可控放電避雷針說明書

1、可控放電避雷針國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢華瑞防雷科技股份有限公司目 錄一、概述二、富蘭克林避雷針的局限性三、可控放電避雷針的保護(hù)原理四、可控放電避雷針的保護(hù)特性五、主要電氣參數(shù)六、可控放電避雷針的型號(hào)及適用范圍七、安裝說明八、開箱檢查九、安裝驗(yàn)收附錄一：可控放電避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算附錄二：專利證書可控放電避雷針一概述可控放電避雷針是武漢高壓研究所經(jīng)長期防雷研究和大量的高壓試驗(yàn)而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云電荷，避免強(qiáng)烈的下行雷閃放電危害為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。通過數(shù)千次高壓放電試驗(yàn)證實(shí)它引發(fā)的是上行雷，具有保護(hù)可靠性能高、范圍大，且不受保護(hù)物高度影響等特點(diǎn)。經(jīng)專家評(píng)議認(rèn)為

2、：原理正確，設(shè)計(jì)思想新穎，保護(hù)性能好，是一種有廣泛應(yīng)用前景的直擊雷防護(hù)裝置。在選用和安裝前請?jiān)敿?xì)閱讀本說明書。二 富蘭克林避雷針的局限性自1749年美國人富蘭克林發(fā)明避雷針（稱傳統(tǒng)避雷針）以來已有250多年的歷史，截止目前最常用的避雷方法基本上還是采用避雷針（避雷線）。它的原理是：利用自身高度使雷云下的電場發(fā)生畸變將雷擊放電引到避雷針上。這種方式盡管簡單，但存在許多缺陷。 保護(hù)范圍不肯定，有繞擊發(fā)生大量的研究及實(shí)踐證明，一根垂直避雷針無法獲得一個(gè)肯定的安全保護(hù)區(qū)。例如，1964年7月沈陽某微波站遭到雷擊，雷擊點(diǎn)在距避雷針頂部下面4m的地方；莫斯科537m高的電視塔，雷曾繞擊塔下200m的塔身，

3、甚至打到離塔水平距離150m的地面上。事實(shí)上，對(duì)于避雷針的保護(hù)范圍并未得到科學(xué)界的公認(rèn)，現(xiàn)行規(guī)程中的保護(hù)范圍可以說是用來決定避雷針高度與數(shù)目的工程方法，雷繞開避雷針而直接擊在被保護(hù)物上的事件是屢見不鮮的，大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，避雷針的繞擊率大約在1%左右，可見使用避雷針時(shí)被保護(hù)物遭受雷擊的危險(xiǎn)性還是很大的。 有反擊發(fā)生避雷針把雷引到自身的頂部后，其強(qiáng)大的雷電流在入地時(shí)，如果接地電阻或引下線的阻抗過高或是避雷針對(duì)保護(hù)物之間的距離小于安全距離時(shí)，會(huì)形成高電壓，造成避雷針及引下線對(duì)保護(hù)物的反擊。我國過電壓規(guī)程規(guī)定，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中距離Sa3m。實(shí)際上絕

4、大多數(shù)現(xiàn)場應(yīng)用是難以做到這點(diǎn)的。各種電力線、電話線、廣播線、天線對(duì)避雷針及引下線的距離過近易發(fā)生絕緣擊穿而損壞；另一方面，有些裝置避雷針的接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，其電阻高達(dá)幾十歐（規(guī)程要求10），這也會(huì)造成反擊。 傳統(tǒng)避雷針會(huì)引起感應(yīng)過電壓在強(qiáng)大的雷電流（數(shù)十千安上百千安）以極快的速度（微秒級(jí)）沿避雷針及引下線進(jìn)入地中的過程中，會(huì)在被保護(hù)物上形成感應(yīng)過電壓而造成事故。當(dāng)避雷針附近有一開口的金屬環(huán)（如房屋的鋼筋沒焊好或其它原因造成開口），在開口處會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)過電壓，使開口處產(chǎn)生火花放電，造成易燃品起火，特別是油庫、液化氣庫、火藥庫等起火爆炸。此外，還會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)過電壓。感應(yīng)過電壓造成的事故是很多的，

5、如南方某煉油廠1000m3的半地下式油罐，上面覆蓋有0.5m厚的土層、設(shè)有獨(dú)立避雷針保護(hù)。1975年5月的一次雷擊，造成整個(gè)油罐起火爆炸，1989年8月山東黃島油庫的起火據(jù)分析也是由感應(yīng)雷造成的。對(duì)架空輸電線路，當(dāng)50m以外落雷時(shí)，感應(yīng)過電壓一般可達(dá)250500kV，甚至更高，這也會(huì)造成部分輸電線路跳閘。 有接觸電壓及跨步電壓當(dāng)雷擊避雷針時(shí)，如果有人站在附近地面上而人接觸針基或引下線時(shí)會(huì)受到很高的接觸電壓，危及人身安全。由于強(qiáng)大的雷電流在地中擴(kuò)散時(shí)會(huì)在地面上沿半徑點(diǎn)形成不同電位，所以附近的人（畜）兩腳會(huì)受到很高的跨步電壓，這對(duì)生命構(gòu)成危險(xiǎn)。例如：我國南寧郊區(qū)雷擊樓柱，二樓緊靠柱子6人皆死，樓下

6、人距柱子2m多被擊昏。為了避免接觸電壓及跨步電壓的危害，人畜應(yīng)該離開避雷針盡可能遠(yuǎn)一點(diǎn)（5m以上）。 傳統(tǒng)避雷針特別不適合保護(hù)弱電設(shè)備隨著微電子的發(fā)展和電子元器件的廣泛使用，例如：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無線及微波通訊系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)、電子導(dǎo)航系統(tǒng)供電控制系統(tǒng)、氣象雷達(dá)系統(tǒng)、航空航天技術(shù)由于雷暴造成這些系統(tǒng)的電子元器件損壞的矛盾日益突出，人們發(fā)現(xiàn)，往往在經(jīng)過雷暴日后，大量的電子元器件不明不白地?fù)p壞了或造成控制設(shè)備的誤動(dòng)作，造成損失。由于傳統(tǒng)避雷針在防雷中有以上種種缺陷，所以傳統(tǒng)避雷針特別不適宜用來保護(hù)易燃、易爆品及弱電設(shè)備，也不適宜安裝在高土壤電阻率的地方?？煽胤烹姳芾揍樥菫榭朔惶m克林避雷針的以上缺

7、點(diǎn)而研制開發(fā)的新型直擊雷防護(hù)裝置。三 可控放電避雷針的保護(hù)原理雷云對(duì)地面物體放電不外乎以下兩種方式：上行雷閃和下行雷閃。一般來說，下行雷閃時(shí)，先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過程發(fā)生在地面（或地面物體）附近，所以電荷供應(yīng)充分，放電過程來得迅速，造成雷電流幅值大（平均值為3044kA），陡度高（2440kA/s）；上行雷閃，一般沒有自上而下的主放電，它的放電電流由不斷向上發(fā)展的先導(dǎo)過程產(chǎn)生，即使有主放電因雷云向主放電通道供應(yīng)電荷困難，所以放電電流幅值?。ㄆ骄∮?kA），且陡度低（小于5kA/s）。上行雷閃不僅雷擊電流幅值小陡度低而且不繞擊。這是因?yàn)樯闲欣组W先導(dǎo)是自下而上發(fā)展的，該先導(dǎo)或者直接進(jìn)入雷云電

8、荷中心，或者攔截自雷云向下發(fā)展的先導(dǎo)，這樣中和雷云電荷的反應(yīng)在上空進(jìn)行，自雷云向下的先導(dǎo)就不會(huì)延伸到被保護(hù)對(duì)象上。上行雷閃還有另外一個(gè)特點(diǎn)是上行先導(dǎo)對(duì)地面物體還具有屏蔽作用，可減輕放電時(shí)在地面物體上的感應(yīng)過電壓?？煽胤烹姳芾揍樥抢昧松闲欣组W的這些特點(diǎn)，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能可靠地引發(fā)上行雷閃放電，從而達(dá)到中和雷云電荷，保護(hù)各類被保護(hù)對(duì)象的目的?？煽胤烹姳芾揍樣舍橆^、接地引下線、接地裝置構(gòu)成一套保護(hù)系統(tǒng)。它的針頭不再是單針，而是由主針、動(dòng)態(tài)環(huán)、貯能裝置組成（圖1）根據(jù)尾部帶金屬線的火箭(火箭引雷試驗(yàn))比高層建筑更容易引發(fā)上行雷的經(jīng)驗(yàn)分析得出，要成功地引發(fā)上行雷，針頭需達(dá)到以下要求：在引發(fā)

9、的上行雷發(fā)生之前，針頭附近的空間電荷應(yīng)盡量少，以便于自主針針尖向上發(fā)展放電脈沖。圖1 可控放電避雷針結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)需要引發(fā)上行雷閃時(shí)，針尖處的電場強(qiáng)度應(yīng)足夠高，以迅速產(chǎn)生放電脈沖。下面通過對(duì)可控放電避雷針動(dòng)作過程的研究說明它滿足了這兩條要求：當(dāng)可控放電避雷針安裝處附近的地面電場強(qiáng)度較低時(shí)（如雷云離可控放電避雷針及被保護(hù)對(duì)象距離較遠(yuǎn)等情況），雷云不會(huì)對(duì)地面物體發(fā)生放電，此時(shí)可控放電避雷針針頭的貯能裝置處于貯存雷云電場能量工況，由于動(dòng)態(tài)環(huán)的作用，針頭上部部件（動(dòng)態(tài)環(huán)和主針針尖）處于電位浮動(dòng)狀態(tài)，與周圍大氣電位差小，因此幾乎不發(fā)生電暈放電，即保證了在引發(fā)發(fā)生前針頭附近的空間電荷很少的要求。當(dāng)雷云電場

10、上升到預(yù)示它可能發(fā)生對(duì)可控針及周圍被保護(hù)物發(fā)生雷閃時(shí)，貯能裝置立即轉(zhuǎn)入釋能工況，這一轉(zhuǎn)變使主針針尖的電場強(qiáng)度不再被動(dòng)態(tài)環(huán)限制，針尖電場瞬間上升數(shù)百倍，使針尖附近空氣迅速放電，形成很強(qiáng)的放電脈沖，因沒有空間電荷的阻礙，該放電脈沖在雷云電場作用下快速向上發(fā)展成上行先導(dǎo)，去攔截雷云底部先導(dǎo)或進(jìn)入雷云電荷中心。如果第一次脈沖引發(fā)不成上行先導(dǎo)，貯能裝置即又進(jìn)入貯能狀態(tài)，同時(shí)使第一次脈沖形成的空間電荷得以消散，準(zhǔn)備第二次脈沖產(chǎn)生。如此循環(huán)總能成功地引發(fā)上行雷。四 可控放電避雷針的保護(hù)特性為了驗(yàn)證可控放電避雷針是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，我們用正極性操作波和直流分別進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。圖4是在等同條件下用正極性操作波

11、放電獲得的可控放電避雷針與富蘭克林避雷針的保護(hù)曲線。試驗(yàn)時(shí)模擬雷云電極離地面高度為8.5 m（用正操作波進(jìn)行試驗(yàn)更切合雷閃機(jī)理：操作波波頭上升緩慢，較接近于雷電先導(dǎo)與針之間空氣間隙上的電壓變化情況。雷電放電是以分級(jí)先導(dǎo)的發(fā)展方式向前推進(jìn)的，用正極性操作波是為了在模擬電極與針之間的間隙中使放電有幾個(gè)先導(dǎo)分極）。為了嚴(yán)格地考核可控放電避雷針的保護(hù)性能，操作波試驗(yàn)時(shí)沒有附加直流電場（雷電放電發(fā)展過程是，地面上方有很強(qiáng)的由雷云產(chǎn)生的靜電場。該電場作用于可控放電避雷針的貯能裝置，可保證針頭能夠連續(xù)發(fā)出一系列脈沖，提高引發(fā)上行雷的成功率，以便使得到的結(jié)果更嚴(yán)格，對(duì)于應(yīng)用更安全）。由圖3可知，可控放電避雷針

12、的保護(hù)特性明顯優(yōu)于富蘭克林避雷針，就主要參數(shù)繞擊概率和保護(hù)范圍而言，是令人非常滿意的：可控放電避雷針有一個(gè)相當(dāng)大的幾乎不遭受繞擊的保護(hù)區(qū)域。例如當(dāng)繞擊概率不大于0.001%時(shí)（顯然在這樣的繞擊概率下，被保護(hù)對(duì)象遭繞擊的可能性是相當(dāng)相當(dāng)小的）保護(hù)角度高達(dá)55，相比之下富蘭克林避雷針實(shí)際上幾乎沒有不受繞擊的區(qū)域。當(dāng)被保護(hù)對(duì)象遭受繞擊概率允許達(dá)到0.1%（目前規(guī)程規(guī)定的允許值）時(shí)，可控放電避雷針的保護(hù)角達(dá)到66 .4，而富蘭克林避雷針的保護(hù)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此值（因此，在雷電活動(dòng)強(qiáng)的地方應(yīng)用富蘭克林避雷針保護(hù)是不經(jīng)濟(jì)的，被保護(hù)物遭雷擊的可能性也還存在，如湖北有兩個(gè)電廠的升壓站就曾經(jīng)遭受過繞擊）。 在可控放電

13、避雷針和傳統(tǒng)避雷針的對(duì)比試驗(yàn)中，在可控放電避雷針的針頭可以清楚地看到一段較長的直線部分，這說明在這里有向上發(fā)展的先導(dǎo)，而在富蘭克林避雷針的針頭上的放電軌跡上則見不到這一明顯直線段，無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)表明，可控放電避雷針就是靠產(chǎn)生向上放電來減少繞擊和增大保護(hù)角的。從其它試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步說明可控放電避雷針的保護(hù)性是由于創(chuàng)造了產(chǎn)生向上放電的條件和實(shí)際上發(fā)生了向上放電所得到的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明:可控放電避雷針的放電時(shí)間比富蘭克林避雷針平均提前13.3s。 在模擬電場比較低時(shí)，可控放電避雷針的電暈電流比富蘭克林避雷針低得多，幾乎處于完全抑制狀態(tài)。在模擬電場增加到能夠啟動(dòng)可控放電避雷針時(shí)，可控放電避雷針產(chǎn)生的是

14、脈沖式電暈放電電流，其電暈電流幅值比富蘭克林避雷針大好幾十倍，但電暈電流的平均值比后者小，這有利于從電暈向先導(dǎo)電弧的轉(zhuǎn)化。需要指出的是可控放電避雷針特別適合高壓輸電線路的防雷，通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：可控放電避雷針的引雷能力比傳統(tǒng)避雷針強(qiáng)得多，而且有較大的保護(hù)角，這樣就可以降低輸電線路的繞擊率，另一方面由于可控放電避雷針的主放電電流幅值小、陡度低,根據(jù)輸電線路耐雷水平的設(shè)計(jì)要求（見表1），35kv-500kv的輸電線路是完全可以耐受此雷擊放電電流而不會(huì)發(fā)生跳閘，也不會(huì)造成大的感應(yīng)過電壓。不同電壓等級(jí)輸電線路的耐雷水平 表1 額定電壓，單位kv3560110154220330500線路耐雷水平Io，單

15、位kA20-3030-6040-859080-120140150五 主要電氣參數(shù)特性(1)針高h(yuǎn)200m時(shí)，保護(hù)角65，相應(yīng)地面保護(hù)半徑為 2.14h，離地面高度hx處水平面保護(hù)半徑為 2.14（hhx）。(2)主放電電流的平均幅值小于7kA。(3)主放電電流的陡度5kA/s(4)基本上消除了雷閃時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓。(5)繞擊概率不大于十萬分之一時(shí)的保護(hù)角為55。(6)接地電阻10（一般地區(qū)）。 30（在高阻區(qū)及無人區(qū)）。(7)抗風(fēng)能力不低于風(fēng)速50m/s。(8)安裝方便，使用期內(nèi)免維護(hù)。六 可控放電避雷針的型號(hào)及適用范圍 表2型 號(hào)使用期（年）適 用 范 圍底部安裝尺寸D(mm)CFG-12

16、0220kv及以上變電站、發(fā)電廠、微波站（塔）、證券、氣象、電視塔、軍火、油庫、炸藥庫、雷達(dá)等需要嚴(yán)格防雷的各種設(shè)施。200CFG-21535kv、110kv變電站、微波站（塔）、電視塔及高層民用建筑。200CFG-31010kv、35kv變電站的防雷改造（取代避雷針）及較低民用建筑。100CFG-X120330kv、500kv輸電線路200CFG-X215220kv輸電線路100CFG-X315110kv輸電線路100CFG-X410無避雷線的35kv輸電線路100七、安裝說明可控放電避雷針可做為獨(dú)立系統(tǒng)立于各類建筑物上，安裝地點(diǎn)的選擇應(yīng)滿足既要經(jīng)濟(jì)又要保證安全的要求。用于保護(hù)輸電線路時(shí)，直

17、接裝在桿塔頂部。在安裝可控放電避雷針的針頭時(shí)，要求動(dòng)態(tài)環(huán)保持水平，主針處在鉛垂方向。自針頭頂部至被保護(hù)物頂部的高度大于3m。禁止在結(jié)構(gòu)支柱上懸掛電話線、廣播線、電視天線及電力架空線。一般情況下，可控放電避雷針應(yīng)設(shè)兩根專用的接地引下線（對(duì)于直接裝在鐵塔上的可控放電避雷針，不另設(shè)接地引下線，直接與鐵塔連接牢固就可以了）。引下線一般采用園鋼或扁鋼，其尺寸不應(yīng)小于下列值：園鋼直徑10mm，扁鋼為425mm引下線沿建筑物或構(gòu)筑物外墻敷設(shè)，并經(jīng)最短路徑接地。建筑藝術(shù)要求較高者，也可以暗敷，但截面應(yīng)加大一倍。 圖5 底部安裝尺寸注：D的尺寸詳見表2在易受機(jī)械磨損的地方，地面上約1.7m至地面下0.3m的一段

18、接地引下線應(yīng)穿鐵管保護(hù)。可控放電避雷針系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)符合相應(yīng)場所的要求，但最大值應(yīng)小于30。一般采用復(fù)合地裝置。垂直埋設(shè)的接地體可采用角鋼、鋼管；水平埋設(shè)的接地體采用扁鋼、園鋼。它們的尺寸不應(yīng)小于下列標(biāo)準(zhǔn)：角鋼44040mm，鋼管壁厚3.5mm35mm，扁鋼425mm，園鋼12mm。接地裝置處于行人過道的地下時(shí)，應(yīng)考慮采取降低跨步電壓的措施。針頭組裝當(dāng)針頭以整體出廠時(shí)，組裝前只需進(jìn)行外觀檢查和螺栓連接檢查，擰緊連接螺栓。如果因運(yùn)輸原因造成變形，可參照下面的針頭組裝步驟及要求進(jìn)行調(diào)整。針頭出廠是散件時(shí)，組裝前應(yīng)檢查零部件是否齊全和完整；然后按以下順序組裝：將帶主針的底座垂直放到地面上，然后將四根斜桿固定到底座的四個(gè)螺孔上。將動(dòng)態(tài)環(huán)與四根斜桿對(duì)稱連接好。將四根水平拉桿對(duì)稱布置且將它們與斜桿和套在主針上的盤形法蘭連接起來，注意調(diào)整端在斜桿的一側(cè)。調(diào)整動(dòng)態(tài)環(huán)與地面平行，四根斜桿等分布置，盤形法蘭固定在主針標(biāo)定的位置上。擰緊全部連接螺栓。八、 開箱檢查驗(yàn)收時(shí)應(yīng)檢查零部件是否齊全：主針 一件動(dòng)態(tài)環(huán) 一件斜桿 四件水平拉桿 四件儲(chǔ)能底座 一件合格證 一份說明書 一份檢查各部件是否因運(yùn)輸而損壞。九、安裝驗(yàn)收是否按圖施工，各種材料的選取是否符合規(guī)定。檢查可控放電避雷針針頭的安裝是否符合技術(shù)要求，各連接處 的螺栓是否緊固，絕緣有無損傷。接地引下線的連接是否牢靠，有無相應(yīng)的防腐處理。接地電