CN107565538B

CN107565538B - 一种雷电多脉冲防护装置

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Publication number: CN107565538B
Application number: CN201710940526.1A
Authority: CN
Inventors: 刘昆; 夏晴
Original assignee: Chengdu University of Information Technology; Tibet University
Current assignee: Chengdu University of Information Technology; Tibet University
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: CN107565538A

Abstract

本发明涉及一种雷电多脉冲防护装置，包括金属板、第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和第三继电器开关K3，第一继电器开关K1的一电源端和第二继电器开关K2的一电源端相连在节点E,且节点E和金属板的一端连接，第一继电器开关K1的另一电源端连接触点A，第二继电器开关K2的另一电源端连接触点B，第三继电器开关K3的一电源端连接所述金属板的另一端，第三继电器开关K3的另一电源端连接触点C，第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和第三继电器开关K3的线圈端均作为信号端连接信号监测装置的输出信号端。该装置当接收到预警信号时，防护装置中的开关动作，使其在继后回击出现之前将后端负载与外界电源切断，从而达到防护继后回击所产生的多脉冲的目的。

Description

一种雷电多脉冲防护装置

技术领域

本发明涉及雷电防护领域，具体涉及一种雷电多脉冲防护装置。

背景技术

目前，就国内外雷电防护产品的总体现状而言，广范应用的浪涌保护器(SPD)等防雷产品都是建立在单脉冲雷电认识基础之上，IEC也将电涌保护器性能检测实验波形定义为8/20μs和10/350μs等波形。全球雷电高压实验室均按照IEC61643-2011对SPD采用单一波形进行测试。因此，当前的SPD从开始的设计上都是针对单个浪涌电流脉冲的保护而设计的，其对于单脉冲情况可以获得良好的保护效果，但是并未对多脉冲情况给予充分考虑，从而导致当前的SPD在多脉冲的防护上亟待改善。

目前国内外统计观测结果表明，70％以上的云-地闪电有多次回击，平均在4次左右，第一次回击称为首次回击，后续其他回击统称为继后回击，对多脉冲的防护，这类SPD则难以达到与单脉冲同样的预期效果。当前由于云-地闪电继后回击带来的多脉冲防护问题已经受到国内外学者以及行业专家越来越多的关注和重视。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种雷电多脉冲防护装置，当接收到预警信号时，该装置中的开关动作，使其在继后回击出现之前将后端负载与外界电源切断，使其产生的脉冲电流无法通过电源线到达设备端，对后端设备产生威胁或损坏，从而达到防护继后回击所产生的多脉冲的目的。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种雷电多脉冲防护装置，包括金属板、第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和第三继电器开关K3，所述第一继电器开关K1的一电源端和第二继电器开关K2的一电源端相连在节点E,且节点E和所述金属板的一端连接，所述第一继电器开关K1的另一电源端连接触点A，所述触点A作为电源端连接外界供电电源，所述第二继电器开关K2的另一电源端连接触点B，所述触点B作为负载端连接后端负载，所述第三继电器开关K3的一电源端连接所述金属板的另一端，所述第三继电器开关K3的另一电源端连接触点C，所述触点C作为地端连接接地装置，所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2的线圈端均连接信号监测装置的同一输出信号端D1，所述第三继电器开关K3的线圈端连接信号监测装置的另一输出信号端D2。

本发明的有益效果是：本装置通过信号端获取信号监测装置输出的预警信号，在继后回击来临之前，使其第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和第三继电器开关K3动作将电源与电子电气设备切断，使得继后回击的浪涌电流无法进入后端负载，从而达到防护多脉冲袭击的目的，有效提高保护设备的可靠性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2均为常闭开关，所述第三继电器开关K3为常开开关，当信号监测装置输出预警信号时，所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2比第三继电器开关K3先动作且动作提前时间小于1ms；当信号监测装置停止输出预警信号时，所述第三继电器开关K3比第一继电器开关K1和第二继电器开关K2先动作且动作提前时间小于1ms。

采用上述进一步方案的有益效果是：使得市电供电电源端不会出现接地而导致跳闸。

进一步，所述触点A与所述金属板间的气隙击穿电压小于第一继电器开关K1的气隙击穿电压。

采用上述进一步方案的有益效果是：当继后回击的浪涌电流未通过之前线路中的接地器件或防护装置顺利泄流而导致该电流到达触点A时，此时触点A由于浪涌电流的到达而出现高电压，当该高电压达到一定阈值时，会将第一继电器开关K1和触点A与金属板之间的气隙击穿放电，而如果该处触点A与金属板间的气隙击穿电压阈值小于第一继电器开关K1的击穿阈值，则该浪涌电流可通过优先击穿触点A与金属板之间的气隙进行放电泄流，而不会击穿第一继电器开关K1而导致开关K1降低使用寿命或损坏。

进一步，所述信号监测装置包括信号处理及预警模块，以及和所述信号处理及预警模块均连接的磁天线和监测避雷针电流的感应线圈。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以实时监测附近闪电的发生发展情况，当该监测设备的附近出现下行梯级先导，同时在避雷针上出现上行先导，而这两种现象所产生的磁场脉冲和电流脉冲被磁天线和监测电流的感应线圈捕捉并被后端信号处理及预警模块监测到时(此时距离首次回击产生的浪涌电流出现约有几十到上百微秒，距离继后回击的第一次浪涌电流出现约有20-100ms左右)，立即发送预警信号给雷电多脉冲防护装置，其内部开关动作时间为小于10ms，因此其完全可以在继后回击的第一次浪涌电流出现之前将后端设备与市电电源线切断，使得该浪涌电流无法对后端设备形成威胁或损坏。

附图说明

图1为本发明下行负地闪示意图；

图2为本发明原理图；

图3为本发明接线示意图；

图4为本发明监测上行先导电流脉冲波型示例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

闪电分为云内闪电和云地闪电，而对人类地面电力电子设备构成直接威胁的通常为云地闪电，云地闪又分为下行负地闪、下行正地闪、上行负地闪和上行正地闪四种类型。通常情况下的云对地放电过程都是将云内负电荷输送到地面的负极性放电(即下行负地闪)，正地闪过程相对较少出现。对于低于100m的这类地面物体通常忽略上行闪电，认为只遭受下行闪电的袭击。

因此，本发明以下行负地闪与地物作用过程为例进行阐述。如图1所示，实验研究表明产生于云内体分布电荷的下行闪电以称之为梯级先导的梯级发展形式由云内向地面传播。随着梯级先导接近地面，地面电场也随之稳定增大，位于该背景电场中的地物尖端电场会由于电场的增强而数次达到由梯级先导产生的背景电场强度的数十倍。当地物尖端电场达到约3.0×10⁶V/m的临界值时，其尖端将开始出现电子雪崩。随着背景电场的持续增大，尖端的本地电场也随之增大，导致电子雪崩头部的带电粒子数进一步增加。当粒子数达到约10⁸到10⁹时，电子雪崩将转化为流光放电。如果流光里的电荷量超过约1μC，则流光通道将会被加热导致先导形成。这个过程称之为流光到先导的转变，这种由梯级先导形成的活跃电场激发而形成的先导，称之为连接先导。一旦上述过程开始，连接先导便开始向着下行梯级先导发展。连接先导的发展取决于尖端上产生的流光，与每个流光产生的相关联电荷依赖于背景电场和连接先导通道的电位梯度。对于正先导而言，该值大约等于40-60μC/m。无论是下行梯级先导还是上行连接先导的发展都依赖于流光爆发来产生足够的电荷加热部分先导。当正先导与负先导接近时，两个先导头部之间的平均电位梯度持续增大，当其达到500kV/m时，最后连接所需条件都满足时，则最后连接也即刻发生，这一条件称为最后一跳的条件。一旦连接完成，梯级先导电荷的瞬时中和将导致首次回击的发生。而该首次回击产生的电流正是我们传统SPD的预防对象。当首次回击停止后，放电过程如果停止，则称为单闪击地闪。如果在较短的时间内通道顶部重新产生足够的电荷，则可发生以箭式(也称直窜)先导或箭式—梯级先导引导的继后回击。本发明中的雷电多脉冲防护装置即是针对该继后回击的防护。

如图2所示，本发明针对现有SPD都是针对单个浪涌电流脉冲进行保护，未对多脉冲情况给予充分考虑，不能解决多脉冲防护的问题，提供了一种雷电多脉冲防护装置，包括金属板、第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和第三继电器开关K3，所述第一继电器开关K1的一电源端和第二继电器开关K2的一电源端相连在节点E,且节点E和所述金属板的一端连接，所述第一继电器开关K1的另一电源端连接触点A，所述触点A作为电源端连接外界供电电源，所述第二继电器开关K2的另一电源端连接触点B，所述触点B作为负载端连接后端负载，所述第三继电器开关K3的一电源端连接所述金属板的另一端，所述第三继电器开关K3的另一电源端连接触点C，所述触点C作为地端连接接地装置，所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2的线圈端均连接信号监测装置的同一输出信号端D1，所述第三继电器开关K3的线圈端连接信号监测装置的另一输出信号端D2。所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2均为常闭开关，所述第三继电器开关K3为常开开关，当信号监测装置输出预警信号时，第一继电器开关K1和第二继电器开关K2应比第三继电器开关K3先动作，即D1点应比D2点提前显示高电平预警信号，D1点比D2点提前获取高电平的时间小于1ms；当信号监测装置停止输出预警信号时，第一继电器开关K1和第二继电器开关K2应比第三继电器开关K3后动作，当D1和D2点的高电平预警信号解除时，D2点应比D1点提前显示低电平信号，D2点比D1点提前获取低电平信号的时间同样小于1ms。

所述信号监测装置包括信号处理及预警模块，以及和所述信号处理及预警模块均连接的磁天线和监测避雷针电流的感应线圈。信号处理及预警模块针对上行连接先导产生的雷电流及磁天线采集的下行梯级先导产生磁场脉冲进行滤波去噪处理；当感应线圈(或同轴分流器)和磁天线同时满足相关条件时(感应线圈或同轴分流器获取的信号判断条件：①雷电流脉冲信号半峰值宽度是否为1-50微秒？②雷电流脉冲信号频谱能量是否集中分布于0～300KHz，且频谱特征表现为随着频率上升能量递减？③脉冲间隔宽度是否是小于300微秒？④是否连续两次及以上出现满足上述条件①、②、③的雷电流脉冲信号？磁天线获取的信号判断条件：①磁场脉冲信号的时宽是否小于1微秒？②是否连续两次以上出现满足上述条件A的雷电流脉冲信号？)，信号监测装置发出预警信号给雷电多脉冲防护装置，在继后回击来临之前，使其第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和第三继电器开关K3动作将电源与电子电气设备切断，使得继后回击的浪涌电流无法进入后端负载，从而达到防护多脉冲袭击的目的，从而有效提高保护设备的可靠性。

正常工作即无雷电袭击危险时，为图中状态①，即第一继电器开关K1和第二继电器开关K2处于常闭状态，而第三继电器开关K3处于常开状态，D1和D2点处于无预警信号的低电平状态，对负载设备正常供电；当D1和D2点从“信号处理及预警模块”接收到预警高电平预警信号，即将出现雷电袭击风险时，则切换为图中状态②，即第一继电器开关K1和第二继电器开关K2处于断开状态，而第三继电器开关K3处于闭合状态，D1和D2点处于有预警信号的高电平状态，这里要求触点A与中间金属板间的气隙击穿电压应小于第一继电器开关K1的气隙击穿电压(击穿电压值大小的设定取决于该开关处于第几级雷电防护区域)，当处于该种状态下，即便是由于继后回击的电流通过电源线到达A点，导致过高电压，也会优先将金属板与触点A之间的空气击穿，浪涌电流的能量通过C泄流，进入大地，而不会对与B点连接的负载设备产生威胁和损害。D1和D2点的高电平预警信号在1-2s后解除，此时开关由状态②恢复至状态①。

此外，本雷电多脉冲防护装置在状态①转换至状态②时，第一继电器开关K1和第二继电器开关K2应比第三继电器开关K3先动作，即D1点应比D2点提前显示高电平预警信号，否则会引起市电供电电源接地跳闸，D1点比D2点提前获取高电平的时间小于1ms；当D1和D2点的高电平预警信号解除时，D2点应比D1点提前显示低电平信号，否则也会引起市电供电电源接地跳闸，D2点比D1点提前获取低电平信号的时间同样小于1ms。

如图3所示，本发明与SPD联合使用的接线示意图，其中线路A、B和C与图2中的触点A、B和C连接，图3中的D(包含图2中的D1和D2)连接前端的信号处理及预警模块，用于接收雷电袭击预警信号。SPD安装在雷电防护开关的前面，当闪电首次回击出现时，SPD将首次回击的能量泄流。

由已有的相关观测资料可知，闪电的首次回击与第一次继后回击之间的脉冲间隔时间通常为100ms左右，最短在20ms左右，与此同时，一般开关的动作时间可以在20ms以内，甚至小于10ms。因此，为提高保护效果，本发明的开关动作时间设计为小于7ms，由此，可以保证在继后回击来临之前，雷电多脉冲防护装置动作，将电源与后端负载设备切断，使得继后回击的浪涌电流无法进入后端设备，从而达到防护多脉冲袭击的目的。

本发明的工作原理为：当闪电回击发生前，地面物体的尖端上会出现放电现象最终形成上行连接先导，而这一过程通过地面物体上的电流变化监测到，当信号处理及预警模块监测到如图4所示的电流脉冲时，则认为闪电将在不到1ms的时间内发生，并将该预警信号发送给雷电多脉冲防护装置，即图2中的D1先于D21ms处于预警高电平，即第一继电器开关K1和第二继电器开关K2先断开，然后第三继电器开关K3合闸，总动作时间小于10ms，最佳为小于7ms，此时，闪电的首次回击已经结束，由图3种的SPD将其泄流，后续即将出现的是继后回击所引发的浪涌电流，但此刻雷电多脉冲防护装置已动作完成，即已将后端负载设备与外界供电电源切断，使得该浪涌电流无法对后端设备形成威胁和损坏。与此同时，如果继后回击的浪涌电流未通过之前线路中的接地器件或防护装置顺利泄流而导致该电流到达图2中触点A时，此时触点A由于浪涌电流的到达而随之出现高电压，当该高电压达到一定阈值时，会将第一继电器开关K1和触点A与金属板之间的气隙击穿放电，而如果该处触点A与金属板间的气隙击穿电压阈值小于第一继电器开关K1的击穿阈值，则该浪涌电流可通过优先击穿触点A与金属般之间的气隙进行放电泄流，而不会击穿第一继电器开关K1而导致其损坏或降低其使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种雷电多脉冲防护装置，其特征在于，包括金属板、第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和第三继电器开关K3，所述第一继电器开关K1的一电源端和第二继电器开关K2的一电源端相连在节点E,且节点E和所述金属板的一端连接，所述第一继电器开关K1的另一电源端连接触点A，所述触点A作为电源端连接外界供电电源，所述第二继电器开关K2的另一电源端连接触点B，所述触点B作为负载端连接后端负载，所述第三继电器开关K3的一电源端连接所述金属板的另一端，所述第三继电器开关K3的另一电源端连接触点C，所述触点C作为地端连接接地装置，所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2的线圈端均连接信号监测装置的同一输出信号端D1，所述第三继电器开关K3的线圈端连接信号监测装置的另一输出信号端D2。

2.根据权利要求1所述的雷电多脉冲防护装置，其特征在于，所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2均为常闭开关，所述第三继电器开关K3为常开开关，当信号监测装置输出预警信号时，所述第一继电器开关K1和第二继电器开关K2比第三继电器开关K3先动作且动作提前时间小于1ms；当信号监测装置停止输出预警信号时，所述第三继电器开关K3比第一继电器开关K1和第二继电器开关K2先动作且动作提前时间小于1ms。

3.根据权利要求1所述的雷电多脉冲防护装置，其特征在于，所述触点A与所述金属板间的气隙击穿电压小于第一继电器开关K1的气隙击穿电压。

4.根据权利要求1所述的雷电多脉冲防护装置，其特征在于，所述信号监测装置包括信号处理及预警模块，以及和所述信号处理及预警模块均连接的磁天线和监测避雷针电流的感应线圈。