一种新型防直击雷装置的应用研究

摘要：防止雷击事故的有效措施在于改变雷电流的波形，使di/dt降低。目前安装的避雷针都具有引雷作用。安装避雷针是通过增加避雷针的落雷概率使雷击到避雷针上而到达保护其它物体免遭雷击的目的。普通避雷针，仅有避雷起控制雷击点的作用，对雷电流幅值、雷电流陡度没有控制作用。本文从电磁波弥散现象出发，尝试改用电感型阻抗对闪电限流并将其运用在线路防直击雷上,研制一种新型的防直击雷装置－电感型限陡避雷器。通过ATP仿真及试验分析，该装置能够有效地降低雷电流陡度，是一种很有价值的防直击雷方法, 可大大削弱二次雷击作用, 适应当前信息防雷之需。

关键词：直击雷；限陡避雷器；信息防雷；ATP

中图分类号：TU895文献标识码： A 文章编号：

1引言

目前防直击雷方法有多种，其中一种是解广润首先提出来的改造Franklin避雷针，使之对闪电限流。解广润的理论技术核心是把Franklin避雷针的金属材料改为半导体材料，并且已在防雷实践中运用10多年了。当今闪电的危害作用主要是它的脉冲电磁场，而它的强弱与闪电的电流I有关，所以能否使闪电的电流改变，就成为防雷技术研究的关键。当雷直击于线路或雷击于线路附近的大地时，由于反击或由于静电感应及电磁感应，都会在该线路上产生雷电侵入波过电压，并通过线路侵入到与外接线路（包括电力线路、信号线路等）相连的电子设备上，往往酿成严重的干扰或事故。众所周知，限制雷电侵入波过电压的主要防雷器件是避雷器。因此，对雷电侵入波过电压进行频谱分析对于研究和开发高性能新型避雷针具有重要的理论指导意义。针对半导体针作为避雷针,是以其高电阻来对闪电限流。由此必然会引起两种后果：高电阻产生的焦耳热导致针体的毁坏；高电阻产生的针体两端的高电压导致闪络。本文尝试改用电感型阻抗对闪电限流并将其运用在线路防直击雷上。文献[2]通过模拟闪电的冲击电压和电流源对电感型避雷针检测，表明电感型避雷器不仅克服了上述高阻避雷针的两个困难，而且使冲击电流的波形发生显著的变化，电流峰值和电流陡度显著削减。

2雷电波的频谱分析

2.1傅立叶变换

国际电工委员会(IEC)在1995年出版的《雷电电磁脉冲的防护》第一部分(即IEC1312-1)中公布了雷电流参数和雷电波形图。

(1)

式中：为时刻的回击电流强度；=15000、=1860000即为2.6/50电流波参数。

对于非周期信号，为求它的频谱函数可采用下列傅里叶变换公式[3]，并 取雷电流的幅值频谱为，则有：

（2）

式中为角频率，式(2)中的物理意义是原函数以可以看成是由无穷多个频率连续变化的分量迭加而成。由以上分析，我们计算2.6/50雷电波各频率分量，基波取f=5000Hz。表1为各频率的幅值，图2所示为频谱图。

表1 雷电流波频率分量振幅值

图2 振幅频谱图

2.2 雷电波的能量分布

由式(3)幅值频谱函数，根据巴塞瓦公式[4]可得总能量为：

对应于2.6/50us的波形的总能量：

，[0~]频率的能量。

各频率范围内的能量分布见表2：

表2 雷电流波的能量分布

图3 雷电流波的能量分布

根据本文计算分析可知：雷电波的频谱中主要频率分量大体上集中在0～100kHz，而雷电能量则主要集中在100Hz10kHz，工频附近(0～100Hz)的能量只占总能量的2.3%。本文对2.6/50us的雷电冲击全波进行频谱分析的结果已是扩大了的，如果只对2.6us的波头进行频谱分析，工频附近的能量所占的比例将更少。 通过以上分析可知，只要防止1kHz-10kHz的雷电波，就能把雷电波的能量削减掉90％以上。

3防直击雷的新思想

通过上述分析以及雷电定位仪记录资料可以得出闪电产生的大气电场的频谱包含从直流、低频、一直到极高的频率。通常大家所引用的闪电电流的脉冲波形，实质上是无数多频率成份的正弦电磁波的组合。所以闪电在大气中运行以及与地面物相遇，是一个包含有异常丰富物理现象的高频电磁学物理过程，涉及波动的物理规律，闪电的能量分布在大气的电磁场中。L.Solymar[5]指出：麦克斯韦(Maxwell)创立的电磁场理论一个多世纪以来仍是正确的，尚没有任何实验和实践显示它的局限性。所以一切电磁现象只能从Maxwell方程组出发来探讨。在方程组中所有的量与时间无关的条件下，可以得出静电学的一切定律与关系式。而当位移电流和带电质点电流相比较可以忽略时，Maxwell方程组就可简化而得出似稳电路各定律。但是大气中的闪电过程，位移电流已不能忽视，这时Maxwell方程组的解就出现电磁波。对于已涉及高频的领域，电路的概念和定律只有在某些特殊条件下才可以近似地运用，一般情况均必须用场和波的概念来探讨。用等效电路概念处理闪电，忽略闪电的波动、频谱和能量的辐射等重要环节是存在局限的。因此必须从“场”的观念来研究闪电现象和防雷技术。从场的观念考虑，就必需顾及电磁波在传输过程中的物理现象。既然闪电电流是大量不同频率的正弦波的组合，它在传输过程中必发生弥散现象。S Ramo和J R Whinnery合著的一本高级电磁理论教科书指出：“对于有损耗的传输线和一般的电磁波导，相速将随着频率而变，构成复合波的各个正弦分量在线上移动时将发生相移，相速较大的波走在前面而慢的波落到后面，在有弥散现象时，传输线上某一点的波的各个分量相加起来有可能产生与输入波完全不同的波形”。与本文上述分析的一致，即雷电流的能量主要集中在波头。电磁波的弥散现象就是光波的色散现象。电感有阻止高频电流通过特性，所以脉冲电流经过电感型避雷针，输出的电流波形发生变化是与光经过玻璃棱镜出现色散现象相同的一类物理现象，是Maxwell电磁场理论早已说明并获得大量实验印证的。在此我们把电磁波弥散现象应用到防直击雷技术上。

4电感型限陡度避雷针在输电线路上的应用

通过上述理论分析，我们可以得出以下结论：防止雷击事故的根本是改变雷电流的波形，使di/dt降低。目前安装的避雷针都是具有引雷作用。安装避雷针是通过增加避雷针的落雷概率使雷击到避雷针上而到达保护其它物体免遭雷击的目的。因此避雷针的高度较其它被保护物体高。普通避雷针，仅有避雷起控制雷击点的作用，对雷电流、雷电流陡度没有控制作用。

5ATP仿真验证

本文计算中导线数据的计算参数：避雷线采用GJ-50，其计算直径9.60毫米，弧垂2.8米；导线采用LGJ-185/30，其计算直径为18.88毫米，弧垂5.3米。绝缘子串采用7×LXP-70绝缘子串，伏秒特性数据采用规程上绝缘子串放电电压700kV；计算中杆塔冲击接地电阻为10。

L() 耐雷水平

(kA)

0 71

15 150

25 168

50 193

表3 耐雷水平计算结果

6模拟试验验证

试验中，所需模拟雷电流由冲击大电流发生器产生，冲击大电流发生器的原理如图4所示，模拟雷电流从杆塔顶端注入，计算塔顶电流、电位。

图4 冲击电流发生器电路图

(a)