可控放電避雷針說(shuō)明書(shū)

1、控制放電避雷針國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢華瑞防雷技術(shù)股份制公司目錄一、概要二、富蘭克林避雷針的局限性三、能夠控制放電避雷針的保護(hù)原理四、能夠控制放電避雷針的保護(hù)特性五、主要電度表六、可以控制放電避雷針的形式和適用范圍七、安裝說(shuō)明八、開(kāi)箱檢查九、安裝檢查附錄1 :控制放電避雷針保障范圍的修正計(jì)算附錄二：專(zhuān)利證書(shū)控制放電避雷針1 .概要控制放電避雷針是武漢高壓研究所經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期防雷研究和大量高壓試驗(yàn)取得的最新研究成果。該針以變化緩慢的小電流上行雷閃放電形式釋放雷暴云電荷，以避免強(qiáng)下行雷閃放電危害為設(shè)置修訂的基礎(chǔ)。 經(jīng)過(guò)數(shù)千次高壓放電試驗(yàn)證實(shí)，具有引起上行雷、保護(hù)可靠性高、范圍寬、不受保護(hù)物高影響等特點(diǎn)。

2、據(jù)專(zhuān)門(mén)人才評(píng)議，是一種原理正確、設(shè)修思想新穎、保護(hù)性能好、應(yīng)用前景廣闊的直擊雷防護(hù)裝置。在選項(xiàng)和安裝之前請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀本手冊(cè)。2 .富蘭克林避雷針的局限性1749年美國(guó)富蘭克林發(fā)明避雷針(稱(chēng)為傳統(tǒng)避雷針)已經(jīng)有250多年的歷史，現(xiàn)在最常用的避雷針?lè)椒ɑ静捎帽芾揍?避雷針)。 其原理是利用自身的高度使雷暴云下的電場(chǎng)變形，將閃電擊放電導(dǎo)入避雷針。 這種方式雖然簡(jiǎn)單，但有很多缺點(diǎn)。保障范圍不清楚，發(fā)生迂回許多研究和實(shí)踐證明，一條垂直避雷針得不到肯定的安全保護(hù)區(qū)。 例如，1964年7月沈陽(yáng)的某個(gè)微波站受到了閃電擊，閃電擊點(diǎn)位于距避雷針頂部下方4m處的莫斯可的537m高的電視塔，雷電繞過(guò)塔下200m的塔體

3、，有時(shí)還擊中了從塔水平離開(kāi)150m的地面。 實(shí)際上，避雷針的保障范圍沒(méi)有得到科學(xué)界的公認(rèn)，現(xiàn)行規(guī)章中的保障范圍可以說(shuō)是決定避雷針高度和數(shù)量的工程方法。 雷電繞過(guò)避雷針直接照射到被保護(hù)物的事件屢見(jiàn)不鮮，從大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，避雷針繞過(guò)率約為1%左右，使用避雷針時(shí)被保護(hù)物閃電擊的危險(xiǎn)性依然很大。有反擊發(fā)生避雷針將雷電引導(dǎo)到自各兒頂部后，該強(qiáng)雷電電流進(jìn)入地面時(shí)，如果接地電阻和下線(xiàn)的電阻過(guò)高，或者避雷針保護(hù)物之間的距離小于安全距離，將造成高壓，引起避雷針和下線(xiàn)對(duì)保護(hù)物的攻擊。 我國(guó)的超電勢(shì)規(guī)程規(guī)定了避雷針對(duì)被保護(hù)物的空間距離SK5m，避雷針對(duì)保護(hù)物的接地裝置間的地下距離Sa3m。 事實(shí)上，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)

4、用都很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。 與各種電力線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)、廣播線(xiàn)、天線(xiàn)的避雷針及引下線(xiàn)的距離太近容易發(fā)生電介質(zhì)擊穿損壞，而避雷針接地網(wǎng)的腐蝕嚴(yán)重，有的裝置電阻高達(dá)幾十歐姆(規(guī)程要求10)，這也造成了反擊。以往的避雷針會(huì)引起感應(yīng)超電勢(shì)強(qiáng)雷電流(數(shù)十千安上百千安)沿避雷針及引下線(xiàn)以極快的速度(微秒級(jí))進(jìn)入地下的過(guò)程中，在被保護(hù)物上形成感應(yīng)超電勢(shì)并出岔子。如果在避雷針附近有開(kāi)口的金屬環(huán)(例如房屋的鐵元素筋未焊接或因其他原因開(kāi)口)，則在開(kāi)口部產(chǎn)生電磁效應(yīng)超電勢(shì)，在開(kāi)口部產(chǎn)生火花放電，可燃物點(diǎn)火，尤其是油庫(kù)、氣體液化庫(kù)、彈藥庫(kù)等點(diǎn)火并爆炸。 此外，還會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)超電勢(shì)。感應(yīng)超電勢(shì)引起的事故很多，例如南方某煉油廠10

5、00m3的半地下式滑油箱，復(fù)蓋厚度0.5m的土層，設(shè)置獨(dú)立避雷針保護(hù)。 1975年5月的閃電擊，油箱全體著火爆炸，1989年8月山東黃島油據(jù)分析庫(kù)存的起火是由于雷電感應(yīng)引起的。 架空輸電線(xiàn)路，50m以外的雷擊的情況下，誘導(dǎo)超電勢(shì)一般達(dá)到250500kV，甚至更高，一部分的輸電線(xiàn)路可能發(fā)生跳閘。有接觸電壓及步進(jìn)電壓在閃電擊避雷針，如果站在附近的地面上，人接觸到針化學(xué)基和下線(xiàn)，就會(huì)受到很高的接觸電壓，從而威脅人身安全。 由于強(qiáng)雷電流向地下擴(kuò)散時(shí)，在地面上沿著半徑點(diǎn)形成不同的電位，附近的人(畜)的兩個(gè)腳丫子會(huì)受到高的階梯電壓，危及生命。 例如，中國(guó)南寧城郊鄉(xiāng)的落雷樓柱，2樓靠近柱子的6人死亡，樓下的

6、人離開(kāi)柱子2m多而昏過(guò)去。 為避免接觸電壓和階躍電壓的危害，人畜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離避雷針(5m以上)。以往的避雷針特別適合弱電機(jī)器的保護(hù)隨著微電子發(fā)展和電子器件的廣泛使用，例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)與微波通信系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)、電子導(dǎo)航儀表系統(tǒng)供電控制系統(tǒng)、氣象雷達(dá)系統(tǒng)、航空航天技術(shù)雷暴造成的這些系統(tǒng)電子器件損壞矛盾日益突出，往往在經(jīng)過(guò)雷暴后，大量電子器件損壞不明傳統(tǒng)避雷針在防雷中存在上述種種缺陷，造成了傳統(tǒng)避雷針尤其易燃，不適于保護(hù)爆炸品弱電設(shè)備，也不適于安置在土壤電阻率較高的場(chǎng)所。放電控制避雷針是為克服富蘭克林避雷針的以上缺點(diǎn)而研發(fā)的新型直擊雷防護(hù)裝置。3 .控制放電的避雷針保護(hù)原理雷暴云對(duì)地面物體放

7、電，只不過(guò)是上行閃雷和下行閃雷兩種方式。一般來(lái)說(shuō)，下行閃電時(shí)，先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過(guò)程發(fā)生在地面(或地面物體)附近，因此電荷供給一盞茶，放電過(guò)程快，雷電流振幅大(平均值為3044kA )，陡峭度高(24-40ka/)。 上行閃電一般沒(méi)有從上到下的主放電，其放電電流從不斷向上發(fā)展的先導(dǎo)過(guò)程產(chǎn)生，即使雷暴云難以向主放電通路供給電荷，放電電流的大小也小(小于平均7kA )，陡峭度低(小于5kA/s )。上行雷閃光燈不僅閃電擊電流振幅小陡峭度低，而且不環(huán)繞。 這是因?yàn)樯闲欣组W的先導(dǎo)從下向上發(fā)展，其先導(dǎo)直接進(jìn)入雷暴云電荷的中心，或阻斷從雷暴云向下發(fā)展的先導(dǎo)，與雷暴云電荷的反應(yīng)在上空進(jìn)行，從雷暴云向下

8、的先導(dǎo)不延伸到被保護(hù)對(duì)象。 上行雷閃的另一個(gè)特征是上行飛行員對(duì)地面物體有屏蔽作用，可以減輕放電時(shí)對(duì)地面物體的感應(yīng)超電勢(shì)。 控制放電避雷針利用上行雷閃的這些個(gè)特點(diǎn)，通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可靠地誘發(fā)上行雷閃放電，中和雷暴云電荷，達(dá)到保護(hù)各種被保護(hù)對(duì)象的目的。放電控制避雷針由針尖、接地下線(xiàn)、接地裝置構(gòu)成保護(hù)系統(tǒng)。 針尖不是由單針，而是由主針、動(dòng)態(tài)環(huán)、儲(chǔ)存裝置構(gòu)成(圖1 )。尾部帶金屬線(xiàn)火箭(火箭地雷試驗(yàn))比高層建筑更容易引起上行雷的經(jīng)驗(yàn)分析表明，要引起上行雷，針尖必須滿(mǎn)足以下要求。在引起的上行雷電發(fā)生之前，應(yīng)盡量減少針尖附近的空間電荷，使放電脈沖從主針尖向上發(fā)展。圖1是控制放電避雷針結(jié)構(gòu)示意圖在需要引

9、起上行閃電的情況下，針尖的電場(chǎng)強(qiáng)度為了迅速產(chǎn)生放電脈沖必須提高到一盞茶。以下通過(guò)對(duì)放電避雷針工作過(guò)程可控性的研究，說(shuō)明其滿(mǎn)足這些個(gè)兩個(gè)要求在控制放電避雷針的安裝場(chǎng)所附近的地面電場(chǎng)強(qiáng)度低的情況下(例如，雷暴云遠(yuǎn)離控制放電避雷針和被保護(hù)對(duì)象的情況等)，雷暴云不向地面物體放電，此時(shí)，對(duì)避雷針針進(jìn)行控制放電的儲(chǔ)存裝置處于儲(chǔ)存雷暴云電場(chǎng)能量的狀態(tài)，通過(guò)動(dòng)態(tài)環(huán)的作用，針尖上部零配件(動(dòng)態(tài)環(huán)當(dāng)雷暴云的電場(chǎng)上升，預(yù)示其可控制的針和周?chē)谋槐Ｗo(hù)物可能發(fā)生閃電時(shí)，儲(chǔ)能裝置立即轉(zhuǎn)移到釋放狀態(tài)，該轉(zhuǎn)換使主針的針尖的電場(chǎng)強(qiáng)度不受動(dòng)態(tài)環(huán)限制，針尖的電場(chǎng)瞬間上升幾百倍，使針尖附近的空氣迅速放電，強(qiáng)由于沒(méi)有空間電荷的故障，如

10、果該放電脈沖在雷暴云電場(chǎng)的作用下急速上升而被切斷的第一次脈沖不成為上行先導(dǎo)，則儲(chǔ)藏裝置還進(jìn)入儲(chǔ)藏狀態(tài)，使由第一次脈沖形成的空間電荷消散，為第二次脈沖產(chǎn)生做準(zhǔn)備。 這樣的循環(huán)經(jīng)常能成功地引起上行雷。4 .控制放電的避雷針的保護(hù)特性為了驗(yàn)證放電控制避雷針是否達(dá)到設(shè)定修正目的，分別使用正極性操作波和直流進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。圖4是在同等條件下通過(guò)正極性操作波放電得到的控制放電避雷針和富蘭克林避雷針的保護(hù)曲線(xiàn)。 試驗(yàn)時(shí)模擬雷暴云電極距離地面的高度為8.5 m(用正操作波進(jìn)行試驗(yàn)更符合雷電閃速反應(yīng)歷程：操作波頭上升緩慢，與雷電飛行員和指針之間的空氣隙電壓變化接近。 雷放電是以分級(jí)先導(dǎo)的發(fā)展方式進(jìn)行的，使用正

11、極性操作波是為了使模擬電極和針之間的間隙放電具有一些先導(dǎo)極化。為了嚴(yán)格地做評(píng)估控制放電避雷針保護(hù)性能，在操作波試驗(yàn)時(shí)不附加直流電場(chǎng)是靜電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)作用于能夠控制放電避雷針的儲(chǔ)藏裝置，保證注射針連續(xù)發(fā)出一系列脈沖，提高了誘發(fā)上行雷電的成功率，使得結(jié)果更加嚴(yán)格，對(duì)應(yīng)用更加安全。由圖3可知，放電控制避雷針的保護(hù)特性明顯優(yōu)于富蘭克林避雷針，對(duì)于主要的殘奧儀表的繞入概率和保障范圍非常滿(mǎn)意。在控制放電的避雷針中，有相當(dāng)大的纏繞幾乎不受影響的保護(hù)區(qū)域。 例如，如果卷入概率為0.001%以下(很明顯，在這種卷入概率下，被保護(hù)對(duì)象卷入的可能性相當(dāng)小)，保護(hù)角度高達(dá)55，而富蘭克林避雷針實(shí)際上幾乎沒(méi)有卷入的區(qū)域

12、。當(dāng)被保護(hù)對(duì)象被纏繞的概率達(dá)到0.1% (目前規(guī)章規(guī)定的允許值)時(shí)，放電控制避雷針的保護(hù)角達(dá)到66 .4，但是富蘭克林避雷針的保護(hù)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該值(因此，在雷電活動(dòng)的強(qiáng)表兄弟下應(yīng)用富蘭克林避雷針保護(hù)是不經(jīng)濟(jì)的，被保護(hù)物受到雷電在控制放電避雷針和傳統(tǒng)避雷針的對(duì)比試驗(yàn)中，控制放電避雷針的針尖清晰可見(jiàn)長(zhǎng)直線(xiàn)部分，這里有向上發(fā)展的先導(dǎo)，而富蘭克林避雷針的針尖放電軌跡看不到該明顯直線(xiàn)部分。從其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步說(shuō)明放電控制避雷針的保護(hù)性，是因?yàn)閯?chuàng)造了發(fā)生向上放電的條件和實(shí)際發(fā)生向上放電的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明為：控制放電避雷針的放電時(shí)間比富蘭克林避雷針平均早13.3s。當(dāng)模擬電場(chǎng)較低時(shí)，控制放電避雷針的冠狀

13、病毒電流遠(yuǎn)低于富蘭克林避雷針，幾乎處于完全抑制的狀態(tài)。當(dāng)模擬電場(chǎng)增加到可以啟動(dòng)控制放電避雷針時(shí)，控制放電避雷針產(chǎn)生脈沖式冠狀病毒放電電流，其冠狀病毒電流振幅比富蘭克林避雷針大幾十倍，但冠狀病毒電流的平均值小于后者，有利于從冠狀病毒向?qū)б娀∞D(zhuǎn)換。需要注意的是，控制放電避雷針特別適合高壓輸電線(xiàn)路防雷，經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，控制放電避雷針的防雷能力強(qiáng)得多且有較大的保護(hù)角降低了輸電線(xiàn)路的卷入率，而控制放電避雷針的主放電電流寬度小、陡峭度低，才滿(mǎn)足了輸電線(xiàn)路的防雷電平設(shè)定要求不同電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路的耐雷等級(jí)表1額定電壓、單位kv3560110154220330500線(xiàn)路耐雷電平Io、單位kA二十-三十30-60

14、戰(zhàn)斗機(jī)40-85戰(zhàn)斗機(jī)9080-120戰(zhàn)斗機(jī)1401505 .主要的電表特性(1)在針高h(yuǎn)200m的情況下，保護(hù)角65對(duì)應(yīng)的地面保護(hù)半徑為2.14h，相對(duì)于樓層標(biāo)高h(yuǎn)x的水平面保護(hù)半徑為2.14(hhx )。(2)主放電電流的平均振幅小于7kA。(3)主放電電流的陡度5kA/s(4)基本消除了雷電時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)超電勢(shì)。(5)繞流概率為十萬(wàn)分之一以下時(shí)的保護(hù)角為55。(6)接地電阻10(一般地區(qū))。30(高電阻區(qū)及無(wú)人區(qū))。(7)對(duì)風(fēng)的抵抗力在風(fēng)速50m/s以上。(8)安裝方便，使用期間免維護(hù)。6 .放電控制避雷針的形式和適用范圍表2型號(hào)使用期間(年)適用范圍底部安裝尺寸D(mm )CFG-1戰(zhàn)斗

15、機(jī)20220kv以上的變電所、發(fā)電站、微波站(塔)、證券、氣象、電視塔、武器、油庫(kù)、烈性炸藥庫(kù)、雷達(dá)等需要嚴(yán)格防雷的各種設(shè)施。200CFG-2戰(zhàn)斗機(jī)1535kv、110kv變電所、微波站(塔)、電視塔及高層民用建筑。200CFG-3戰(zhàn)斗機(jī)1010kv、35kv變電所的防雷改造(取代避雷針)及低民生用建筑。100一架飛機(jī)20330kv、500kv輸電線(xiàn)路200二號(hào)火箭15220kv輸電線(xiàn)路100三架飛彈15110kv輸電線(xiàn)路100四枚飛彈10無(wú)避雷線(xiàn)的35kv輸電線(xiàn)路100七、安裝說(shuō)明可以控制放電的避雷針作為獨(dú)立的系統(tǒng)可以站在各種建筑物上，設(shè)置場(chǎng)所的選擇要滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)和安全兩方面的要求。 為了保護(hù)輸電線(xiàn)路，直接安裝在桿塔頂部。在安裝控制放電的避雷針針尖時(shí)，要求動(dòng)態(tài)環(huán)保持水平，主針在垂直方向。 從針尖頂部到被保護(hù)物頂部的高度超過(guò)3m。 禁止在結(jié)構(gòu)支柱上懸掛電話(huà)線(xiàn)、廣播線(xiàn)、電視接收天線(xiàn)以及電力架線(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，控制放電避雷針設(shè)置了兩條專(zhuān)用的接地下線(xiàn)(直接安裝在鐵元素塔上的控制放電避雷針不需要另外設(shè)置接地下線(xiàn)，直接與鐵元素塔連接即可)。 引下線(xiàn)通常使用光圓鋼筋或扁鋼，其尺寸不得大于：園鋼直徑10mm，扁鋼425mm引下線(xiàn)沿建筑物或構(gòu)筑物的外壁鋪設(shè)，以最短路徑接地。 對(duì)建筑藝術(shù)要求高者可以較暗，但斷面要放大一倍。圖5底部安裝尺寸注： d的尺寸詳見(jiàn)表2在容易受到機(jī)