流的幅度和陡度。兩者都能有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)避雷針的不足，在實(shí)際應(yīng)用中確實(shí)起到了加強(qiáng)防雷效果的目的。但是，也存在不足之處。如采用先導(dǎo)放電技術(shù)的避雷針，因其雷擊放電屬長間隙放電，其空間電荷、場強(qiáng)分布極不均勻，放電形式和過程非常復(fù)雜，而存在不能百分之百引發(fā)成功的問題。采用阻抗限流技術(shù)的避雷針，只能改變雷電流波形，而不能有效防止側(cè)擊和繞擊現(xiàn)象。且在阻流消陡的同時，在避雷針上產(chǎn)生一個很高的電壓，容易對周圍的物體產(chǎn)生反擊。因此，我們在實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)深入了解各種優(yōu)化避雷針的性能及原理，根據(jù)其被保護(hù)物的要求以及使用場合和環(huán)境的不同進(jìn)行合理選擇。以致能夠安全使用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化避雷針的最佳防護(hù)效果。

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2017-02-16）