基于等電位先導(dǎo)抑制的防雷設(shè)計(jì)探索

唐 峰，呂啟深，李默林，趙雪琳，張 榆，李建明

（1.南網(wǎng)深圳供電局有限公司電力科學(xué)研究院，廣東 深圳518000；2.國網(wǎng)四川省電力有限公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072；3.電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都611731）

0 引言

雷電是一種常見的自然災(zāi)害，雷電流往往具有較高的電流幅值和陡度，直擊雷或感應(yīng)雷產(chǎn)生的各類效應(yīng)極易對電氣裝置造成危害，因此，防雷工作在電力、建筑、交通、通信、航空等多個(gè)領(lǐng)域都受到密切關(guān)注［1-2］。

1 雷電對電氣裝置的危害

以電力系統(tǒng)中輸電線路為例，雷擊是造成輸電線路（尤其是超/特高壓）故障的主要原因之一［3-5］。雷擊輸電線路時(shí)會(huì)導(dǎo)致跳閘停電事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起絕緣損壞；雷擊產(chǎn)生的過電壓波可能沿著導(dǎo)線入侵發(fā)電廠和變電站，產(chǎn)生安全隱患；雷擊時(shí)還可能出現(xiàn)反擊現(xiàn)象［6-7］，危及周圍人、畜的生命安全。

除了直擊雷過電壓的影響，雷擊時(shí)還可能產(chǎn)生電磁脈沖，影響通信類設(shè)備正常工作；直擊雷耦合出的感應(yīng)過電壓還有可能對弱電設(shè)備造成損壞，尤其是精密的電子類器件。而這些電氣設(shè)備是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的重要部分，與國民經(jīng)濟(jì)和民生生活息息相關(guān)［8］，因此，防雷工作勢在必行。

現(xiàn)如今針對各類電氣設(shè)備的防雷工作主要分兩部分：一是針對直擊雷問題，通過安裝避雷針、避雷線等引雷裝置，吸引雷擊自身以保護(hù)一定范圍內(nèi)電氣設(shè)備的安全；二是針對過電壓問題，選擇安裝避雷器等限流裝置將過電壓的幅值限制在一定的范圍之內(nèi)，防止設(shè)備絕緣被擊穿［9-10］。

上述兩種類型的避雷器配合使用起到了良好的對電氣設(shè)備的保護(hù)效果，因此在防雷工程中得到廣泛的應(yīng)用。但仍存在一些問題，如直擊雷產(chǎn)生的熱效應(yīng)、雷電流電磁力產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)等仍可能造成設(shè)備的機(jī)械性損傷；繞擊、反擊等情況的出現(xiàn)無法避免，導(dǎo)致低絕緣等級(jí)的電氣設(shè)備容易受到損壞；雷電流在傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)會(huì)影響通信、控制系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重時(shí)造成其損壞。同時(shí)，在石油化工、航空通信等特殊行業(yè)，雷電的出現(xiàn)可能產(chǎn)生巨大的安全隱患，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，應(yīng)當(dāng)盡力回避。

因此，提出一種新型防雷方法，以抑制雷電下行先導(dǎo)的發(fā)展為基本原理，采用新型抑雷裝置，通過向下行先導(dǎo)發(fā)送極性相反的地電荷來中和先導(dǎo)通道的電荷，以此來降低雷電流的幅值和陡度，由于過電壓的幅值與雷電流參數(shù)息息相關(guān)，雷電流的陡度降低使得過電壓的幅值被限制在一個(gè)較低的水準(zhǔn)，不至于超過設(shè)備的絕緣等級(jí)［9-10］，同時(shí)，采用隔離電源和等電位連接等措施來限制已經(jīng)削減過后的過電壓，進(jìn)一步保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

2 新型抑雷裝置工作原理及應(yīng)用

2.1 新型抑雷裝置工作原理

新型抑雷裝置的主要構(gòu)件為氧化鋅閥片。半導(dǎo)體閥片的作用類似于開關(guān)元件，當(dāng)閥片上端電場強(qiáng)度達(dá)到預(yù)設(shè)值的時(shí)候閥片導(dǎo)通，其余時(shí)間閥片閉合。

下面以一次典型的負(fù)地閃為例，說明新型抑雷裝置的工作原理。

1）下行先導(dǎo)發(fā)展階段

雷電活動(dòng)開始之前，雷云下部形成了局部負(fù)電荷區(qū)域，距離地面約為0.5～10 km的距離。雷云中的負(fù)電荷會(huì)在地面感應(yīng)出大量的正電荷，云地之間出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)電場。隨著云地之間的電場逐漸增強(qiáng)，雷云中負(fù)電荷區(qū)域中心會(huì)形成流注，下行先導(dǎo)從負(fù)電荷區(qū)域中心的邊緣起始，向著地面發(fā)展［11］。

在初始階段，先導(dǎo)只是向下推進(jìn)，并無一定目標(biāo)，每級(jí)長度約為25～50 m，每級(jí)的伸展速度約為104 km/s，各級(jí)之間有30～90 μs的停歇，所以平均發(fā)展速度只有100～800 km/s，出現(xiàn)的電流也不大，只有數(shù)十至數(shù)百安培。

因此，在此階段對下行先導(dǎo)進(jìn)行消除和抑制，從理論上來說是可以達(dá)成的。下行先導(dǎo)通道在計(jì)算時(shí)可以采用線電荷模型，線電荷的電荷量可由COORAY［11］提出的計(jì)算公式求得，為：

式（1）中，ρ(τ)為下行先導(dǎo)通道電荷密度，C/m；τ 為先導(dǎo)通道中某點(diǎn)距先導(dǎo)頭部的距離，m；Ip為雷電流峰值，本文計(jì)算取值為-20 kA；H為雷云對地高度，本文計(jì)算取值為2 000 m；z0為先導(dǎo)頭部距離地面高度（m）；a0、α、b、c 和d 為系數(shù)，其中a0=1.476×10-5，α=4.857×10-5，b=3.909 7×10-6，c=0.522，d=3.73×10-3。

根據(jù)公式（1）對線電荷進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到下行先導(dǎo)通道中的總電荷量，通過數(shù)值計(jì)算可得一次典型的-20 kV的負(fù)極性閃擊先導(dǎo)通道的電荷量約1.22 C。

因此可以認(rèn)為，只要抑雷裝置釋放出的地電荷量足以中和先導(dǎo)通道的電荷，就可以抑制甚至避免雷擊的發(fā)生。

2）氧化鋅閥片導(dǎo)通

隨著先導(dǎo)不斷向下發(fā)展，先導(dǎo)頭部的電荷區(qū)會(huì)在地面物體上感應(yīng)出大量的正電荷并逐漸聚集。當(dāng)先導(dǎo)接近地面時(shí)，地面物體在下行先導(dǎo)強(qiáng)電場的作用下會(huì)產(chǎn)生上行先導(dǎo)，并向著下行先導(dǎo)頭部的方向發(fā)展，當(dāng)上下行先導(dǎo)頭部之間的電場強(qiáng)度大于空氣擊穿場強(qiáng)時(shí)，先導(dǎo)頭部間氣隙被擊穿，接閃完成。

為了抑制主放電通道的形成，最合理的方式就是抑制下行先導(dǎo)的發(fā)展，這就需要在上下行先導(dǎo)接閃之前讓抑雷裝置的氧化鋅閥片導(dǎo)通，并預(yù)先向先導(dǎo)通道釋放大量正電荷。

因此，認(rèn)為當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展到一定階段，在閥片上感應(yīng)出的電荷逐漸增加到氧化鋅閥體尾端（即電力設(shè)備首端）的電壓達(dá)到其絕緣耐壓水平或避雷器放電電壓時(shí)，此時(shí)氧化鋅閥片變?yōu)榈妥钁B(tài)，閥片呈導(dǎo)通狀態(tài)，抑雷裝置連通地面并向上輸送正電荷。設(shè)閥片導(dǎo)通時(shí)的電壓為uo，其取值與被保護(hù)電力設(shè)備的絕緣水平相關(guān)。故氧化鋅閥片導(dǎo)通的條件為閥片尾端電壓大于uo。抑雷裝置原理如圖1所示。

圖1 抑雷裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of lightning suppression device

閥片導(dǎo)通后，抑雷裝置在幾毫秒內(nèi)向下行先導(dǎo)頭部發(fā)射大量正電荷，以此來中和下行先導(dǎo)頭部的負(fù)電荷。

3）氧化鋅閥片閉合

當(dāng)輸送了足夠多的地面正電荷時(shí)，下行先導(dǎo)頭部的負(fù)電荷被中和，先導(dǎo)發(fā)展過程暫緩，雷擊過程被抑制，此時(shí)氧化鋅閥片上端感應(yīng)出的電場強(qiáng)度會(huì)下降，閥體兩端電壓降低，閥體又重新變成高阻，抑雷裝置輸送的地電荷會(huì)逐漸減少，直到閥片底端電壓u≤uo時(shí)閥片關(guān)閉，此時(shí)抑雷裝置停止向上輸送正電荷。由文獻(xiàn)［3］知，當(dāng)電場強(qiáng)度低于30 kV/m時(shí)，不會(huì)形成穩(wěn)定發(fā)展的先導(dǎo)，認(rèn)為此時(shí)先導(dǎo)發(fā)展被成功抑制。

4）氧化鋅閥片持續(xù)開斷

雷擊時(shí)雷電流的幅值具有隨機(jī)性，因此一次雷擊中釋放的電荷量大小不等，據(jù)不同學(xué)者的統(tǒng)計(jì)，單脈沖雷擊的平均電荷量由2.5 C～34 C不等。然而雷擊過程中往往還伴隨多次回?fù)?，在回?fù)暨^程中仍會(huì)持續(xù)釋放大量的電荷［12］。

對于放電量較少的單脈沖雷擊過程來說，閥片單次的開斷足以取得良好抑制效果；但對于包含大量負(fù)電荷、有多個(gè)電荷密集中心的雷云來說，極有可能出現(xiàn)多脈沖雷擊的情況［13］，使得氧化鋅閥片單次開斷的過程所輸送的地電荷就不足以中和整個(gè)雷擊過程中的放電電荷。在多脈沖雷擊過程中，抑雷裝置輸送地電荷以后，先導(dǎo)通道中的電荷濃度會(huì)暫時(shí)降低，下行先導(dǎo)頭部的發(fā)展會(huì)暫時(shí)被抑制，但雷云中大量負(fù)電荷會(huì)在后續(xù)過程中持續(xù)向先導(dǎo)通道漂移、積累，當(dāng)電荷濃度達(dá)到一定值時(shí)，下行先導(dǎo)仍會(huì)進(jìn)一步迅速發(fā)展。

此時(shí)，抑雷裝置的氧化鋅閥片會(huì)處于連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷階段，整個(gè)過程長達(dá)幾十毫秒到幾百秒［14］，在這個(gè)過程中，抑雷裝置會(huì)向下行先導(dǎo)頭部斷續(xù)地輸送地電荷：當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展迅速時(shí)，閥片呈低阻態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)，抑雷裝置開始輸送地面正電荷以抑制或暫緩下行先導(dǎo)的發(fā)展；當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展得到抑制后，閥片呈現(xiàn)高阻態(tài)斷開狀態(tài)，抑雷裝置停止輸送地電荷，此時(shí)雷云中的電荷會(huì)補(bǔ)充到先導(dǎo)通道中，促進(jìn)先導(dǎo)進(jìn)一步發(fā)展，又會(huì)使得閥片再次導(dǎo)通［15］，以上過程會(huì)重復(fù)發(fā)生直至最終完成接閃［16-17］。

在閥片多次開斷的過程中，最終接閃形成的雷電主放電通道會(huì)中斷或延遲放電過程，也即是雷電放電上升陡度延遲變緩，使得雷電流幅值和陡度大幅降低［18］；甚至還可能出現(xiàn)雷電先導(dǎo)放電通道斷開，雷云下行先導(dǎo)會(huì)去尋找別的放電點(diǎn)的現(xiàn)象，從而取得了較好的防護(hù)效果。

結(jié)合多脈沖雷擊過程來看［19］，新型抑雷裝置相比于傳統(tǒng)的避雷器取得了更好的效果。針對于避雷器而言，多重雷擊可能會(huì)造成避雷器過載而受損、炸裂，最終會(huì)對電力設(shè)備造成破壞［20-22］；而新型抑雷裝置則是以抑制先導(dǎo)為基本原理，從降低雷電流陡度和過電壓危害性的角度出發(fā)，配合其它有效措施來達(dá)到綜合防護(hù)的效果。

2.2 新型抑雷裝置的應(yīng)用

圖2是某地安裝新型抑雷裝置后在一次雷擊過程中采集到的完整電流波形［23］，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，從抑雷裝置導(dǎo)通起始，隨著下行先導(dǎo)的發(fā)展，通過抑雷裝置閥片的電流幅值呈先增加后逐漸減小的趨勢，整個(gè)過程中閥片持續(xù)導(dǎo)通并輸送了大量的正電荷。

圖2 一次雷擊過程中檢測到的完整電流波形Fig.2 Complete current waveform detected during a lightning strike

用線性擬合的方式對波形圖進(jìn)行處理，通過積分計(jì)算可以得到各個(gè)時(shí)刻抑雷裝置發(fā)送地電荷的數(shù)值，得到以下分析：

1）在0～10 ms的間隙，先導(dǎo)起始并向著地面發(fā)展，閥片在先導(dǎo)頭部的電場作用下開始導(dǎo)通并向上輸送少量正電荷。在10 ms左右閥片受先導(dǎo)強(qiáng)電場的作用完全導(dǎo)通并輸送了電荷量約為850 mC的地面正電荷，足以中和先導(dǎo)通道中的絕大部分負(fù)電荷，從而起到了抑制先導(dǎo)發(fā)展的作用。此時(shí)閥片趨于閉合，發(fā)送的電荷量減少，電流幅值恢復(fù)到正常水平。

2）在10 ms～50 ms 的過程中，先導(dǎo)并未進(jìn)一步發(fā)展，但先導(dǎo)通道中的電荷量仍在不斷積累，在50 ms時(shí)先導(dǎo)開始進(jìn)一步發(fā)展，閥片開始恢復(fù)導(dǎo)通并間斷地輸送大量電荷，從而間歇地抑制了先導(dǎo)的發(fā)展，直到下一次先導(dǎo)又繼續(xù)步進(jìn)。

3）在10 ms～200 ms 的過程中，抑雷裝置閥片始終處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，并持續(xù)地向下行先導(dǎo)的頭部輸送大量正極性地電荷，這段時(shí)間里發(fā)生了強(qiáng)烈的電荷中和現(xiàn)象，使得雷電的能量大幅降低。

4）在200 ms～500 ms的時(shí)間段里，閥片處于半導(dǎo)通狀態(tài)，在每個(gè)時(shí)刻輸送的電荷量趨于平均且數(shù)量較少，說明雷電流的幅值已經(jīng)大大降低。

5）整個(gè)消除先導(dǎo)的過程持續(xù)時(shí)間長達(dá)500 ms，抑雷裝置累計(jì)中和的負(fù)電荷數(shù)量約為60 C，成功抑制先導(dǎo)的發(fā)展，降低了雷電流的幅值和陡度。

通過對圖3中抑雷裝置記錄到的完整波形圖進(jìn)行分析［24-25］，認(rèn)為雷電流的幅值最終趨于一個(gè)極低的值，比使用常規(guī)避雷器記錄到的雷電流幅值低了大約2～3個(gè)數(shù)量級(jí)［26］。因此，可以證明抑雷裝置相對于避雷器取得了更好的防護(hù)效果。

3 采用新型抑雷裝置的防雷設(shè)計(jì)

新型抑雷裝置相比于避雷針、避雷線等更好地解決了直擊雷問題，有效地保護(hù)了各類型的電氣設(shè)備［27］。

但在實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中，許多安裝了抑雷裝置的場所仍偶然存在雷電活動(dòng)后電子器件有所損壞的現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)是被保護(hù)設(shè)備附近的單位被雷擊后，出現(xiàn)的感應(yīng)雷過電壓或者反擊現(xiàn)象所造成的，并且損壞的部分以電源系統(tǒng)居多。

因此，在安裝新型抑雷裝置防護(hù)直擊雷以后，還必須要配合其它的安全措施來對感應(yīng)雷過電壓進(jìn)行防護(hù)。

1）高壓等電位隔離變壓器

當(dāng)直擊雷發(fā)生在電氣設(shè)備附近時(shí)，電源系統(tǒng)所在線路難免感應(yīng)出極高的過電壓。如果不采用隔離措施，那么在存在較高感應(yīng)過電壓的情況下，低絕緣等級(jí)的電源系統(tǒng)難免會(huì)遭到破壞。

通過采用高壓等電位隔離變壓器來保證電源系統(tǒng)不受感應(yīng)過電壓的沖擊。高壓隔離變壓器有良好的電氣隔離性能，隔離可以很容易地做到上萬伏的等級(jí)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高壓隔離變壓器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Structural schematic diagram of isolation transformer

高壓隔離變壓器的主要原理是：利用初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間只有電磁耦合，無直接電氣通道的特性來隔離感應(yīng)過電壓。

在本設(shè)計(jì)中，通過隔離變壓器將處于其兩側(cè)的高壓線路與電源系統(tǒng)隔離開來，讓它們僅僅通過電磁聯(lián)系，使得雷擊形成的高壓不能直接通過隔離變壓器。因?yàn)楦綦x變壓器的絕緣水平高于隔離變壓器原邊避雷器放電水平，因此相當(dāng)于將后續(xù)設(shè)備的保護(hù)水平提高了一個(gè)電壓等級(jí)［28-29］，從而避免電源系統(tǒng)的絕緣被破壞，達(dá)到了保護(hù)電源系統(tǒng)的目的［30］。

感應(yīng)過電壓通過高壓隔離變壓器后，受到明顯的削弱，如圖4所示?？梢?，通過高壓隔離變壓器來實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的高壓隔離效果良好。

圖4 高壓隔離前后電源系統(tǒng)的電壓大小對比Fig.4 Comparison of voltage levels of power supply system before and after high voltage isolation

2）電壓自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)

電壓自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)包含測量模塊、控制模塊等，它作為高壓隔離措施的補(bǔ)充。當(dāng)感應(yīng)過電壓過大、高壓隔離的作用有限時(shí)，即可通過電壓自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)作為補(bǔ)充措施，來調(diào)控電源系統(tǒng)的電壓，保證其在安全的范圍內(nèi)。

3）等電位連接措施

防雷擊等電位連接是內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統(tǒng)內(nèi)，所有導(dǎo)電的部件都被相互連接，以減小電位差。在安裝有新型抑雷裝置的防雷系統(tǒng)中，為了防止電源系統(tǒng)在沖擊電壓下對地電位升高，對周圍設(shè)備進(jìn)行反擊，必須將其進(jìn)行等電位連接，以保證電源系統(tǒng)的安全［31-32］。

4）屏蔽措施

屏蔽裝置可以減少電磁干擾。電源系統(tǒng)中往往包含了低壓控制部分許多敏感的電力電子元件，為了防止電磁脈沖對其干擾，可以在線路和電源系統(tǒng)的金屬外殼上都采用屏蔽措施。

5）防雷接地

降低接地點(diǎn)的電阻有利于電氣設(shè)備的安全，可以通過設(shè)置接地網(wǎng)、使用土壤降阻劑等方法，并與避雷器進(jìn)行配合達(dá)到聯(lián)合防護(hù)的目的，保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)仍要對所有金屬設(shè)備進(jìn)行等電位連接。

4 結(jié)語

采用新型抑雷裝置的防雷設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用中取得了更好的防護(hù)效果。

1）新型抑雷裝置相比于各類避雷器，能將雷電流限制在極低的幅值范圍以內(nèi)，甚至可能消除雷電流，在防止直擊雷損壞這一方面，抑雷裝置取得了更好的防護(hù)效果；

2）為了防止感應(yīng)過電壓造成的電源系統(tǒng)損壞，采用高壓等電位隔離的電源系統(tǒng)；

3）針對可能出現(xiàn)的過電壓及反擊現(xiàn)象，防雷設(shè)計(jì)還需要配合等電位連接、屏蔽、防雷接地等安全措施來進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)，以保證電氣設(shè)備的安全；

4）針對太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)，采用新型抑雷裝置的先導(dǎo)抑制防雷設(shè)計(jì)會(huì)更利于系統(tǒng)安全運(yùn)行；

5）基于等電位先導(dǎo)抑制的防雷設(shè)計(jì)在10～35 kV的中壓系統(tǒng)中取得了較好的防護(hù)效果。

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