【转载】不同类型避雷针雷击接闪效能差异的实验评价方法

2023-05-04

编者按

       近年来，我国在雷电防护领域不断有非传统避雷针投入市场应用，产品研发商宣称这些非传统避雷针较传统避雷针具有更优的防雷效能，但学术界尚未达成共识。探讨既能反映雷击放电机理又直观明了的实验方法，以评价不同类型避雷针的雷击防护效能差异，是广大用户、学者和研发商共同关注的问题。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实验评价方法”这一研究成果，并诚邀专家共同探讨非传统避雷针的防雷效能及相关问题。

       摘要：探讨一种直观、易于理解且反映雷击放电机理的实验方法，以评价不同类型避雷针的雷击接闪效能差异，对雷电防护领域形成共识显得尤为重要。为此，论文首先分析了雷电环境下地面目标物上避雷针的雷击接闪过程，指出不同类型避雷针接闪效能的差异主要体现在对迎面放电过程的影响上；接着，提出了如下实验评价方法：采用针–板间隙的放电实验布置，对4m及以上间隙施加1.2/50μs标准雷电波模拟迎面流注放电过程，对 6m及以上间隙施加250/2500μs标准操作波模拟迎面先导放电过程；然后，通过比较非传统避雷针与传统避雷针的放电起始时刻与平均发展速度2个指标，以评价不同类型针的接闪效能差异；最后，利用所提方法对典型提前放电(earlystreamer emission，ESE)非传统避雷针与传统避雷针开展了接闪效能差异的评价实验。实验结果表明：ESE针与传统避雷针的评价指标基本一致，不具备研发商所宣称的引雷增效作用。

       关键词：非传统避雷针；雷击接闪效能差异；放电起始时刻；放电平均发展速度；迎面流注放电；迎面先导放电

0 引言
       长期以来，非传统避雷针的商业应用一直存在。近年来，中国有多种类型的非传统避雷针被陆续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，具体参见文献和网址https://lightningelectro.com/about-lightningelectro，且这些非传统避雷针的价格普遍高于传统避雷针。依据研发厂商宣称的工作原理可将现有的非传统避雷针分为2类：一是通过串联有源、无源器件使避雷针提前起始先导放电来扩大避雷针的保护范围；二是通过半导体针尖、多针等结构形成避雷针端部空间电荷作用下的均匀电场，从而实现驱雷。研发厂商通过直观的实验对非传统避雷针的工作原理进行了验证与说明。其中，提前放电(earlystreameremission，ESE)针是最典型也是沿用时间最久的一种非传统避雷针，在长间隙放电实验中发现，在冲击电压下，先导放电提前起始，最终间隙击穿所需时间减少。SIAME实验室曾在1.1m的间隙中同时放置ESE针和传统避雷针进行放电对比实验，实验发现放电均由ESE针起始；研发厂商据此认为，该产品能够提前起始先导，有利于增加接闪时的迎面先导长度，宣称其较传统避雷针具有更大的保护范围。这类验证实验的结果直观，容易被用户接受，该类型避雷针也在一些重要场所与设施中被选用。然而，针对非传统避雷针接闪效能优于传统避雷针的原理分析与实验检验方法，不断有学者和研究人员提出质疑。
       D.Chalmers早在1999年就对避雷针接闪效能差异检验实验的有效性和实验检验方法提出了质疑，他认为实际雷电环境电场变化较实验室冲击电压下的电场变化更为缓慢，实验室的实验无法说明放电提前起始后放电通道能否在电场更低的实际雷电环境中向前发展。V.A.Rakov在2002年发表的综述中指出，实验室尺度小于实际雷电环境下的梯级先导长度，不可能在2m的实验室间隙中充分模拟雷击接闪过程；另外，他认为以先导发展速度进行计算，微秒级的放电时间提前并不会对接闪时先导发展的长度产生太大的影响。2005年，N.L.Aleksandrov提出，实验室模拟的问题主要在于，当涉及假设的理论(如戈德关于避雷针的接闪假设)未得到证实或部分机理(雷击接闪机理)未得到公认时，相关放电特性就无法在任何实验室中进行模拟。M.Becerra和V.Cooray同样认为实验室的实验无法等效真实雷电环境，他们提出，放电的理论分析与仿真模拟更适合用于评估ESE避雷针与传统避雷针的接闪效能差异，并提出先导发展的自洽模型。仿真模拟发现，真实雷电环境下放电的提前起始对迎面先导的发展不会产生影响。2018年，清华大学实验测试了4种类型的避雷针，观察到传统避雷针的先导起始时间与其他3种非传统针先导起始时间的差异约为10μs，有的提前，有的减慢，作者分析认为微秒级的放电时间提前不会对保护范围产生影响，这与Rakov的观点一致。Langmuir实验室用了12年的时间收集南巴尔地峰附近的雷击数据，但是仍然没有能够给出ESE针较传统避雷针具有更大雷电保护区域的证据。这些研究均表明，与传统避雷针相比，现有非传统避雷针在雷电环境下不具有更优的接闪效能。
       然而，由于上述研究均是基于气体放电、雷击放电行为等复杂理论与专业学术知识开展的，因此得到的结论难以为研发厂商所接受，也因其科普性不足，故难以为广大用户所理解。研发商与用户不是专门研究放电的人员，他们更倾向于通过直观的实验认识非传统避雷针的作用。然而，现有的一些实验布置与检验方法未反映雷击接闪的物理过程，无法有效揭示不同避雷针接闪效能的差异。因此，寻找一种直观、易于理解且反映雷击放电机理的实验方法，以评价不同类型避雷针的雷击接闪效能差异，对雷电防护领域形成共识显得尤为重要。

       本文从雷击接闪机理的角度出发，分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过程，研究实验室中模拟迎面流注和迎面先导放电的实验布置及基于非传统避雷针和传统避雷针放电差异对比的实验评价方法，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实验检验。

1 避雷针的雷击接闪过程
       云对地发展的下行先导与由地面目标物装设的避雷针起始的迎面放电相接的过程称为接闪。云地闪电中约90%下行先导呈负极性，在雷云背景场、下行先导通道产生的电场的叠加作用下，避雷针端部通过静电感应会产生大量的异极性电荷，如图1(a)所示，从而在避雷针端部产生感应电场，当产生的感应电场逐渐增大并超过空气击穿场强时，就会产生正极性迎面放电。迎面放电接闪有2种类型：迎面流注接闪，如图1(b)所示，由避雷针起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，由避雷针起始的放电通道以先导和先导头部流注的形式发展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，即雷云电荷产生的背景电场QQ截图20230426102645.png，下行放电通道产生的电场QQ截图20230426102852.png，避雷针端部异极性电荷积聚产生的感应电场QQ截图20230426102902.png，及迎面放电端部电荷积聚形成的电场QQ截图20230426102912.png，影响迎面放电通道发展的空间电场QQ截图20230426102929.png为前面所述电场的叠加场。本文从雷击接闪机理的角度入手，分析迎面流注与迎面先导这2种接闪过程。


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1.1 迎面流注接闪
       迎面流注接闪常见于低矮的地面目标物，当设置于此类目标物上的避雷针产生的感应电场QQ截图20230426103321.png达到临界值QQ截图20230426103333.png时，起始流注放电。根据雷电观测数据，下行先导头部距地面的高度越低，往往放电发展的速度越快。由于避雷针高度较低，因此要使QQ截图20230426103321.png达到QQ截图20230426103333.png，下行先导头部需要下降至距地面较低的高度。此时，下行先导发展充分，发展速度不断增加，由下行放电通道产生的电场QQ截图20230426102852.png随时间增加得越来越快，使得避雷针端部起始流注放电后，放电通道在快速强电场的作用下持续向上发展，不会发生熄灭，直至持续发展的迎面流注放电通道与下行先导放电通道直接相接。
1.2 迎面先导接闪
       迎面先导接闪常见于较高的地面目标物。设置于此类目标物上的避雷针产生的感应电场达到时，下行先导仍处于距地面较高的高度，由下行放电通道发展引起的电场变化率较小。此时，起始的迎面放电有足够的时间完成流注先导转化，能够在与下行先导连接前形成由避雷针起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形成的先导长度进行估算，计算结果如图2所示。图2中，横坐标表示下行先导头部距避雷针端部距离D，纵坐标表示迎面先导长度L，4条曲线分别代表4种避雷针高度H，每条曲线中标有数值的点代表完成接闪时的迎面先导长度。由图2可得，避雷针高度H越高，在接闪前所能形成的迎面先导长度L就越长。在D由3000m降低至1500m的变化过程中，迎面先导长度L变化很小，原因是此过程中下行先导头部距离避雷针较远，此时由下行先导向地面发展所施加的电场变化很小，不足以产生使迎面先导连续发展的电场，无法满足先导稳定发展条件，因此会循环出现先导起始、发展并熄灭的现象，这类先导被称为不连续先导；在D<500m的情况下，电场持续增强，迎面先导连续稳定发展，L逐渐增大，直至完成接闪，这类先导称为连续稳定先导。


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       通过以上雷击接闪机理分析，可将接闪放电形式概括为主要发生在低地面目标物的迎面流注接闪与主要发生在高地面目标物的迎面先导接闪。避雷针的接闪效能差异需要针对2种不同的接闪形式分别进行检验。
2 不同类型避雷针接闪效能差异的实验评价方法
       高电压实验室空间有限，仅能够模拟米级的长间隙放电。另外，实验室配置的Marx发生器输出电压为双指数波形，无法模拟自然雷电环境下空间电场直流叠加单指数上升的时域变化特征。因此，实验室不能对雷击接闪过程进行等效模拟。
       雷击接闪过程包含下行先导放电与迎面放电这2种放电过程。不同类型避雷针对接闪过程的影响主要体现在对迎面放电过程的影响上。因此，可通过外施电压与间隙距离的配合来选择在实验室构建迎面流注放电和迎面先导放电2种放电环境，通过对迎面放电特征的实验对比，检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计算方法与规程规范，可以以传统避雷针为参考组，以非传统避雷针为检验组，在相同的放电环境下开展放电对比实验，分析不同类型避雷针的放电特征，以检验其接闪效能的差异。
       按照上述观点可建立一种通过实验对不同类型避雷针接闪效能差异进行评价的方法，具体实施方案如下所述。
2.1 迎面放电实验布置
       实验室中常见的板–针实验布置如图3(a)所示。对板电极施加负极性高压产生空间场QQ截图20230426102645.png，针电极接地，在空间场作用下产生感应场QQ截图20230426102902.png，可模拟迎面放电起始。但由于实验室空间尺度受限，针电极高度与间隙距离较小，地面对针电极有很强的屏蔽效应，导致针电极上方的QQ截图20230426103321.png被削弱，要使针电极产生迎面放电，板电极需要施加很高电压，此时，间隙放电起始后即进入末跃。因此，该实验布置仅能够模拟先导放电的起始过程，无法模拟先导放电的发展过程。
       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，以模拟迎面放电过程。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。在这种实验布置下，既能够模拟迎面流注放电，又能够模拟迎面先导放电。因为先导起始后不会瞬间进入末跃阶段，而是进入先导发展阶段，因此采用这种布置能够完整描述先导起始与发展特征。


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2.2 外施电压的选择
       在针−板结构的实验布置中，可以通过调节外施电压波形产生指数规律的上升电场，配合调节放电间隙距离，来模拟下行先导产生的快速电场与慢速电场，从而分别获得迎面流注与迎面先导这2种放电形式。借鉴长间隙放电实验经验，对避雷针施加陡波电压时，波前时间短，电压上升率高，在快速强电场作用下放电通道迅速向前发展，可模拟迎面流注放电过程；对避雷针施加缓波电压，波前时间足够长，有充足的时间完成流注先导转化并向前发展，可模拟迎面先导放电过程。
       高压实验室中，Marx发生器一般能够产生的2种波形为标准雷电波与标准操作波。建议采用陡波头的1.2/50μs标准雷电波来模拟迎面流注放电，采用缓波头的250/2500μs标准操作波来模拟迎面先导放电。
2.3 间隙距离的选择
       为了使流注或先导起始后在空间中充分地发展，从而使观测设备有效获得放电过程的特征参数，实验间隙距离选取应尽可能大。考虑到工业界高电压实验室的配置，通常都配备有3.6MV及以上的Marx发生器。对于流注放电，放电长度等于流注长度，宜选用4m及以上间隙；对于先导放电，放电长度由先导长度与流注长度组成，为了使先导发展距离更充分，需选取更大的间隙距离，宜选用6m及以上间隙。本文在国家电网安徽省电力有限公司电力科学研究院特高压试验大厅对4m针–板间隙施加标准雷电波开展长间隙流注放电示例实验，可以模拟迎面流注放电，如图4(a)所示；对6m针−板间隙施加标准操作波开展长间隙先导放电示例实验，可以模拟迎面先导放电，如图4(b)所示。


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       对于具有特殊几何结构的避雷针，如曲率半径特别大的，相较于传统避雷针，其在6m间隙距离下的放电起始特征仍具有较大差异，针对这类避雷针，可通过改变间隙距离，实验对比放电起始特征的变化趋势。
2.4 评价指标
       放电起始与发展构成了迎面放电全过程，用于评价不同类型避雷针接闪效能差异的放电特征评价指标可以从放电起始特征参数与放电发展特征参数中选取。本文建议选用放电起始时刻和放电发展平均速度对接闪效能差异进行评估，如表1所示。由于长间隙放电特征具有分散性，因此每组评价指标均通过N次重复实验取统计平均值获得。依据工程经验，当评价指标偏差<10%时，可认为相同长度的实验用避雷针架设在相同高度时的接闪效能差异很小，从而可忽略不计。


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2.5 实验测量方法
       设置传统避雷针为参考组，被测非传统避雷针为检验组，采用升降法分别获得参考组与检验组模拟迎面流注与模拟迎面先导时的50%放电电压，选取其中更高的作为实验外施电压，以保证间隙能够击穿。基于长间隙放电实验的分散性，重复放电实验次数选择30次及以上，对比检验组与参考组的放电特征参数，评估不同类型避雷针的接闪效能差异。
       对于流注放电，考虑到实验室与真实雷电环境下流注发展速度数量级同约为QQ截图20230426104154.png，以该速度形成的流注贯穿时间极短，需要时间分辨率达纳秒级的测量设备(如超高速分幅相机)来获取特征参数。推荐测量方法如下：(1)测量针电极电流，读取电流波形，获得流注起始时刻，波形由零值第1次出现陡增的时刻为流注起始时刻；(2)采用超高速分幅相机拍摄一次流注放电发展过程，选取捕捉到流注起始后的照片作为照片1，读取照片1中流注长度QQ截图20230426104214.png，记录曝光时序QQ截图20230426104223.png，选取流注贯穿间隙前的照片作为照片2，读取照片2中流注长度QQ截图20230426104235.png，记录曝光时序QQ截图20230426104244.png，计算平均发展速度QQ截图20230426104257.png。
       对于先导放电，考虑到先导发展速度较流注低一个数量级，可采用微秒级时间分辨率的测量设备(如高速相机)来获取特征参数。推荐测量方法如下：(1)测量针电极电流，读取电流波形，找到波形由零值陡增后保持连续电流的特征区域，其中由零值陡增的时刻为连续稳定先导起始时刻；(2)采用高速相机拍摄一次先导放电发展过程，选取捕捉到连续稳定先导起始后的照片作为照片1，记录曝光时序QQ截图20230426104223.png，捕捉到间隙击穿的照片作为照片2，记录曝光时序QQ截图20230426104244.png，选取间隙距离为QQ截图20230426104320.png，计算平均发展速度QQ截图20230426104330.png。
       此外，对于端部结构特大型避雷针(曲率半径大于6m实验尺度下的临界半径)，需增加其他间隙距离下的测量结果：(1)在具有高参数Marx发生器的户外大型实验场地，选用6m，8m，10m等不同的间隙距离，开展迎面流注与迎面先导放电实验；(2)采用上述实验测量方法，获得非传统避雷针与传统避雷针在不同间隙距离下的放电起始时刻与放电发展平均速度；(3)若检验组与参考组之间放电起始时刻和平均发展速度的差异随间隙距离的增加而逐渐减小，则判定检验组避雷针不具有更好的接闪效能，否则，结合理论推算至自然雷电环境更长的间隙距离，比较分析这类非传统避雷针与传统避雷针的接闪效能差异。
3 ESE避雷针与传统避雷针的接闪效能差异评价
       ESE避雷针是国外发明的一种典型非传统避雷针，在市场上具有较多的应用案例。本章针对ESE避雷针与传统避雷针进行接闪效能差异的实验检验。将ESE针设置为检验组，同曲率半径的传统避雷针设置为参考组，以获得2种针在2种放电类型下效能评价参数的全面观测结果，并通过参数比较的方法检验ESE针与传统避雷针的接闪效能是否具有差异。
       实验与测量布置如图5所示。实验在国网安徽电科院特高压试验大厅开展，所采用的Marx发生器标称参数为4.8MV/480kJ。实验平台的观测系统主要由分压器、电流测量装置、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录，同时采用电压波形信号对电流测量装置与高速相机进行触发。考虑到长间隙放电电流对模拟信号的强干扰作用，实验的观测信号传输均采用电光/光电转换与信号同步系统，以实现远距离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)可连续拍摄4张图像，曝光时间最低为58ns，空间分辨率为2048×2048像素，用于拍摄流注发展的动态过程。配备镜头(50mm，F1.2)的高速相机，用于先导发展动态过程的连续拍摄，采样率为300000帧/s，曝光时间约为3μs，空间分辨率为256×128像素，该相机解决了高时间分辨率与长记录时间之间的矛盾。示波器在捕捉到电压脉冲后发出信号用于触发电流测量装置与高速相机，测量时序见图6。


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3.1 流注放电特性

       对4m避雷针–板间隙施加1.2/50µs的雷电冲击电压，产生流注贯穿间隙引发的击穿放电。采用升降法分别获得ESE针与传统针的50%放电电压，结果如表2所示(升降法记录的有效放电次数为30次)，可知两者相近。选取2578kV作为外施电压幅值，分别对ESE针与传统针进行重复实验30次。图7为一次非传统针的流注放电图像，统计流注起始时刻与流注平均发展速度的平均值如表2所示。对比ESE针与传统针的流注起始时刻发现，两者相近，相对偏差<10%，即ESE针未起到延迟流注起始的作用；对比放电平均发展速度发现，两者相近，相对偏差<5%，因此可判断ESE针在流注接闪时不能起到引雷增效的作用。
3.2 连续先导放电特性
       对6m避雷针–板间隙施加参数为250/2500μs的操作冲击电压，产生连续先导引起间隙击穿。采用升降法分别获得ESE针与传统针的50%放电电压，结果如表3所示(升降法记录的有效放电次数为30次)。选取1364kV作为外施电压幅值，分别对ESE针与传统针进行重复实验各30次，记录连续先导起始时刻与平均先导发展速度，统计平均值结果如表3所示。对比ESE针与传统针的连续先导起始时刻发现，两者相近，相对偏差为4%；对比放电平均发展速度发现，两者相近，相对偏差<6%，由此可判断ESE针在先导接闪时不能起到宣称的引雷增效作用。
4 结论
1）地面目标物上装设的避雷针依据高度不同具有2种雷击接闪类型：低矮地面目标物上的避雷针常出现迎面流注接闪，高地面目标物上的避雷针常出现迎面先导接闪。不同类型避雷针接闪效能的差异主要体现在对迎面放电过程的影响上，接闪效能差异的比较不需要考虑完整的接闪过程，只需比较迎面放电过程即可。
2）提出了不同类型避雷针雷击接闪效能差异的实验评价方法：采用针–板间隙的放电实验布置，针电极施加正极性高压，板电极接地，对4m及以上间隙施加1.2/50μs标准雷电波模拟迎面流注放电过程，对6m及以上间隙施加250/2500μs标准操作波模拟迎面先导放电过程，对不同类型避雷针开展放电对比实验；采用流注起始时刻和流注发展平均速度作为避雷针流注接闪效能差异评价指标，连续先导起始时刻和连续先导发展平均速度作为避雷针先导接闪效能差异评价指标；给出了评价指标的实验测量方法；基于评价指标，评估不同类型避雷针的接闪效能差异；对于端部特大型(曲率半径大于临界半径)避雷针，通过改变间隙距离，实验对比其与传统避雷针的评价指标变化趋势。
3）ESE针与传统避雷针的对比实验表明：ESE针流注起始时刻，流注放电平均发展速度与传统避雷针基本一致；ESE针连续稳定先导起始时刻，先导放电平均发展速度与传统避雷针基本一致。对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针不具备研发商所称的引雷增效作用。

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

来源：《高电压技术》期刊


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