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        一種基于位移電流的雷電中和方法研究

        2021-01-29 02:56:04郭偉盧志軍王彩云馬廠韓思佳
        智能建筑與智慧城市 2021年1期
        關(guān)鍵詞:雷云時(shí)間常數(shù)中和

        郭偉,盧志軍,王彩云,馬廠,韓思佳

        (1.吉林省德鴻光電科技有限公司;2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心;3.北京雷布斯雷電安全科技有限公司)

        1 引言

        雷閃是一種大氣中的放電現(xiàn)象,其成因是空氣的強(qiáng)烈對流,引起了云層之間的摩擦積累了足以擊穿空氣的電位差。云層與地面之間的放電,嚴(yán)重危害著人群的生命財(cái)產(chǎn)安全以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行[1]。自近代以來,避雷針的出現(xiàn)大大降低了雷擊事故的發(fā)生。避雷針利用尖端放電效應(yīng)吸引雷閃對避雷針放電,再經(jīng)引下線和接地裝置將電流引入大地,以此方式避免人員及建筑等被雷閃擊中,自發(fā)明以來極大地保護(hù)了人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

        ①當(dāng)雷云局部電荷過多,雷云放電引起的擊穿空氣傳導(dǎo)電流過大,接閃器及引下線將電流導(dǎo)入大地時(shí)可能產(chǎn)生瞬間高溫致使金屬融化并引起火災(zāi)。

        ②當(dāng)避雷針附近有可燃性氣體時(shí),比如油庫、森林等,避雷針引雷一旦發(fā)生弧閃,產(chǎn)生火花放電效應(yīng),將點(diǎn)燃可燃性氣體,引起爆炸,造成危害。

        ③當(dāng)避雷針附近有電路時(shí),例如,電子設(shè)備、電氣設(shè)備、通信設(shè)備以及其中的芯片,避雷針引雷時(shí)將產(chǎn)生巨大的電磁脈沖,極有可能導(dǎo)致此類設(shè)備出現(xiàn)故障和損壞,造成財(cái)產(chǎn)損失。

        上述技術(shù)缺陷的根本原因是傳統(tǒng)避雷針只依靠雷云和避雷針之間的傳導(dǎo)電流泄放雷電荷,因此其安全隱患難以克服[2,3]。不過,根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,在雷云與防雷裝置之間并非只能傳輸傳導(dǎo)電流,還可以傳輸位移電流?;诖嗽恚梦灰齐娏髦泻屠纂姾赡転榉览滋峁┮环N可選擇的新手段。由于位移電流本質(zhì)是電場隨時(shí)間的變化量,通過控制防雷裝置的參數(shù),位移電流可明顯弱于傳導(dǎo)電流,中和雷云的方式更為安全,有望克服傳導(dǎo)電流放電的缺陷。為此,本文開展了方法研究,通過研制的原理樣機(jī)開展了驗(yàn)證試驗(yàn),證明了該方法的有效性。

        2 可變電容型中和器基本原理和結(jié)構(gòu)

        根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,通過空間某截面的電流應(yīng)包括傳導(dǎo)電流與位移電流和運(yùn)流電流,其和稱全電流(total current),如式(1)

        即:全電流I=傳導(dǎo)電流Ic+運(yùn)流電流Iv+位移電流Id,其中:傳導(dǎo)電流Ic指導(dǎo)體內(nèi)自由電荷定向移動(dòng)所形成的電流[4];運(yùn)流電流Iv有時(shí)也稱之為對流電流,指導(dǎo)體外自由電荷定向移動(dòng)所形成的電流[5];位移電流Id 指變化的電場所等效的電流[6]。

        全電流是連續(xù)的,在空間構(gòu)成閉合回路。導(dǎo)線中有傳導(dǎo)電流,而電容器中有位移電流,即傳導(dǎo)電流中斷處,有位移電流接上。反之亦然。通常,人們將運(yùn)流電流歸于傳導(dǎo)電流范疇,在自由電荷較少或其移動(dòng)受限時(shí),運(yùn)流電流可忽略[7]。

        2.1 基本原理

        本文提出了一種可變電容與可變電阻并聯(lián)的雷電中和方法,其原理如下:

        雷云在強(qiáng)烈對流的作用下粒子間不斷碰撞分離產(chǎn)生大量電荷,形成電場,雷云可近似等效為動(dòng)態(tài)電源Vi,其電動(dòng)勢為ε,而雷云中電場較強(qiáng)的區(qū)域空氣產(chǎn)生電離,形成導(dǎo)電通道,可等效為動(dòng)態(tài)電阻R,作為雷云動(dòng)態(tài)電源的內(nèi)阻,空間感應(yīng)電容包括兩個(gè)部分,分別是雷云電荷與接閃器之間的電容C 和雷云電荷與大地之間的電容C′。雷云、空間感應(yīng)電容與雷電電磁中和器、大地構(gòu)成閉合回路,其等效電路如圖1 所示。

        圖1 可變電容型雷電中和全路徑等效電路

        當(dāng)雷云形成時(shí),雷云與接閃器之間感應(yīng)電荷,進(jìn)而給可變電容Cv充電;可變電阻Rv初始狀態(tài)為高阻,可視作斷路;可變電容Cv與電容C(即空間感應(yīng)電容)對雷云施加的總電壓串聯(lián)分壓,可變電容兩端在時(shí)刻感應(yīng)電壓為;當(dāng)超過閾值時(shí),可變電容Cv 增大;同時(shí),可變電阻導(dǎo)通,電阻變小,與可變電容組成暫態(tài)電路將可變電容感應(yīng)的電荷以時(shí)間常數(shù)泄放至大地;該暫態(tài)電路泄放的電流導(dǎo)致空間感應(yīng)電容兩端電荷發(fā)生變化,進(jìn)而改變空間電場強(qiáng)度并以位移電流的形式組成空間電流,流過包含雷云等效動(dòng)態(tài)電源組成的全路徑等效電路。雷云的另一端通過與大地之間電容,形成了整個(gè)閉合回路[8、9、10]。

        上述等效電路的暫態(tài)方程可由式(2)描述:

        其中,Vi為雷云等效動(dòng)態(tài)電源在t時(shí)刻提供的等效電壓

        等式左邊代表流過空間感應(yīng)電容C的位移電流,也是全電路的電流;等式右邊第一項(xiàng)為流過可變電容Cv;等式右邊第二項(xiàng)為流過可變電阻Rv的傳導(dǎo)電流。

        式(2)的解為:

        初始狀態(tài)時(shí),Rv呈現(xiàn)高阻態(tài),可視為開路,則可變電容Cv感應(yīng)到的雷云電壓為與空間感應(yīng)電容C 的串聯(lián)分壓,電壓為:

        根據(jù)式(3),可變電容Cv流過的電流icv為:

        根據(jù)式(3),可變電阻Rv流過的傳導(dǎo)電流iR為:

        式(3)~(6)說明,當(dāng)可變電容感應(yīng)到的電壓達(dá)到閾值時(shí),可變電阻導(dǎo)通,可變電容感應(yīng)電荷通過可變電阻放電,電流為iR。該放電電流消耗了接閃器感應(yīng)的電荷,由式(7)給出:

        根據(jù)電荷守恒定律,作為空間等效電容的雷云端,也將被消耗等量的電荷,即,流過空間感應(yīng)電容的位移電流I 為:

        根據(jù)基爾霍夫第一定律,電流I 是整個(gè)等效電路的電流,它以位移電流在空間輻射的形式通過空間感應(yīng)電容C 到達(dá)雷云,在雷云中轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)電流和運(yùn)流電流中和雷云電荷。中和量Q 由(8)式給出。

        2.2 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

        可變電容型雷電電磁中和器包括:接閃器、可變電容、可變電阻和引下線;可變電容和可變電阻并聯(lián),并聯(lián)之后的兩端分別與接閃器及引下線相連,引下線接地,如圖2 所示。

        圖2 雷電中和器組成

        電容參數(shù)的選取對中和器而言較為關(guān)鍵。根據(jù)公式(3)~(8),不采用可變電容,雖然也會(huì)產(chǎn)生位移電流,但存在如下問題:

        ①電容值較小的情況下,雖然感應(yīng)到的電壓較高,電路能盡快建立暫態(tài)過程,但時(shí)間常數(shù)很小,中和的電荷很少,達(dá)不到防雷效果。

        ②電容值較大的情況下,感應(yīng)電壓較小,時(shí)間常數(shù)很大,電路進(jìn)入暫態(tài)過程慢,接閃器將累積大量電荷,與云端的電場過強(qiáng),容易導(dǎo)致空氣擊穿。

        因此采用可變電容和可變電阻配合會(huì)產(chǎn)生較好效果。初始狀態(tài)可變電容容值小,感應(yīng)電壓高,電路能盡快進(jìn)入暫態(tài)過程;進(jìn)入暫態(tài)過程后,容值變大,時(shí)間常數(shù)增大,中和的電荷量也隨之增多。此時(shí)可變電阻應(yīng)迅速減小,加快放電過程,以免時(shí)間常數(shù)不會(huì)增大的太長。

        可變電容和可變電阻參數(shù)如圖3所示。

        圖3 中,實(shí)線為壓敏電容隨電壓變化曲線,虛線為壓敏電阻隨電壓變化曲線??勺冸娙萦赦夋V酸鉛(PMN)-鈦酸鉛(PT)-鈮鋅酸鉛(PZN)半導(dǎo)體勢壘電容制備而成的壓敏電容,按0.90PMN-0.08PT-0.02PZN 的比例配制,在1050℃高溫?zé)Y(jié),用銀電極與ZnO 壓敏電阻材料并聯(lián)。其動(dòng)態(tài)電容范圍為10pF ~10μF,電壓閾值為4kV,超過該閾值動(dòng)態(tài)電容由小到大劇烈變化,由nF 量級增大到μF量級;與之并聯(lián)的ZnO可變電阻,其閥值為10kV。低壓時(shí)處于高組態(tài),接近閥值時(shí)動(dòng)態(tài)電阻急劇減小。

        圖3 可變電容和可變電阻參數(shù)曲線

        圖4 雷電沖擊響應(yīng)試驗(yàn)

        圖5 實(shí)測感應(yīng)電壓波形

        當(dāng)可變電容感應(yīng)到的電壓超過閾值時(shí),動(dòng)態(tài)電容在nF 以上量級,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空間感應(yīng)電容C,時(shí)間常數(shù)在4kV ~8kV 電壓區(qū)間時(shí)間常數(shù)在70s左右。超過8kV,由于可變電阻很小,時(shí)間常數(shù)隨之減小。

        3 模擬試驗(yàn)及結(jié)果

        為驗(yàn)證上述原理,模擬了雷電沖擊響應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用了30kV 沖擊電壓發(fā)生器、1m×1m 方形雷云板、RIGOLDS5022ME 數(shù) 字 示 波 器 及100:1 探 頭等設(shè)備。模擬試驗(yàn)實(shí)物圖及示意圖如圖4a、4b 所示。

        實(shí)驗(yàn)中,沖擊電壓發(fā)生器連接雷云板上下兩個(gè)極板,下極板接地,上極板為-22kV 脈沖電壓,脈沖底寬13ms,時(shí)間常數(shù)(1/e 脈沖寬度)為4ms。

        雷電中和器放置在極板之間,引下線接地。接閃器與上極板間距為D,形成空間感應(yīng)電場。接閃器感應(yīng)電壓Vo與D 成反比,即,接閃器與上極板間距越小,感應(yīng)電壓越大。示波器采用100:1 探頭測量接閃器與地之間電壓。

        實(shí)測感應(yīng)電壓波形如圖5,具體數(shù)值見表1。

        圖5a 為沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓Vi時(shí)實(shí)測感應(yīng)電壓波形。圖5b 為Vo=1.3kV,圖5c 為Vo=5kV,圖5d 為Vo=8kV

        試驗(yàn)結(jié)果顯示,在空間電場達(dá)不到擊穿空氣的場強(qiáng),且中和器感應(yīng)電壓達(dá)到可變電阻1mA 電壓(U1mA=1kV)時(shí),中和器電路進(jìn)入暫態(tài)過程,但此時(shí)阻值仍較大,Rv≈1.4MΩ,因此電流較小,約為1mA,單次沖擊響應(yīng)中和的電荷量約為44nC;隨著感應(yīng)電壓的增大,峰值感應(yīng)電壓達(dá)到5kV 時(shí),動(dòng)態(tài)電容增大到0.1μF,同時(shí)動(dòng)態(tài)電阻下降到700Ω,峰值電流可以達(dá)到7.1A,單次響應(yīng)中和的電荷量約為0.314mC;當(dāng)感應(yīng)電壓達(dá)到8kV 時(shí),峰值電流接近kA 級別,單次響應(yīng)中和的電荷量約為0.0393C。在該狀態(tài)下,如果激勵(lì)持續(xù)存在,假設(shè)每秒鐘響應(yīng)25 次,則每秒可中和約1C 電荷,20s 可以中和掉20C 的電荷量,相當(dāng)于中和掉一個(gè)普通雷閃的電荷量。

        表1 Vi=22kV 單脈沖激勵(lì)試驗(yàn)結(jié)果

        4 結(jié)語

        根據(jù)本文2.1 敘述的原理,以上試驗(yàn)中和的電荷量,在滿足電荷守恒定律的條件下,以位移電流的形式穿過空間電場,中和了等量的極板電荷。若應(yīng)用于戶外防雷,可持續(xù)中和雷云電荷。

        基于位移電流的電荷中和,并不排斥傳統(tǒng)的避雷針原理的防雷,實(shí)際上是兩個(gè)過程,也就是說,在雷云與接閃器感應(yīng)的電荷量增加速度小于電路中電荷的中和速度,空間電場強(qiáng)度是減弱的,這個(gè)過程以位移電流的方式中和;當(dāng)雷云與接閃器感應(yīng)的電荷量增加速度大于電路中電荷的中和速度,電荷持續(xù)累積,導(dǎo)致空間電場持續(xù)增強(qiáng),最終導(dǎo)致空氣擊穿,此時(shí)電路中可變電容和可變電阻均進(jìn)入深度飽和擊穿狀態(tài),接近短路,中和器將以避雷針方式泄放電荷。

        基于位移電流的電荷中和,電路電流在kA 級別附近,中和電流較為適中,可以持續(xù)“緩釋”雷云電荷,可明顯降低引雷概率,若應(yīng)用中采用多點(diǎn)分布式布局,引雷概率可大幅降低,中和效果更佳。

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