（一） 項目簡介
目前我國鐵塔、運輸、建筑、通信、電力等領(lǐng)域發(fā)展迅速。但伴隨而來的另一個影響就是我國2017年總雷擊事故次數(shù)高達(dá)4千次，這導(dǎo)致各種火災(zāi)、通信（或交通）、電網(wǎng)系統(tǒng)癱瘓等問題的出現(xiàn)，并帶來了巨大的資源浪費，據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，我國近十年因此損失大約70個億。在雷電儲能技術(shù)尚未實現(xiàn)的大環(huán)境下，對于現(xiàn)代社會而言雷電是一種污染，將給社會造成巨大的人員損失和經(jīng)濟(jì)損失。
目前，雷電所造成的重大事故如電網(wǎng)癱瘓、信號癱瘓、地鐵停運、火災(zāi)、人員傷亡、設(shè)備損壞等一系列不良影響正在持續(xù)上演。以雷電所造成的電網(wǎng)癱瘓事故為例，在電網(wǎng)承受自身不可消納的雷電能量后將導(dǎo)致設(shè)備擊穿、線路漏電、電廠被迫停運等嚴(yán)重后果；以雷電所造成的信號癱瘓事故為例，在信號站或通訊基站遭受雷擊后將出現(xiàn)通訊設(shè)備損壞、一定區(qū)域范圍內(nèi)無信號等多重后果；以雷電所造成的地鐵停運事故為例，近期，上海一地鐵站站外遭雷擊，該站道岔故障，并伴異響、煙霧及火花。事發(fā)時現(xiàn)場無列車通行，無人員受傷，但浦江線全線列車限速運行，發(fā)車班次間隔延長；若當(dāng)時有列車通行可想而知，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)和人身損失；以雷電所造成的火災(zāi)事故為例，據(jù)調(diào)查全球雷電引發(fā)的火災(zāi)每年達(dá)5萬多起,有幾萬公頃森林毀于雷擊起火，全世界因雷電災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失約60億。另外當(dāng)雷擊時，對被擊毀線路的維修和避雷裝置的維護(hù)、更換更需要巨大的成本。
根據(jù)以上分析可知，雷電由于其能量的瞬時集聚性給現(xiàn)代社會造成了破壞性的不良影響，想要消除雷電的影響需從解決消納雷電能量這一問題入手，因此研制一款能夠消納雷電能量的裝置是解決雷電問題的關(guān)鍵。
（二） 研究目的
旨在研制出一款能夠消納雷電能量的裝置，解決上述雷電污染問題。
（三） 研究內(nèi)容
傳統(tǒng)防雷方法是在該區(qū)域內(nèi)安裝接閃器，通過接閃器引雷入地來達(dá)到該區(qū)域內(nèi)的防雷效果；并且若接閃器周圍存在電子設(shè)備或通訊設(shè)備，由于為易產(chǎn)生反擊的薄弱環(huán)節(jié)，均會在前端安裝避雷器以達(dá)到保護(hù)設(shè)備和線路的效果，由于避雷器是通過犧牲自身壽命達(dá)到防反擊的效果因此避雷器具有時效性，需定期更換。本裝置的無耗能泄流技術(shù)是通過對雷電波形及雷電感應(yīng)的研究在雷電入地之前對雷電流進(jìn)行無損無耗消解，代替了避雷器的保護(hù)功能，做到真正意義上的雷電能量的吸收與消納。
首先需對本裝置進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)及參數(shù)的協(xié)調(diào)設(shè)計，通過對電感和間隙連接關(guān)系的調(diào)整以及電感和間隙的具體參數(shù)的調(diào)整對裝置模型進(jìn)行初始化設(shè)計；通過ATP-EMTP仿真軟件建立初始化設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型所對應(yīng)的電氣化模型，將結(jié)構(gòu)模型中的參數(shù)通過電氣化模型的參數(shù)表達(dá)，通過仿真結(jié)果調(diào)整初始化設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)對應(yīng)于最佳結(jié)果的參數(shù)；同時，通過ATP-EMTP仿真軟件模擬線路正常運行狀況下遭受雷擊后的線路電流電壓結(jié)果，通過未接避雷器、接有避雷器、接有本裝置的三條線路仿真結(jié)果的對比驗證了本裝置在雷電能量消納及防雷效果上的優(yōu)勢；并通過實際雷電流沖擊實驗和仿真結(jié)果作對比進(jìn)一步驗證了本產(chǎn)品的優(yōu)勢。
（四） 國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
國內(nèi)：
1、傳統(tǒng)防雷裝置包括避雷針和避雷器。其中避雷針即接閃器，在引導(dǎo)強(qiáng)大的雷電流流入大地時，在接閃瞬間與大地間存在著很高的電壓，該電壓對與大地連接的其他金屬物品發(fā)生放電，此為雷電反擊現(xiàn)象，該現(xiàn)象將導(dǎo)致線路發(fā)生對地短接和設(shè)備損壞。
2、避雷器是通過并聯(lián)在被保護(hù)的設(shè)備附近用以吸收雷電過電壓、操作過電壓等沖擊能量的裝置。作為電網(wǎng)主要的保護(hù)設(shè)備,避雷器對于防治各種過電壓,降低高壓設(shè)備的絕緣等級,提高電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運行水平具有重要意義。然而避雷器安裝復(fù)雜且需要防雷電反擊的位置較多，并且當(dāng)避雷器被一次擊穿后需停電更換，因此這大大提高了安裝難度和安裝成本。
3、目前氧化鋅避雷器以其優(yōu)異的電氣性能逐漸代替其他類型的避雷器，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。避雷器本身是針對能量有限的過電壓狀況而設(shè)計的，避雷器遭受雷擊后，經(jīng)常會由于雷擊產(chǎn)生的過電壓過大，直接導(dǎo)致內(nèi)部氧化鋅電阻片炸裂，或者由于多次雷擊造成的累積效應(yīng)，使避雷器絕緣受到損壞，從而造成絕緣筒爆裂。所以該類避雷器在其使用壽命方面存在極大的劣勢。
4、四川雷盾科技有限公司研制了一種新型避雷裝置,它包括避雷支架、避雷器。所述避雷器包括串聯(lián)的間隙避雷器和第一氧化鋅避雷器、與串聯(lián)的間隙避雷器和第一氧化鋅避雷器并聯(lián)的第二氧化鋅避雷器、以及與該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出端串聯(lián)的第三氧化鋅避雷器。這種避雷器擁有較好的避雷效果但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壽命短的缺點。
5、深圳市中航比特通訊技術(shù)有限公司王贊東，研究了有源等離子防雷裝置，裝置運用電荷中和的原理，通過向大氣空間大體積地發(fā)散有源產(chǎn)生的高濃度等離子體，對雷云底部異極性電荷形成強(qiáng)有效的中和，及時抑制雷電先導(dǎo)的形成和發(fā)展，消除被保護(hù)范圍內(nèi)的雷擊現(xiàn)象，實現(xiàn)非“引雷入地”式防雷。但此種避雷方式存在成本過高、普及存在困難等不足。
6、東莞市華煒雷電防護(hù)設(shè)備有限公司;廣州華煒科技有限公司共同發(fā)明公開了一種自動滅弧的可變放電間隙裝置,包括有腔體、第一電極、第二電極、活動電極、具有導(dǎo)電功能的復(fù)位件。發(fā)明利用帕邢定律,設(shè)計了一種不同于傳統(tǒng)雷電電涌防護(hù)元件的可變放電間隙裝置,該裝置能夠自動滅弧,有效地解決了傳統(tǒng)的電涌防護(hù)元件無法處理的工頻續(xù)流的問題。但此裝置在過電壓等特需情況下極易燒毀，且仍然沒有解決入地電流較大，大地?zé)o法消納瞬時大能量的問題。
7、深圳市ABB銀星避雷器有限公司研發(fā)了一種大通流分頻分流型脫離器，此種大通流分頻分流型脫離器，上、下分流球放電面相對而隔離形成放電間隙,是一種能滿足超高壓系統(tǒng)應(yīng)用、既能可靠耐受超高壓系統(tǒng)的操作過電流而幾乎無電極燒蝕、不損壞或誤脫離，又可以在很小的工頻電流下迅速可靠動作的大通流分頻分流型脫離器，可實現(xiàn)超高壓避雷器的可靠免維護(hù)運行。但是此裝置沒有解決雷電流消納的本質(zhì)問題，該裝置只是在雷電能量超過避雷器等級時開通一條并聯(lián)通道短接避雷器以達(dá)到保護(hù)避雷器的目的，卻沒有考慮雷電無法被大地消納的問題，保護(hù)避雷器的同時損害了電網(wǎng)線路的安全。
國外：
1、日本新研發(fā)了一種保護(hù)間隙。叫做續(xù)流截斷(follow current intemption)電弧間隙，也稱之為“ACTIVE HORE”。這種間隙由終端裝置、傘棱、接線端子、 頂蓋及其他附件組成。終端裝置里面有直線間隙，具有預(yù)防輸電線路被閃擊的功能，同時可預(yù)防飛鳥及其他情況引起的電氣故障。該間隙的原理是，當(dāng)發(fā)生雷電閃擊時，故障電流通過間隙時，引起溫度上升、壓力增高，產(chǎn)生氣體抑制電弧的發(fā)展，電弧噴出，形成故障暫態(tài)或續(xù)流，輸電線路恢復(fù)正常狀態(tài)。該避雷器與傳統(tǒng)避雷器比較價格便宜且易于安裝，目前已大量使用。但是，該避雷器同樣不能解決雷電能量消納的問題，只是在發(fā)生過電壓時新增一條通路給雷電流通過。
2、英國，由Vyco公司開發(fā)了系列多柱(四柱)并聯(lián)的避雷器。此種系列并聯(lián)避雷器具有一系列通常單柱或多柱所不具有的電氣和機(jī)械性能，其獨特的幾何一體化結(jié)構(gòu)帶來的均壓作用，不需要像平常的避雷器那樣專門考慮用均壓環(huán)來調(diào)整電位分布。
（五） 創(chuàng)新點與項目特色
1、防止雷電反擊可降低雷擊跳閘率90%，可避免鐵塔、運輸、電力等系統(tǒng)因雷擊癱瘓而造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，這些都將轉(zhuǎn)變成對社會資源的損耗。
2、基于無能耗泄流技術(shù)的雷電污染防治裝置可在裝置內(nèi)形成自耗能回路，可對雷電流進(jìn)行消納，壽命長不需要消耗能源即可實現(xiàn)雷電流的自行消納。
3、采用純物理型整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)精簡。使得裝置制造周期短、制造成本低且易于安裝與維護(hù)。可節(jié)約制造成本從而減少能耗。
4、等同防御的實現(xiàn)：在避雷裝置前端即實現(xiàn)了雷電流的消耗，即裝在同桿雙回運行的線路上可以對輸電線路進(jìn)行保護(hù)。但普通避雷裝置需要在每一個容易產(chǎn)生反擊的位置均安上避雷器，否則對未安裝有避雷器的位置沒有保護(hù)作用。這將大量節(jié)約成本。
5、裝置可帶點安裝，無需像傳統(tǒng)避雷器那樣連接在電網(wǎng)導(dǎo)線與地線之間。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果
技術(shù)路線：
團(tuán)隊創(chuàng)造性的提出了前端泄流的構(gòu)想，研究電感電容無耗能回路泄流原理的合理性和考慮裝置簡便性與耐用性而選取的純物理型結(jié)構(gòu)設(shè)計。實現(xiàn)無耗能消納雷電流能量，避免了雷電反擊等弊端——無老化、使用壽命長、免維修、適用性強(qiáng)、易安裝
擬解決的問題：
1、解決三相反擊的問題。傳統(tǒng)防雷裝置可在雷擊時可抵御直擊雷，但會在輸電線路發(fā)生三相反擊，產(chǎn)生電弧。目前，僅在外觀和結(jié)構(gòu)上作出改變，不能解決反擊問題；
2、解決跨步電壓的問題。避雷針和避雷器組合能夠保護(hù)周邊線路及設(shè)備，但入地后無法消納的大電流會產(chǎn)生較大跨步電壓，威脅著人身安全；
3、解決安裝難度和安裝成本的問題。傳統(tǒng)防雷裝置安裝復(fù)雜且需要防雷電反擊的位置較多，并且容易被擊穿常需停電更換，大大增加安裝難度和安裝成本。
4、解決需停電更換的難題。傳統(tǒng)防雷裝置需要停電更換，會造成各種各樣的不良影響。
5、解決抵御雷擊效果不好的問題。傳統(tǒng)防雷裝置抵御雷擊效果不好，經(jīng)常發(fā)生雷擊森林火災(zāi)、雷擊傷人致死、雷擊毀壞通信、交通等系統(tǒng)設(shè)施。
6、解決雷擊次數(shù)統(tǒng)計的問題。傳統(tǒng)防雷裝置無法對累計次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。
7、解決雷電能量儲存的問題，實現(xiàn)對雷電能量的再利用。
（七） 項目研究進(jìn)度安排
1、2019.10月前加速產(chǎn)品系列的開發(fā)——軍用型、民用型、商用型、出口型、深林防火型
2、2019.12月前完成雷擊計數(shù)器與裝置本體融合的設(shè)計
3、2020.4月對雷電能量的儲存技術(shù)有初步的思路與成果
（八） 已有基礎(chǔ)
與本項目有關(guān)的研究積累和已取得的成績
1、首創(chuàng)自耗能回路設(shè)計，創(chuàng)建了新的防雷方法，是防雷行業(yè)的一大變革，也為雷電儲能提供了新的思路；
2、在裝置上消耗雷電流能量，沒有了雷電反擊，避免了雷電流在入地過程中對周圍線路和電子設(shè)備造成的嚴(yán)重?fù)p害；
3、在實際運用中能降低雷擊導(dǎo)致的事故90%以上，有效減少了因雷擊而造成的對人們生產(chǎn)生活的巨大損失與不便；
4、可替代傳統(tǒng)避雷器的作用，無需安裝在線路上，可直接安裝在桿塔上，易安裝易維護(hù)。無需像傳統(tǒng)避雷器一樣停電安裝、不影響電力、等系統(tǒng)正常工作。為社會節(jié)約大量了人力物力，對我國節(jié)能減排事業(yè)具有十分重要的現(xiàn)實意義；
5、設(shè)計了純物理型整體結(jié)構(gòu)，能一直保持最佳的防雷效果，不因雷擊次數(shù)和雷擊等級而損壞，免于檢修和更換，降低了能耗，節(jié)約成本；
6、實現(xiàn)了防雷裝置的可帶電安裝；
7、已申請發(fā)明專利4項，待申請發(fā)明專利1項；已申請實用新型專利4項，待申請實用新型專利1項；已授權(quán)實用新型專利3項，待申請外觀設(shè)計專利1項。
 
圖1 專利證書 圖2 裝置實物圖
已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
已具備的條件：
1 理論設(shè)計
基于無能耗泄流技術(shù)的雷電污染防治裝置由電感和球形間隙并聯(lián)而成。雷擊時，雷電流變化斜率極大，感應(yīng)電壓 可達(dá)幾百兆伏，感應(yīng)電壓達(dá)到球形間隙擊穿電壓時，球形間隙被擊穿，產(chǎn)生電弧放電。雷電流能量通過電弧放電釋放，消納雷電流能量，使入地的輸出電流極小。
圖3 裝置結(jié)構(gòu)圖
2 裝置本體仿真
2.1仿真原理及模型
新型防雷裝置采用電感、間隙雙支路的模式。雷電流在自耗能電路的電感和間隙之間形成感應(yīng)電流回路、電感與電容間隙并聯(lián)；當(dāng)雷電流從接閃器引流，首先進(jìn)入電感支路，暫時未達(dá)到電容間隙擊穿電壓，由于電感的延遲作用和其兩端電壓，當(dāng)U達(dá)到間隙擊穿電壓擊穿電容間隙發(fā)生電弧放電，能夠大量消耗雷電流能量；此時電感電流與間隙電流大小相等，方向相反。一旦間隙被擊穿，就會持續(xù)放電，循環(huán)往復(fù)，雷電流能量逐漸被消納，輸出電流極小。
圖4 仿真電路圖
2.2仿真結(jié)果
裝置的脈沖電流仿真結(jié)果如下圖所示：電容間隙支路電流與電感支路電流大小相等，方向相反，形成回路。設(shè)置雷電流大小為50kA，其中輸出電流（入地電流）為0.063A。
 
圖5 雷電流波形圖 圖6 輸出電流波形圖
圖7 雷電流進(jìn)入自耗能回路后兩支路電流波形圖
3 應(yīng)用線路仿真
3.1 35kV線路模型
1）雷擊模型
雷擊是一個真實的電流源，雷電電流模型用Heidler電流模型模擬，雷電流幅值取-10kA，波頭時間2.6μs，波尾時間50μs，雷電通道浪涌阻抗模型為300Ω。
2）桿塔模型
仿真中采用分段傳輸線模型。我國規(guī)程推薦的桿塔波阻抗為 125 Ω，桿塔電感 0.42 μH/m，相應(yīng)的波速為 255 m/μs。接地電阻均為 30 Ω 以上。
3）輸電線路模型
根據(jù)線路參數(shù)，利用 ATP-EMTP 中 LCC 模塊建立與頻率相關(guān)的 J.marti 模型，將輸電線路看作三相導(dǎo)線不換位系統(tǒng)來處理。線路終端以 35 kV 電壓源模擬線路工頻電壓。
4）仿真模型如圖表8和圖表9所示，雷擊6號桿塔。
圖8 無雷擊保護(hù)裝置線路圖
圖9 加裝有本裝置的線路圖
3.2 仿真結(jié)果
從仿真結(jié)果可以看出，加本裝置后輸出電流數(shù)量級變?yōu)?span style="font-family: Times New Roman;">10-18，幾乎為零。
 
圖10 無雷擊保護(hù)裝置雷擊后的桿塔電流 圖11 加裝有本裝置雷擊后的桿塔電流
4 實驗分析
本裝置于2018年5月在湖南省防災(zāi)減災(zāi)中心進(jìn)行雷電沖擊測試，效果良好。
本裝置小模型于2019年4月8日在湖南省長沙市雨花區(qū)科比特集團(tuán)進(jìn)行了脈沖電流實驗。
  
圖12 試驗場地
4.1實際實驗
4.1.1實驗?zāi)康?/span>
脈沖電流加在接閃器上，通過調(diào)整球形間隙距離或者脈沖電流的頻率幅值，使入地電流減小來驗證該裝置防雷的有效性。
4.1.2實驗?zāi)Ｐ?/span>
圖13 實驗?zāi)Ｐ?/span>
4.1.3 實驗波形
 
圖14 所設(shè)置的脈沖電流波形 圖15 輸出電流波形
4.1.4 實驗結(jié)論
從實驗結(jié)果可以看出，雷電流幅值從26.25kA降到1.68kA，防雷效果良好。
尚缺少的條件：
1、實驗?zāi)＞叩亩ㄖ票容^昂貴，定制一個需花費1800元。在前期摸索中我們需要進(jìn)行多次雷擊實驗來挑選裝置最合適的材料、以及測定相關(guān)電氣性能。因此模具經(jīng)常被擊毀，導(dǎo)致團(tuán)隊經(jīng)費嚴(yán)重不足。
2、尚未進(jìn)行實地實驗，因為團(tuán)隊成員都是本科生無法負(fù)擔(dān)路費及相關(guān)實驗費用。尤其是后期雷擊效果和雷擊次數(shù)統(tǒng)計效果的驗證需要實地實驗
3、后期雷電儲能技術(shù)的研發(fā)需要調(diào)用大量的人力物力進(jìn)行研發(fā)。
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