基于等电位先导抑制的防雷设计探索

唐 峰，吕启深，李默林，赵雪琳，张 榆，李建明

（1.南网深圳供电局有限公司电力科学研究院，广东 深圳518000；2.国网四川省电力有限公司电力科学研究院，四川 成都610072；3.电子科技大学成都学院，四川 成都611731）

0 引言

雷电是一种常见的自然灾害，雷电流往往具有较高的电流幅值和陡度，直击雷或感应雷产生的各类效应极易对电气装置造成危害，因此，防雷工作在电力、建筑、交通、通信、航空等多个领域都受到密切关注［1-2］。

1 雷电对电气装置的危害

以电力系统中输电线路为例，雷击是造成输电线路（尤其是超/特高压）故障的主要原因之一［3-5］。雷击输电线路时会导致跳闸停电事故，严重时会引起绝缘损坏；雷击产生的过电压波可能沿着导线入侵发电厂和变电站，产生安全隐患；雷击时还可能出现反击现象［6-7］，危及周围人、畜的生命安全。

除了直击雷过电压的影响，雷击时还可能产生电磁脉冲，影响通信类设备正常工作；直击雷耦合出的感应过电压还有可能对弱电设备造成损坏，尤其是精密的电子类器件。而这些电气设备是现代社会不可或缺的重要部分，与国民经济和民生生活息息相关［8］，因此，防雷工作势在必行。

现如今针对各类电气设备的防雷工作主要分两部分：一是针对直击雷问题，通过安装避雷针、避雷线等引雷装置，吸引雷击自身以保护一定范围内电气设备的安全；二是针对过电压问题，选择安装避雷器等限流装置将过电压的幅值限制在一定的范围之内，防止设备绝缘被击穿［9-10］。

上述两种类型的避雷器配合使用起到了良好的对电气设备的保护效果，因此在防雷工程中得到广泛的应用。但仍存在一些问题，如直击雷产生的热效应、雷电流电磁力产生的机械效应等仍可能造成设备的机械性损伤；绕击、反击等情况的出现无法避免，导致低绝缘等级的电气设备容易受到损坏；雷电流在传导过程中产生的电磁感应会影响通信、控制系统的正常工作，严重时造成其损坏。同时，在石油化工、航空通信等特殊行业，雷电的出现可能产生巨大的安全隐患，造成人员伤亡和财产损失，应当尽力回避。

因此，提出一种新型防雷方法，以抑制雷电下行先导的发展为基本原理，采用新型抑雷装置，通过向下行先导发送极性相反的地电荷来中和先导通道的电荷，以此来降低雷电流的幅值和陡度，由于过电压的幅值与雷电流参数息息相关，雷电流的陡度降低使得过电压的幅值被限制在一个较低的水准，不至于超过设备的绝缘等级［9-10］，同时，采用隔离电源和等电位连接等措施来限制已经削减过后的过电压，进一步保证电气设备的安全运行。

2 新型抑雷装置工作原理及应用

2.1 新型抑雷装置工作原理

新型抑雷装置的主要构件为氧化锌阀片。半导体阀片的作用类似于开关元件，当阀片上端电场强度达到预设值的时候阀片导通，其余时间阀片闭合。

下面以一次典型的负地闪为例，说明新型抑雷装置的工作原理。

1）下行先导发展阶段

雷电活动开始之前，雷云下部形成了局部负电荷区域，距离地面约为0.5～10 km的距离。雷云中的负电荷会在地面感应出大量的正电荷，云地之间出现一个强电场。随着云地之间的电场逐渐增强，雷云中负电荷区域中心会形成流注，下行先导从负电荷区域中心的边缘起始，向着地面发展［11］。

在初始阶段，先导只是向下推进，并无一定目标，每级长度约为25～50 m，每级的伸展速度约为104 km/s，各级之间有30～90 μs的停歇，所以平均发展速度只有100～800 km/s，出现的电流也不大，只有数十至数百安培。

因此，在此阶段对下行先导进行消除和抑制，从理论上来说是可以达成的。下行先导通道在计算时可以采用线电荷模型，线电荷的电荷量可由COORAY［11］提出的计算公式求得，为：

式（1）中，ρ(τ)为下行先导通道电荷密度，C/m；τ 为先导通道中某点距先导头部的距离，m；Ip为雷电流峰值，本文计算取值为-20 kA；H为雷云对地高度，本文计算取值为2 000 m；z0为先导头部距离地面高度（m）；a0、α、b、c 和d 为系数，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。

根据公式（1）对线电荷进行积分运算，可得到下行先导通道中的总电荷量，通过数值计算可得一次典型的-20 kV的负极性闪击先导通道的电荷量约1.22 C。

因此可以认为，只要抑雷装置释放出的地电荷量足以中和先导通道的电荷，就可以抑制甚至避免雷击的发生。

2）氧化锌阀片导通

随着先导不断向下发展，先导头部的电荷区会在地面物体上感应出大量的正电荷并逐渐聚集。当先导接近地面时，地面物体在下行先导强电场的作用下会产生上行先导，并向着下行先导头部的方向发展，当上下行先导头部之间的电场强度大于空气击穿场强时，先导头部间气隙被击穿，接闪完成。

为了抑制主放电通道的形成，最合理的方式就是抑制下行先导的发展，这就需要在上下行先导接闪之前让抑雷装置的氧化锌阀片导通，并预先向先导通道释放大量正电荷。

因此，认为当先导发展到一定阶段，在阀片上感应出的电荷逐渐增加到氧化锌阀体尾端（即电力设备首端）的电压达到其绝缘耐压水平或避雷器放电电压时，此时氧化锌阀片变为低阻态，阀片呈导通状态，抑雷装置连通地面并向上输送正电荷。设阀片导通时的电压为uo，其取值与被保护电力设备的绝缘水平相关。故氧化锌阀片导通的条件为阀片尾端电压大于uo。抑雷装置原理如图1所示。

图1 抑雷装置原理示意图Fig.1 Schematic diagram of lightning suppression device

阀片导通后，抑雷装置在几毫秒内向下行先导头部发射大量正电荷，以此来中和下行先导头部的负电荷。

3）氧化锌阀片闭合

当输送了足够多的地面正电荷时，下行先导头部的负电荷被中和，先导发展过程暂缓，雷击过程被抑制，此时氧化锌阀片上端感应出的电场强度会下降，阀体两端电压降低，阀体又重新变成高阻，抑雷装置输送的地电荷会逐渐减少，直到阀片底端电压u≤uo时阀片关闭，此时抑雷装置停止向上输送正电荷。由文献［3］知，当电场强度低于30 kV/m时，不会形成稳定发展的先导，认为此时先导发展被成功抑制。

4）氧化锌阀片持续开断

雷击时雷电流的幅值具有随机性，因此一次雷击中释放的电荷量大小不等，据不同学者的统计，单脉冲雷击的平均电荷量由2.5 C～34 C不等。然而雷击过程中往往还伴随多次回击，在回击过程中仍会持续释放大量的电荷［12］。

对于放电量较少的单脉冲雷击过程来说，阀片单次的开断足以取得良好抑制效果；但对于包含大量负电荷、有多个电荷密集中心的雷云来说，极有可能出现多脉冲雷击的情况［13］，使得氧化锌阀片单次开断的过程所输送的地电荷就不足以中和整个雷击过程中的放电电荷。在多脉冲雷击过程中，抑雷装置输送地电荷以后，先导通道中的电荷浓度会暂时降低，下行先导头部的发展会暂时被抑制，但雷云中大量负电荷会在后续过程中持续向先导通道漂移、积累，当电荷浓度达到一定值时，下行先导仍会进一步迅速发展。

此时，抑雷装置的氧化锌阀片会处于连续导通和关断阶段，整个过程长达几十毫秒到几百秒［14］，在这个过程中，抑雷装置会向下行先导头部断续地输送地电荷：当先导发展迅速时，阀片呈低阻态导通状态，抑雷装置开始输送地面正电荷以抑制或暂缓下行先导的发展；当先导发展得到抑制后，阀片呈现高阻态断开状态，抑雷装置停止输送地电荷，此时雷云中的电荷会补充到先导通道中，促进先导进一步发展，又会使得阀片再次导通［15］，以上过程会重复发生直至最终完成接闪［16-17］。

在阀片多次开断的过程中，最终接闪形成的雷电主放电通道会中断或延迟放电过程，也即是雷电放电上升陡度延迟变缓，使得雷电流幅值和陡度大幅降低［18］；甚至还可能出现雷电先导放电通道断开，雷云下行先导会去寻找别的放电点的现象，从而取得了较好的防护效果。

结合多脉冲雷击过程来看［19］，新型抑雷装置相比于传统的避雷器取得了更好的效果。针对于避雷器而言，多重雷击可能会造成避雷器过载而受损、炸裂，最终会对电力设备造成破坏［20-22］；而新型抑雷装置则是以抑制先导为基本原理，从降低雷电流陡度和过电压危害性的角度出发，配合其它有效措施来达到综合防护的效果。

2.2 新型抑雷装置的应用

图2是某地安装新型抑雷装置后在一次雷击过程中采集到的完整电流波形［23］，通过观察可以发现，从抑雷装置导通起始，随着下行先导的发展，通过抑雷装置阀片的电流幅值呈先增加后逐渐减小的趋势，整个过程中阀片持续导通并输送了大量的正电荷。

图2 一次雷击过程中检测到的完整电流波形Fig.2 Complete current waveform detected during a lightning strike

用线性拟合的方式对波形图进行处理，通过积分计算可以得到各个时刻抑雷装置发送地电荷的数值，得到以下分析：

1）在0～10 ms的间隙，先导起始并向着地面发展，阀片在先导头部的电场作用下开始导通并向上输送少量正电荷。在10 ms左右阀片受先导强电场的作用完全导通并输送了电荷量约为850 mC的地面正电荷，足以中和先导通道中的绝大部分负电荷，从而起到了抑制先导发展的作用。此时阀片趋于闭合，发送的电荷量减少，电流幅值恢复到正常水平。

2）在10 ms～50 ms 的过程中，先导并未进一步发展，但先导通道中的电荷量仍在不断积累，在50 ms时先导开始进一步发展，阀片开始恢复导通并间断地输送大量电荷，从而间歇地抑制了先导的发展，直到下一次先导又继续步进。

3）在10 ms～200 ms 的过程中，抑雷装置阀片始终处于完全导通状态，并持续地向下行先导的头部输送大量正极性地电荷，这段时间里发生了强烈的电荷中和现象，使得雷电的能量大幅降低。

4）在200 ms～500 ms的时间段里，阀片处于半导通状态，在每个时刻输送的电荷量趋于平均且数量较少，说明雷电流的幅值已经大大降低。

5）整个消除先导的过程持续时间长达500 ms，抑雷装置累计中和的负电荷数量约为60 C，成功抑制先导的发展，降低了雷电流的幅值和陡度。

通过对图3中抑雷装置记录到的完整波形图进行分析［24-25］，认为雷电流的幅值最终趋于一个极低的值，比使用常规避雷器记录到的雷电流幅值低了大约2～3个数量级［26］。因此，可以证明抑雷装置相对于避雷器取得了更好的防护效果。

3 采用新型抑雷装置的防雷设计

新型抑雷装置相比于避雷针、避雷线等更好地解决了直击雷问题，有效地保护了各类型的电气设备［27］。

但在实际运行经验中，许多安装了抑雷装置的场所仍偶然存在雷电活动后电子器件有所损坏的现象。经过调研，发现是被保护设备附近的单位被雷击后，出现的感应雷过电压或者反击现象所造成的，并且损坏的部分以电源系统居多。

因此，在安装新型抑雷装置防护直击雷以后，还必须要配合其它的安全措施来对感应雷过电压进行防护。

1）高压等电位隔离变压器

当直击雷发生在电气设备附近时，电源系统所在线路难免感应出极高的过电压。如果不采用隔离措施，那么在存在较高感应过电压的情况下，低绝缘等级的电源系统难免会遭到破坏。

通过采用高压等电位隔离变压器来保证电源系统不受感应过电压的冲击。高压隔离变压器有良好的电气隔离性能，隔离可以很容易地做到上万伏的等级。其结构如图3所示。

图3 高压隔离变压器结构原理图Fig.3 Structural schematic diagram of isolation transformer

高压隔离变压器的主要原理是：利用初级绕组与次级绕组之间只有电磁耦合，无直接电气通道的特性来隔离感应过电压。

在本设计中，通过隔离变压器将处于其两侧的高压线路与电源系统隔离开来，让它们仅仅通过电磁联系，使得雷击形成的高压不能直接通过隔离变压器。因为隔离变压器的绝缘水平高于隔离变压器原边避雷器放电水平，因此相当于将后续设备的保护水平提高了一个电压等级［28-29］，从而避免电源系统的绝缘被破坏，达到了保护电源系统的目的［30］。

感应过电压通过高压隔离变压器后，受到明显的削弱，如图4所示。可见，通过高压隔离变压器来实现对电源系统的高压隔离效果良好。

图4 高压隔离前后电源系统的电压大小对比Fig.4 Comparison of voltage levels of power supply system before and after high voltage isolation

2）电压自动调控系统

电压自动调控系统包含测量模块、控制模块等，它作为高压隔离措施的补充。当感应过电压过大、高压隔离的作用有限时，即可通过电压自动调控系统作为补充措施，来调控电源系统的电压，保证其在安全的范围内。

3）等电位连接措施

防雷击等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。等电位连接可以有效抑制雷电引起的电位差。在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都被相互连接，以减小电位差。在安装有新型抑雷装置的防雷系统中，为了防止电源系统在冲击电压下对地电位升高，对周围设备进行反击，必须将其进行等电位连接，以保证电源系统的安全［31-32］。

4）屏蔽措施

屏蔽装置可以减少电磁干扰。电源系统中往往包含了低压控制部分许多敏感的电力电子元件，为了防止电磁脉冲对其干扰，可以在线路和电源系统的金属外壳上都采用屏蔽措施。

5）防雷接地

降低接地点的电阻有利于电气设备的安全，可以通过设置接地网、使用土壤降阻剂等方法，并与避雷器进行配合达到联合防护的目的，保证电气设备的安全运行，同时仍要对所有金属设备进行等电位连接。

4 结语

采用新型抑雷装置的防雷设计在实际运用中取得了更好的防护效果。

1）新型抑雷装置相比于各类避雷器，能将雷电流限制在极低的幅值范围以内，甚至可能消除雷电流，在防止直击雷损坏这一方面，抑雷装置取得了更好的防护效果；

2）为了防止感应过电压造成的电源系统损坏，采用高压等电位隔离的电源系统；

3）针对可能出现的过电压及反击现象，防雷设计还需要配合等电位连接、屏蔽、防雷接地等安全措施来进行联合防护，以保证电气设备的安全；

4）针对太阳能、风能等新能源发电系统，采用新型抑雷装置的先导抑制防雷设计会更利于系统安全运行；

5）基于等电位先导抑制的防雷设计在10～35 kV的中压系统中取得了较好的防护效果。

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