電氣設備的防雷保護優化設計

□王梓屹 熊衛衛

電能源是國民發展、人民生活不可或缺的主要能源。隨著電力發展與在國民經濟中的廣泛應用，高電壓自動化保護的要求與技術的完善成為目前最為迫切而亟需解決的問題。電力系統在正常工作時，系統中的用電設備在電網的額定電壓下工作，處于正常運行狀態下的電氣設備和非電保護裝置處于相互絕緣狀態，但遭到雷擊后電氣設備的運行電壓遠超額定電壓，對設備造成嚴重的破壞。并且在低電壓系統中大部分造成不正常運行的事故是雷擊事故。電力設備被雷電直接擊中時，會產生很大的過電流和過電壓，使設備不能滿足動穩定和熱穩定，給國民生活造成嚴重的危害。傳統的避雷針在保護范圍局限性日益突出，這主要是因為我國在低電壓防雷保護設備應用相對較少，所以優化低電壓的防雷保護迫在眉睫。在解決這一問題中，小電壓系統防雷保護，特別是防雷針的優化設計成為一個重要的技術問題。

一、傳統避雷針工作分析

在雷雨季節，天空中出現帶電云團，攜帶大量電荷，導致避雷針被感應出大量電荷由于避雷針針頭是尖狀物，靜電感應時總是在導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，也就說所能儲存的電荷較少，帶電云團帶負電荷，避雷針尖端被感應出正電荷，當電荷足夠大時，電容所能儲存的電荷又較小，導致避雷針與帶電云團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入大地，從而對電氣設備進行保護。但這樣只是誘導放電，保護范圍始終有限。

避雷針保護半徑與避雷針高度成明顯的開口向下的拋物線，也就說，當避雷針有一定的高度之后，在繼續增加避雷針高度，保護范圍并不會增大，如果單純地增加避雷針高度只會浪費材料而不能起到很好的擴大保護范圍的功效。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范圍。

在設計思想上，首先需要對雷擊過程進行簡單的分析。雷雨云中平均場強大約為150KV/M，而當云團中的電荷密集處達到2,500～3,000KV/M，就會產生先導放電，大量研究和現實拍攝照片表明，雷電的先導放電并不是連續的，也就是說先導放電過程是走一段停一會，再走，每級長度為10～200M，平均25M，停歇的時間平均為50US，同樣避雷針也由于感應出電荷也會有先導放電過程，當空中迎面先導與下行先導的一支相遇，產生了更強的電場，會出現高達數十到數百千安的電流，并伴隨著雷鳴和閃光的出現，這便是主放電的形成，可以考慮在迎面先導與下行先導的一支做出改進，精準地讓他們相遇并產生“中和”，這樣完全可以讓雷電準確地擊中避雷針而不是電氣設備，這樣也能在避雷針不能明顯增高時擴大保護范圍。

二、新型避雷優化方法

傳統避雷針的基礎上增加一個主動接觸裝置。這個裝置主動建立起發射高頻脈沖的迎接信號，將先導放電直接作用于避雷針尖端，而不是單純地誘導雷電流，這樣做可迅速地捕獲雷電所傳播的先導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成，通過電廠能和磁場能的相互轉化進行對電壓電流的調節，可以將脈沖變壓器與振蕩器相結合構成主動裝置[1]，這樣就可以嚴格控制主動裝置所發出的頻率，使頻率更接近擊穿空氣的雷電流，擁有這樣主動裝置的避雷針可以在雷電的先導過程前對雷電的先導過程進行捕獲，甚至可以將遠離避雷針數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避雷針的保護范圍更大。

傳統避雷針只能對雷電流進行一次引發，這樣的引發失敗率也是極高的，但是利用主動裝置中的振蕩器可以多次對雷電流進行引發，多次引發成功幾率要比單次大的多，振蕩器的儲能裝置先儲存電能儲存足夠多的時候將其轉化為磁場能，使主動裝置迅速恢復到接收電能狀態繼續對雷電的先導放電進行吸引，由于感應雷電荷較多，這樣重復的過程頻率較高，可數次對雷電流進行吸引，高頻率保證整套裝置的可靠性。

由脈沖變壓器將雷電流轉化，進過單項二極管進入振蕩器，當電容器兩端的臨界電壓高于U電容發出能量流入電感L，進行電廠能和磁場能的轉化，之后流入大地，并不用擔心振蕩器的電流反向流出因為在入口處的二極管單向導電，R0又能很好地保護二極管，可是當雷電流入時設備的熱穩定面臨挑戰，具體表現為溫度使設備的電阻升高所以要在模擬時加入可變電阻以模擬這一實況環境。所以LC振蕩電路計算結果如下：

根據楊磊關于提前放電避雷針放電特性沖擊試驗所提出的理論[2]，

其特征根

式中：α=R/2L成為衰減系數；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，響應隨著時間變化具有衰減的震蕩特性。

同理，在臨界阻尼情況下響應是非震蕩衰減的。在過阻尼情況下響應為uc(t)隨時間按指數規律衰減，為非震蕩。

三、結語

通過引誘雷擊過程先導放電的過程分析，在傳統避雷針追加主動裝置以及分多條件進行的數據分析，證明擁有主動裝置的避雷針可行性極高，其防雷效果要比傳統避雷針保護范圍、效果要好。隨著不同應用場所對于避雷要求日趨嚴格，需要保護的設備越來越精密，這種擁有主動裝置的避雷針優化技術會得到更廣泛的應用。