基于等電位先導抑制的防雷設計探索

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研究院，四川 成都610072；3.電子科技大學成都學院，四川 成都611731）

0 引言

雷電是一種常見的自然災害，雷電流往往具有較高的電流幅值和陡度，直擊雷或感應雷產(chǎn)生的各類效應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、航空等多個領域都受到密切關(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］。雷擊輸電線路時會導致跳閘停電事故，嚴重時會引起絕緣損壞；雷擊產(chǎn)生的過電壓波可能沿著導線入侵發(fā)電廠和變電站，產(chǎn)生安全隱患；雷擊時還可能出現(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，雷擊時還可能產(chǎn)生電磁脈沖，影響通信類設備正常工作；直擊雷耦合出的感應過電壓還有可能對弱電設備造成損壞，尤其是精密的電子類器件。而這些電氣設備是現(xiàn)代社會不可或缺的重要部分，與國民經(jīng)濟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一定范圍內(nèi)電氣設備的安全；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備的保護效果，因此在防雷工程中得到廣泛的應用。但仍存在一些問題，如直擊雷產(chǎn)生的熱效應、雷電流電磁力產(chǎn)生的機械效應等仍可能造成設備的機械性損傷；繞擊、反擊等情況的出現(xiàn)無法避免，導致低絕緣等級的電氣設備容易受到損壞；雷電流在傳導過程中產(chǎn)生的電磁感應會影響通信、控制系統(tǒng)的正常工作，嚴重時造成其損壞。同時，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，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，應當盡力回避。

因此，提出一種新型防雷方法，以抑制雷電下行先導的發(fā)展為基本原理，采用新型抑雷裝置，通過向下行先導發(fā)送極性相反的地電荷來中和先導通道的電荷，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較低的水準，不至于超過設備的絕緣等級［9-10］，同時，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，進一步保證電氣設備的安全運行。

2 新型抑雷裝置工作原理及應用

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。半導體閥片的作用類似于開關(guān)元件，當閥片上端電場強度達到預設值的時候閥片導通，其余時間閥片閉合。

下面以一次典型的負地閃為例，說明新型抑雷裝置的工作原理。

1）下行先導發(fā)展階段

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

在初始階段，先導只是向下推進，并無一定目標，每級長度約為25～50 m，每級的伸展速度約為104 km/s，各級之間有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進行消除和抑制，從理論上來說是可以達成的。下行先導通道在計算時可以采用線電荷模型，線電荷的電荷量可由COORAY［11］提出的計算公式求得，為：

式（1）中，ρ(τ)為下行先導通道電荷密度，C/m；τ 為先導通道中某點距先導頭部的距離，m；Ip為雷電流峰值，本文計算取值為-20 kA；H為雷云對地高度，本文計算取值為2 000 m；z0為先導頭部距離地面高度（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）對線電荷進行積分運算，可得到下行先導通道中的總電荷量，通過數(shù)值計算可得一次典型的-20 kV的負極性閃擊先導通道的電荷量約1.22 C。

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

2）氧化鋅閥片導通

隨著先導不斷向下發(fā)展，先導頭部的電荷區(qū)會在地面物體上感應出大量的正電荷并逐漸聚集。當先導接近地面時，地面物體在下行先導強電場的作用下會產(chǎn)生上行先導，并向著下行先導頭部的方向發(fā)展，當上下行先導頭部之間的電場強度大于空氣擊穿場強時，先導頭部間氣隙被擊穿，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的發(fā)展，這就需要在上下行先導接閃之前讓抑雷裝置的氧化鋅閥片導通，并預先向先導通道釋放大量正電荷。

因此，認為當先導發(fā)展到一定階段，在閥片上感應出的電荷逐漸增加到氧化鋅閥體尾端（即電力設備首端）的電壓達到其絕緣耐壓水平或避雷器放電電壓時，此時氧化鋅閥片變?yōu)榈妥钁B(tài)，閥片呈導通狀態(tài)，抑雷裝置連通地面并向上輸送正電荷。設閥片導通時的電壓為uo，其取值與被保護電力設備的絕緣水平相關(guān)。故氧化鋅閥片導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

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

3）氧化鋅閥片閉合

當輸送了足夠多的地面正電荷時，下行先導頭部的負電荷被中和，先導發(fā)展過程暫緩，雷擊過程被抑制，此時氧化鋅閥片上端感應出的電場強度會下降，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逐漸減少，直到閥片底端電壓u≤uo時閥片關(guān)閉，此時抑雷裝置停止向上輸送正電荷。由文獻［3］知，當電場強度低于30 kV/m時，不會形成穩(wěn)定發(fā)展的先導，認為此時先導發(fā)展被成功抑制。

4）氧化鋅閥片持續(xù)開斷

雷擊時雷電流的幅值具有隨機性，因此一次雷擊中釋放的電荷量大小不等，據(jù)不同學者的統(tǒng)計，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擊，在回擊過程中仍會持續(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；但對于包含大量負電荷、有多個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，先導通道中的電荷濃度會暫時降低，下行先導頭部的發(fā)展會暫時被抑制，但雷云中大量負電荷會在后續(xù)過程中持續(xù)向先導通道漂移、積累，當電荷濃度達到一定值時，下行先導仍會進一步迅速發(fā)展。

此時，抑雷裝置的氧化鋅閥片會處于連續(xù)導通和關(guān)斷階段，整個過程長達幾十毫秒到幾百秒［14］，在這個過程中，抑雷裝置會向下行先導頭部斷續(xù)地輸送地電荷：當先導發(fā)展迅速時，閥片呈低阻態(tài)導通狀態(tài)，抑雷裝置開始輸送地面正電荷以抑制或暫緩下行先導的發(fā)展；當先導發(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，此時雷云中的電荷會補充到先導通道中，促進先導進一步發(fā)展，又會使得閥片再次導通［15］，以上過程會重復發(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)雷電先導放電通道斷開，雷云下行先導會去尋找別的放電點的現(xiàn)象，從而取得了較好的防護效果。

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，多重雷擊可能會造成避雷器過載而受損、炸裂，最終會對電力設備造成破壞［20-22］；而新型抑雷裝置則是以抑制先導為基本原理，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到綜合防護的效果。

2.2 新型抑雷裝置的應用

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)，從抑雷裝置導通起始，隨著下行先導的發(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，整個過程中閥片持續(xù)導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行處理，通過積分計算可以得到各個時刻抑雷裝置發(fā)送地電荷的數(shù)值，得到以下分析：

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

2）在10 ms～50 ms 的過程中，先導并未進一步發(fā)展，但先導通道中的電荷量仍在不斷積累，在50 ms時先導開始進一步發(fā)展，閥片開始恢復導通并間斷地輸送大量電荷，從而間歇地抑制了先導的發(fā)展，直到下一次先導又繼續(xù)步進。

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

4）在200 ms～500 ms的時間段里，閥片處于半導通狀態(tài)，在每個時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）整個消除先導的過程持續(xù)時間長達500 ms，抑雷裝置累計中和的負電荷數(shù)量約為60 C，成功抑制先導的發(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行分析［24-25］，認為雷電流的幅值最終趨于一個極低的值，比使用常規(guī)避雷器記錄到的雷電流幅值低了大約2～3個數(shù)量級［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效果。

3 采用新型抑雷裝置的防雷設計

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，有效地保護了各類型的電氣設備［27］。

但在實際運行經(jīng)驗中，許多安裝了抑雷裝置的場所仍偶然存在雷電活動后電子器件有所損壞的現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)是被保護設備附近的單位被雷擊后，出現(xiàn)的感應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直擊雷以后，還必須要配合其它的安全措施來對感應雷過電壓進行防護。

1）高壓等電位隔離變壓器

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

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。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：利用初級繞組與次級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過電壓。

在本設計中，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。因為隔離變壓器的絕緣水平高于隔離變壓器原邊避雷器放電水平，因此相當于將后續(xù)設備的保護水平提高了一個電壓等級［28-29］，從而避免電源系統(tǒng)的絕緣被破壞，達到了保護電源系統(tǒng)的目的［30］。

感應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）電壓自動調(diào)控系統(tǒng)

電壓自動調(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充。當感應過電壓過大、高壓隔離的作用有限時，即可通過電壓自動調(diào)控系統(tǒng)作為補充措施，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，對周圍設備進行反擊，必須將其進行等電位連接，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

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

4 結(jié)語

采用新型抑雷裝置的防雷設計在實際運用中取得了更好的防護效果。

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效果；

2）為了防止感應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，防雷設計還需要配合等電位連接、屏蔽、防雷接地等安全措施來進行聯(lián)合防護，以保證電氣設備的安全；

4）針對太陽能、風能等新能源發(fā)電系統(tǒng)，采用新型抑雷裝置的先導抑制防雷設計會更利于系統(tǒng)安全運行；

5）基于等電位先導抑制的防雷設計在10～35 kV的中壓系統(tǒng)中取得了較好的防護效果。

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