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开云体育注册入口:不同类型避雷针雷击接闪效能差异的试验点评办法

发布时间:2024-03-28 11:11:18 作者:开云体育手机网页版 出处:开云体育app网页版官方入口

  作者:裴哲浩 陈维江 陈家宏 殷禹 丁立健 傅中 张乔根 黄胜鑫 顾建伟 傅毓斐 樊星 章志远

  近年来,我国在雷电防护范畴不断有非传统避雷针投入市场使用,产品研制商声称这些非传统避雷针较传统避雷针具有更优的防雷效能,但学术界没有到达共同。讨论既能反映雷击放电机理又直观明晰的试验办法,以点评不同类型避雷针的雷击防护效能差异,是广阔用户、学者和研制商一起重视的问题。在此,刊发陈维江院士团队“不同类型避雷针雷击接闪效能差异的试验点评办法”这一研讨成果,并诚邀专家一起讨论非传统避雷针的防雷效能及相关问题。

  摘要:讨论一种直观、易于了解且反映雷击放电机理的试验办法,以点评不同类型避雷针的雷击接闪效能差异,对雷电防护范畴构成共同显得尤为重要。为此,论文首要剖析了雷电环境下地上方针物上避雷针的雷击接闪进程,指出不同类型避雷针接闪效能的差异首要表现在对迎面放电进程的影响上;接着,提出了如下试验点评办法:选用针–板空隙的放电试验安置,对4m及以上空隙施加1.2/50μs规范雷电波模仿迎面流注放电进程,对 6m及以上空隙施加250/2500μs规范操作波模仿迎面先导放电进程;然后,经过比较非传统避雷针与传统避雷针的放电开始时间与均匀展开速度2个方针,以点评不同类型针的接闪效能差异;终究,使用所提办法对典型提早放电(earlystreamer emission,ESE)非传统避雷针与传统避雷针展开了接闪效能差异的点评试验。试验成果标明:ESE针与传统避雷针的点评方针根本共同,不具备研制商所声称的引雷增效效果。

  关键词:;雷击接闪效能差异;放电开始时间;放电均匀展开速度;迎面流注放电;迎面先导放电

  长期以来,非传统避雷针的商业使用一向存在。近年来,我国有多种类型的非传统避雷针被接连提出且不断投入市场,包括串联电容、有源触发、包裹振荡器、半导体针尖、多针等结构,详细拜见文献和网址,且这些非传统避雷针的价格遍及高于传统避雷针。根据研制厂商声称的作业原理可将现有的非传统避雷针分为2类:一是经过串联有源、无源器材使避雷针提早开始先导放电来扩展避雷针的维护规模;二是经过半导体针尖、多针等结构构成避雷针端部空间电荷效果下的均匀电场,然后完结驱雷。研制厂商经过直观的试验对非传统避雷针的作业原理进行了验证与阐明。其间,提早放电(earlystreameremission,ESE)针是最典型也是沿袭时间最久的一种非传统避雷针,在长空隙放电试验中发现,在冲击电压下,先导放电提早开始,终究空隙击穿所需时间削减。SIAME试验室曾在1.1m的空隙中一起放置ESE针和传统避雷针进行放电比照试验,试验发现放电均由ESE针开始;研制厂商据此以为,该产品可以提早开始先导,有利于添加接闪时的迎面先导长度,声称其较传统避雷针具有更大的维护规模。这类验证试验的成果直观,简单被用户承受,该类型避雷针也在一些重要场所与设备中被选用。可是,针对非传统避雷针接闪效能优于传统避雷针的原理剖析与试验查验办法,不断有学者和研讨人员提出质疑。

  D.Chalmers早在1999年就对避雷针接闪效能差异查验试验的有用性和试验查验办法提出了质疑,他以为实践雷电环境电场改动较试验室冲击电压下的电场改动更为缓慢,试验室的试验无法阐明放电提早开始后放电通道能否在电场更低的实践雷电环境中向前展开。V.A.Rakov在2002年宣布的总述中指出,试验室规范小于实践雷电环境下的梯级先导长度,不行能在2m的试验室空隙中充沛模仿雷击接闪进程;别的,他以为以先导展开速度进行核算,微秒级的放电时间提早并不会对接闪时先导展开的长度发生太大的影响。2005年,N.L.Aleksandrov提出,试验室模仿的问题首要在于,当触及假定的理论(如戈德关于避雷针的接闪假定)未得到证明或部分机理(雷击接闪机理)未得到公认时,相关放电特性就无法在任何试验室中进行模仿。M.Becerra和ray相同以为试验室的试验无法等效实在雷电环境,他们提出,放电的理论剖析与仿真模仿更适合用于点评ESE避雷针与传统避雷针的接闪效能差异,并提出先导展开的自洽模型。仿真模仿发现,实在雷电环境下放电的提早开始对迎面先导的展开不会发生影响。2018年,清华大学试验测试了4种类型的避雷针,观察到传统避雷针的先导开始时间与其他3种非传统针先导开始时间的差异约为10μs,有的提早,有的减慢,作者剖析以为微秒级的放电时间提早不会对维护规模发生影响,这与Rakov的观念共同。Langmuir试验室用了12年的时间搜集南巴尔地峰邻近的雷击数据,可是依然没有可以给出ESE针较传统避雷针具有更大雷电维护区域的根据。这些研讨均标明,与传统避雷针比较,现有非传统避雷针在雷电环境下不具有更优的接闪效能。

  可是,因为上述研讨均是根据气体放电、雷击放电行为等杂乱理论与专业学术常识展开的,因而得到的定论难以为研制厂商所承受,也因其科普性缺乏,故难以为广阔用户所了解。研制商与用户不是专门研讨放电的人员,他们更倾向于经过直观的试验知道非传统避雷针的效果。可是,现有的一些试验安置与查验办法未反映雷击接闪的物理进程,无法有用提醒不同避雷针接闪效能的差异。因而,寻觅一种直观、易于了解且反映雷击放电机理的试验办法,以点评不同类型避雷针的雷击接闪效能差异,对雷电防护范畴构成共同显得尤为重要。

  本文从雷击接闪机理的视点动身,剖析迎面流注接闪与迎面先导接闪这2种不同雷击接闪类型的接闪进程,研讨试验室中模仿迎面流注和迎面先导放电的试验安置及根据非传统避雷针和传统避雷针放电差异比照的试验点评办法,并以一种典型的非传统避雷针(ESE针)为例,将其与传统避雷针进行接闪效能差异的试验查验。

  云对地展开的下行先导与由地上方针物装设的避雷针开始的迎面放电相接的进程称为接闪。云地闪电中约90%下行先导呈负极性,在雷云布景场、下行先导通道发生的电场的叠加效果下,避雷针端部经过静电感应会发生很多的异极性电荷,如图1(a)所示,然后在避雷针端部发生感应电场,当发生的感应电场逐步增大并超越空气击穿场强时,就会发生正极性迎面放电。迎面放电接闪有2种类型:迎面流注接闪,如图1(b)所示,由避雷针开始的放电通道直接与下行先导头部流注相接;迎面先导接闪,如图1(c)所示,由避雷针开始的放电通道以先导和先导头部流注的方式展开后与下行先导头部流注相接。有4种电场会影响迎面放电接闪,即雷云电荷发生的布景电场 ,下行放电通道发生的电场 ,避雷针端部异极性电荷积累发生的感应电场 ,及迎面放电端部电荷积累构成的电场 ,影响迎面放电通道展开的空间电场 为前面所述电场的叠加场。本文从雷击接闪机理的视点下手,剖析迎面流注与迎面先导这2种接闪进程。

  迎面流注接闪常见于矮小的地上方针物,当设置于此类方针物上的避雷针发生的感应电场 到达临界值 时,开始流注放电。根据雷电观测数据,下行先导头部距地上的高度越低,往往放电展开的速度越快。因为避雷针高度较低,因而要使 到达 ,下行先导头部需求下降至距地上较低的高度。此刻,下行先导展开充沛,展开速度不断添加,由下行放电通道发生的电场 随时间添加得越来越快,使得避雷针端部开始流注放电后,放电通道在快速强电场的效果下继续向上展开,不会发生平息,直至继续展开的迎面流注放电通道与下行先导放电通道直接相接。

  迎面先导接闪常见于较高的地上方针物。设置于此类方针物上的避雷针发生的感应电场到达 时,下行先导仍处于距地上较高的高度,由下行放电通道展开引起的电场改动率较小。此刻,开始的迎面放电有满意的时间完结流注先导转化,可以在与下行先导衔接前构成由避雷针开始的正极性迎面先导。取雷电流幅值为中值电流31.5kA,对不同高度避雷针端部构成的先导长度进行预算,核算成果如图2所示。图2中,横坐标标明下行先导头部距避雷针端部间隔D,纵坐标标明迎面先导长度L,4条曲线种避雷针高度H,每条曲线中标有数值的点代表完结接闪时的迎面先导长度。由图2可得,避雷针高度H越高,在接闪前所能构成的迎面先导长度L就越长。在D由3000m下降至1500m的改动进程中,迎面先导长度L改动很小,原因是此进程中下行先导头部间隔避雷针较远,此刻由下行先导向地上展开所施加的电场改动很小,缺乏以发生使迎面先导接连展开的电场,无法满意先导安稳展开条件,因而会循环呈现先导开始、展开并平息的现象,这类先导被称为不接连先导;在D500m的情况下,电场继续增强,迎面先导接连安稳展开,L逐步增大,直至完结接闪,这类先导称为接连安稳先导。

  经过以上雷击接闪机理剖析,可将接闪放电方式归纳为首要发生在低地上方针物的迎面流注接闪与首要发生在高地上方针物的迎面先导接闪。避雷针的接闪效能差异需求针对2种不同的接闪方式别离进行查验。

  高电压试验室空间有限,仅可以模仿米级的长空隙放电。别的,试验室装备的Marx发生器输出电压为双指数波形,无法模仿天然雷电环境下空间电场直流叠加单指数上升的时域改动特征。因而,试验室不能对雷击接闪进程进行等效模仿。

  雷击接闪进程包括下行先导放电与迎面放电这2种放电进程。不同类型避雷针对接闪进程的影响首要表现在对迎面放电进程的影响上。因而,可经过外施电压与空隙间隔的合作来挑选在试验室构建迎面流注放电和迎面先导放电2种放电环境,经过对迎面放电特征的试验比照,查验不同类型避雷针的接闪效能差异。

  传统避雷针的接闪效能已有相应的核算办法与规程规范,可以以传统避雷针为参阅组,以非传统避雷针为查验组,在相同的放电环境下展开放电比照试验,剖析不同类型避雷针的放电特征,以查验其接闪效能的差异。

  依照上述观念可树立一种经过试验对不同类型避雷针接闪效能差异进行点评的办法,详细实施方案如下所述。

  试验室中常见的板–针试验安置如图3(a)所示。对板电极施加负极性高压发生空间场 ,针电极接地,在空间场效果下发生感应场 ,可模仿迎面放电开始。但因为试验室空间规范受限,针电极高度与空隙间隔较小,地上对针电极有很强的屏蔽效应,导致针电极上方的被削弱,要使针电极发生迎面放电,板电极需求施加很高电压,此刻,空隙放电开始后即进入末跃。因而,该试验安置仅可以模仿先导放电的开始进程,无法模仿先导放电的展开进程。

  将板–针结构反置,变成针–板结构,直接对针电极施加正极性电压,如图3(b)所示,以模仿迎面放电进程。针电极选用非传统避雷针与传统避雷针,板电极选用大面积金属板。在这种试验安置下,既可以模仿迎面流注放电,又可以模仿迎面先导放电。因为先导开始后不会瞬间进入末跃阶段,而是进入先导展开阶段,因而选用这种安置可以完好描绘先导开始与展开特征。

  在针−板结构的试验安置中,可以经过调理外施电压波形发生指数规则的上升电场,合作调理放电空隙间隔,来模仿下行先导发生的快速电场与慢速电场,然后别离取得迎面流注与迎面先导这2种放电方式。学习长空隙放电试验经历,对避雷针施加陡波电压时,波前时间短,电压上升率高,在快速强电场效果下放电通道敏捷向前展开,可模仿迎面流注放电进程;对避雷针施加缓波电压,波前时间满意长,有足够的时间完结流注先导转化并向前展开,可模仿迎面先导放电进程。

  高压试验室中,Marx发生器一般可以发生的2种波形为规范雷电波与规范操作波。主张选用陡波头的1.2/50μs规范雷电波来模仿迎面流注放电,选用缓波头的250/2500μs规范操作波来模仿迎面先导放电。

  为了使流注或先导开始后在空间中充沛地展开,然后使观测设备有用取得放电进程的特征参数,试验空隙间隔选取应尽或许大。考虑到工业界高电压试验室的装备,一般都装备有3.6MV及以上的Marx发生器。关于流注放电,放电长度等于流注长度,宜选用4m及以上空隙;关于先导放电,放电长度由先导长度与流注长度组成,为了使先导展开间隔更充沛,需选取更大的空隙间隔,宜选用6m及以上空隙。本文在国家电网安徽省电力有限公司电力科学研讨院特高压试验大厅对4m针–板空隙施加规范雷电波展开长空隙流注放电示例试验,可以模仿迎面流注放电,如图4(a)所示;对6m针−板空隙施加规范操作波展开长空隙先导放电示例试验,可以模仿迎面先导放电,如图4(b)所示。

  关于具有特别几许结构的避雷针,如曲率半径特别大的,相较于传统避雷针,其在6m空隙间隔下的放电开始特征仍具有较大差异,针对这类避雷针,可经过改动空隙间隔,试验比照放电开始特征的改动趋势。

  放电开始与展开构成了迎面放电全进程,用于点评不同类型避雷针接闪效能差异的放电特征点评方针可以从放电开始特征参数与放电展开特征参数中选取。本文主张选用放电开始时间和放电展开均匀速度对接闪效能差异进行点评,如表1所示。因为长空隙放电特征具有分散性,因而每组点评方针均经过N次重复试验取核算均匀值取得。根据工程经历,当点评方针误差10%时,可以为相同长度的试验用避雷针架设在相同高度时的接闪效能差异很小,然后可忽略不计。

  设置传统避雷针为参阅组,被测非传统避雷针为查验组,选用升降法别离取得参阅组与查验组模仿迎面流注与模仿迎面先导时的50%放电电压,选取其间更高的作为试验外施电压,以确保空隙可以击穿。根据长空隙放电试验的分散性,重复放电试验次数挑选30次及以上,比照查验组与参阅组的放电特征参数,点评不同类型避雷针的接闪效能差异。

  关于流注放电,考虑到试验室与实在雷电环境下贱注展开速度数量级同约为 ,以该速度构成的流注贯穿时间极短,需求时间分辨率达纳秒级的丈量设备(如超高速分幅相机)来获取特征参数。引荐丈量办法如下:(1)丈量针电极电流,读取电流波形,取得流注开始时间,波形由零值第1次呈现猛增的时间为流注开始时间;(2)选用超高速分幅相机拍照一次流注放电展开进程,选取捕捉到流注开始后的相片作为相片1,读取相片1中流注长度 ,记载曝光时序 ,选取流注贯穿空隙前的相片作为相片2,读取相片2中流注长度 ,记载曝光时序 ,核算均匀展开速度 。

  关于先导放电,考虑到先导展开速度较流注低一个数量级,可选用微秒级时间分辨率的丈量设备(如高速相机)来获取特征参数。引荐丈量办法如下:(1)丈量针电极电流,读取电流波形,找到波形由零值猛增后坚持接连电流的特征区域,其间由零值猛增的时间为接连安稳先导开始时间;(2)选用高速相机拍照一次先导放电展开进程,选取捕捉到接连安稳先导开始后的相片作为相片1,记载曝光时序 ,捕捉到空隙击穿的相片作为相片2,记载曝光时序 ,选取空隙间隔为 ,核算均匀展开速度 。

  此外,关于端部结构特大型避雷针(曲率半径大于6m试验规范下的临界半径),需添加其他空隙间隔下的丈量成果:(1)在具有高参数Marx发生器的野外大型试验场所,选用6m,8m,10m等不同的空隙间隔,展开迎面流注与迎面先导放电试验;(2)选用上述试验丈量办法,取得非传统避雷针与传统避雷针在不同空隙间隔下的放电开始时间与放电展开均匀速度;(3)若查验组与参阅组之间放电开始时间和均匀展开速度的差异随空隙间隔的添加而逐步减小,则断定查验组避雷针不具有更好的接闪效能,不然,结合理论计算至天然雷电环境更长的空隙间隔,比较剖析这类非传统避雷针与传统避雷针的接闪效能差异。

  ESE避雷针是国外创造的一种典型非传统避雷针,在市场上具有较多的使用事例。本章针对ESE避雷针与传统避雷针进行接闪效能差异的试验查验。将ESE针设置为查验组,同曲率半径的传统避雷针设置为参阅组,以取得2种针在2种放电类型下效能点评参数的全面观测成果,并经过参数比较的办法查验ESE针与传统避雷针的接闪效能是否具有差异。

  试验与丈量安置如图5所示。试验在国网安徽电科院特高压试验大厅展开,所选用的Marx发生器标称参数为4.8MV/480kJ。试验渠道的观测体系首要由分压器、电流丈量设备、超高速分幅相机与高速相机组成。分压器获取的施加电压波形由高采样率示波器进行记载,一起选用电压波形信号对电流丈量设备与高速相机进行触发。考虑到长空隙放电电流对模仿信号的强搅扰效果,试验的观测信号传输均选用电光/光电转化与信号同步体系,以完结远间隔高保真信号的传输与同步。配有镜头(8~48mm,f/2.8)的dicamC4ICCD相机(超高速分幅相机)可接连拍照4张图画,曝光时间最低为58ns,空间分辨率为2048×2048像素,用于拍照流注展开的动态进程。装备镜头(50mm,F1.2)的高速相机,用于先导展开动态进程的接连拍照,采样率为300000帧/s,曝光时间约为3μs,空间分辨率为256×128像素,该相机处理了高时间分辨率与长记载时间之间的对立。示波器在捕捉到电压脉冲后宣布信号用于触发电流丈量设备与高速相机,丈量时序见图6。

  对4m避雷针–板空隙施加1.2/50µs的雷电冲击电压,发生流注贯穿空隙引发的击穿放电。选用升降法别离取得ESE针与传统针的50%放电电压,成果如表2所示(升降法记载的有用放电次数为30次),可知两者附近。选取2578kV作为外施电压幅值,别离对ESE针与传统针进行重复试验30次。图7为一次非传统针的流注放电图画,核算流注开始时间与流注均匀展开速度的均匀值如表2所示。比照ESE针与传统针的流注开始时间发现,两者附近,相对误差10%,即ESE针未起到推迟流注开始的效果;比照放电均匀展开速度发现,两者附近,相对误差5%,因而可判别ESE针在流注接闪时不能起到引雷增效的效果。

  对6m避雷针–板空隙施加参数为250/2500μs的操作冲击电压,发生接连先导引起空隙击穿。选用升降法别离取得ESE针与传统针的50%放电电压,成果如表3所示(升降法记载的有用放电次数为30次)。选取1364kV作为外施电压幅值,别离对ESE针与传统针进行重复试验各30次,记载接连先导开始时间与均匀先导展开速度,核算均匀值成果如表3所示。比照ESE针与传统针的接连先导开始时间发现,两者附近,相对误差为4%;比照放电均匀展开速度发现,两者附近,相对误差6%,由此可判别ESE针在先导接闪时不能起到声称的引雷增效效果。

  1)地上方针物上装设的避雷针根据高度不同具有2种雷击接闪类型:矮小地上方针物上的避雷针常呈现迎面流注接闪,高地上方针物上的避雷针常呈现迎面先导接闪。不同类型避雷针接闪效能的差异首要表现在对迎面放电进程的影响上,接闪效能差异的比较不需求考虑完好的接闪进程,只需比较迎面放电进程即可。

  2)提出了不同类型避雷针雷击接闪效能差异的试验点评办法:选用针–板空隙的放电试验安置,针电极施加正极性高压,板电极接地,对4m及以上空隙施加1.2/50μs规范雷电波模仿迎面流注放电进程,对6m及以上空隙施加250/2500μs规范操作波模仿迎面先导放电进程,对不同类型避雷针展开放电比照试验;选用流注开始时间和流注展开均匀速度作为避雷针流注接闪效能差异点评方针,接连先导开始时间和接连先导展开均匀速度作为避雷针先导接闪效能差异点评方针;给出了点评方针的试验丈量办法;根据点评方针,点评不同类型避雷针的接闪效能差异;关于端部特大型(曲率半径大于临界半径)避雷针,经过改动空隙间隔,试验比照其与传统避雷针的点评方针改动趋势。

  3)ESE针与传统避雷针的比照试验标明:ESE针流注开始时间,流注放电均匀展开速度与传统避雷针根本共同;ESE针接连安稳先导开始时间,先导放电均匀展开速度与传统避雷针根本共同。关于架设在相同高度具有相同长度的ESE针与传统避雷针,其迎面流注接闪、先导接闪效能差异极小,ESE针不具备研制商所称的引雷增效效果。