□王梓屹 熊衛(wèi)衛(wèi)

電能源是國民發(fā)展、人民生活不可或缺的主要能源。隨著電力發(fā)展與在國民經(jīng)濟(jì)中的廣泛應(yīng)用，高電壓自動(dòng)化保護(hù)的要求與技術(shù)的完善成為目前最為迫切而亟需解決的問題。電力系統(tǒng)在正常工作時(shí)，系統(tǒng)中的用電設(shè)備在電網(wǎng)的額定電壓下工作，處于正常運(yùn)行狀態(tài)下的電氣設(shè)備和非電保護(hù)裝置處于相互絕緣狀態(tài)，但遭到雷擊后電氣設(shè)備的運(yùn)行電壓遠(yuǎn)超額定電壓，對設(shè)備造成嚴(yán)重的破壞。并且在低電壓系統(tǒng)中大部分造成不正常運(yùn)行的事故是雷擊事故。電力設(shè)備被雷電直接擊中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的過電流和過電壓，使設(shè)備不能滿足動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定，給國民生活造成嚴(yán)重的危害。傳統(tǒng)的避雷針在保護(hù)范圍局限性日益突出，這主要是因?yàn)槲覈诘碗妷悍览妆Ｗo(hù)設(shè)備應(yīng)用相對較少，所以優(yōu)化低電壓的防雷保護(hù)迫在眉睫。在解決這一問題中，小電壓系統(tǒng)防雷保護(hù)，特別是防雷針的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為一個(gè)重要的技術(shù)問題。

一、傳統(tǒng)避雷針工作分析

在雷雨季節(jié)，天空中出現(xiàn)帶電云團(tuán)，攜帶大量電荷，導(dǎo)致避雷針被感應(yīng)出大量電荷由于避雷針針頭是尖狀物，靜電感應(yīng)時(shí)總是在導(dǎo)體尖端最先聚集電荷，避雷針的電容器的兩極板的正對面積很小，也就說所能儲(chǔ)存的電荷較少，帶電云團(tuán)帶負(fù)電荷，避雷針尖端被感應(yīng)出正電荷，當(dāng)電荷足夠大時(shí)，電容所能儲(chǔ)存的電荷又較小，導(dǎo)致避雷針與帶電云團(tuán)之間的空氣較容易擊穿形成雷電流，避雷針接地可將電荷導(dǎo)入大地，從而對電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。但這樣只是誘導(dǎo)放電，保護(hù)范圍始終有限。

避雷針保護(hù)半徑與避雷針高度成明顯的開口向下的拋物線，也就說，當(dāng)避雷針有一定的高度之后，在繼續(xù)增加避雷針高度，保護(hù)范圍并不會(huì)增大，如果單純地增加避雷針高度只會(huì)浪費(fèi)材料而不能起到很好的擴(kuò)大保護(hù)范圍的功效。因此，不能簡單地考慮增加避雷針的高度來增加避雷針的保護(hù)范圍。

在設(shè)計(jì)思想上，首先需要對雷擊過程進(jìn)行簡單的分析。雷雨云中平均場強(qiáng)大約為150KV/M，而當(dāng)云團(tuán)中的電荷密集處達(dá)到2,500～3,000KV/M，就會(huì)產(chǎn)生先導(dǎo)放電，大量研究和現(xiàn)實(shí)拍攝照片表明，雷電的先導(dǎo)放電并不是連續(xù)的，也就是說先導(dǎo)放電過程是走一段停一會(huì)，再走，每級長度為10～200M，平均25M，停歇的時(shí)間平均為50US，同樣避雷針也由于感應(yīng)出電荷也會(huì)有先導(dǎo)放電過程，當(dāng)空中迎面先導(dǎo)與下行先導(dǎo)的一支相遇，產(chǎn)生了更強(qiáng)的電場，會(huì)出現(xiàn)高達(dá)數(shù)十到數(shù)百千安的電流，并伴隨著雷鳴和閃光的出現(xiàn)，這便是主放電的形成，可以考慮在迎面先導(dǎo)與下行先導(dǎo)的一支做出改進(jìn)，精準(zhǔn)地讓他們相遇并產(chǎn)生“中和”，這樣完全可以讓雷電準(zhǔn)確地?fù)糁斜芾揍樁皇请姎庠O(shè)備，這樣也能在避雷針不能明顯增高時(shí)擴(kuò)大保護(hù)范圍。

二、新型避雷優(yōu)化方法

傳統(tǒng)避雷針的基礎(chǔ)上增加一個(gè)主動(dòng)接觸裝置。這個(gè)裝置主動(dòng)建立起發(fā)射高頻脈沖的迎接信號(hào)，將先導(dǎo)放電直接作用于避雷針尖端，而不是單純地誘導(dǎo)雷電流，這樣做可迅速地捕獲雷電所傳播的先導(dǎo)放電以至更好捕獲雷電流。

脈沖變壓器是利用鐵心的磁飽和特性將輸入含有高次諧波的電壓波形變成為輸出窄脈沖波形的變壓器，振蕩器主要由電容器和電感器構(gòu)成，通過電廠能和磁場能的相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行對電壓電流的調(diào)節(jié)，可以將脈沖變壓器與振蕩器相結(jié)合構(gòu)成主動(dòng)裝置[1]，這樣就可以嚴(yán)格控制主動(dòng)裝置所發(fā)出的頻率，使頻率更接近擊穿空氣的雷電流，擁有這樣主動(dòng)裝置的避雷針可以在雷電的先導(dǎo)過程前對雷電的先導(dǎo)過程進(jìn)行捕獲，甚至可以將遠(yuǎn)離避雷針數(shù)十米乃至百米之外的雷電直接捕獲到避雷針上，新型避雷針要比傳統(tǒng)避雷針的保護(hù)范圍更大。

傳統(tǒng)避雷針只能對雷電流進(jìn)行一次引發(fā)，這樣的引發(fā)失敗率也是極高的，但是利用主動(dòng)裝置中的振蕩器可以多次對雷電流進(jìn)行引發(fā)，多次引發(fā)成功幾率要比單次大的多，振蕩器的儲(chǔ)能裝置先儲(chǔ)存電能儲(chǔ)存足夠多的時(shí)候?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為磁場能，使主動(dòng)裝置迅速恢復(fù)到接收電能狀態(tài)繼續(xù)對雷電的先導(dǎo)放電進(jìn)行吸引，由于感應(yīng)雷電荷較多，這樣重復(fù)的過程頻率較高，可數(shù)次對雷電流進(jìn)行吸引，高頻率保證整套裝置的可靠性。

由脈沖變壓器將雷電流轉(zhuǎn)化，進(jìn)過單項(xiàng)二極管進(jìn)入振蕩器，當(dāng)電容器兩端的臨界電壓高于U電容發(fā)出能量流入電感L，進(jìn)行電廠能和磁場能的轉(zhuǎn)化，之后流入大地，并不用擔(dān)心振蕩器的電流反向流出因?yàn)樵谌肟谔幍亩O管單向?qū)щ姡琑0又能很好地保護(hù)二極管，可是當(dāng)雷電流入時(shí)設(shè)備的熱穩(wěn)定面臨挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為溫度使設(shè)備的電阻升高所以要在模擬時(shí)加入可變電阻以模擬這一實(shí)況環(huán)境。所以LC振蕩電路計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)楊磊關(guān)于提前放電避雷針放電特性沖擊試驗(yàn)所提出的理論[2]，

其特征根

式中：α=R/2L成為衰減系數(shù)；ω0=1/LC成為固有震蕩角頻率分為幾種不同情況討論：

在欠阻尼情況下其特征根為

成為阻尼震蕩角頻率。微分方程通解為uc(t)=Ae-αsin(ωdt+φ)。所以，響應(yīng)隨著時(shí)間變化具有衰減的震蕩特性。

同理，在臨界阻尼情況下響應(yīng)是非震蕩衰減的。在過阻尼情況下響應(yīng)為uc(t)隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減，為非震蕩。

三、結(jié)語

通過引誘雷擊過程先導(dǎo)放電的過程分析，在傳統(tǒng)避雷針追加主動(dòng)裝置以及分多條件進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析，證明擁有主動(dòng)裝置的避雷針可行性極高，其防雷效果要比傳統(tǒng)避雷針保護(hù)范圍、效果要好。隨著不同應(yīng)用場所對于避雷要求日趨嚴(yán)格，需要保護(hù)的設(shè)備越來越精密，這種擁有主動(dòng)裝置的避雷針優(yōu)化技術(shù)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。