Limitations of Lightning Rods in Preventing Direct Lightning Strikes

Since ancient times,lightning disasters have undoubtedly been an unstoppable threat to humanity.During thunderstorms,lightning often damages objects on the ground,such as buildings and structures.Since Franklin invented the lightning rod in 1752,lightning rods have been used worldwide to prevent direct lightning strikes in various fields such as high-voltage power transmission lines,outdoor chemical sites,highways,land and sea wind farms,and forest lightning fire protection.It has been proven that lightning accidents still occur frequently in places where lightning rods are installed and the protective angle method is used.In order to further study the protective effect of lightning rods and identify the shortcomings of lightning rod protection,negative lightning strikes are taken as the research object,to analyze the limitations of lightning rods in preventing direct lightning strikes from the working principle of lightning rods.

Three Core Technical Systems and Engineering Application of Regional Lightning Protection

Regional lightning protection is a complete theoretical system,mainly including:lightning interception technology(LIPT),lightning strong electromagnetic pulse high-energy absorption technology(MSPD),and regional lightning activity law analysis technology(RLLA).Lightning interception technology uses dispersive waveguide resonant cavity technology to achieve the functions of 46.55 m longer than upward leader of ordinary lightning rod,significantly reducing lightning strike point current by 40%,optimizing space electromagnetic field environment,and effectively intercepting overhead and side lightning strikes,and overcome the limitations of traditional lightning rod.The lightning strong electromagnetic pulse high-energy absorption technology uses distributed parameter balance technology,special disconnector for short circuit current,and parity pairing technology to achieve stronger surge absorption capacity than traditional single pulse SPD and international advanced technical indicators such as timely breaking under power frequency short circuit current,and good energy and time coordination.The analysis technology of regional lightning activity laws accurately identifies lightning strike points through comprehensive analysis of regional lightning activity laws,physical parameters of ion clouds,and the impact on ground electric fields.The three core technology systems complement each other,achieving all-round protection against direct lightning strike and lightning electromagnetic pulse.Several projects achieved zero lightning damage,effectively ensuring the safety of buildings and electronic and electrical equipment in the protected area.

用滚球法确定避雷针保护范围的几个问题商榷

针对滚球法仅用半径为h_(r)的圆弧确定高度为h的避雷针的保护范围,存在单支h的保护范围横向偏宽纵向偏窄、保护范围不确定性、仅适用于h≤h_(r)、采用大小不等的h_(r)确定两支h之间的保护范围等问题,文章根据滚球的雷击能力及h的保护能力,分析滚球法的单支h及两支h的保护范围所存在的问题,提出用h_(r)与h的保护能力共同确定保护范围的改进方法。结果表明,滚球法的单支h的保护范围横向偏宽超出了h的保护能力,纵向偏窄压小了保护范围;采用大的h_(r)确定的两支h之间的保护范围偏宽,而采用小的h_(r)则压低了被保护物的高度,不合理。改进后,上述问题得到了解决,滚球法可适用于任意高度的h,单支h及两支h之间的保护范围均在h的保护能力之内,保护范围合理。

基于混合因果逻辑的化工园区雷击储罐风险评估

沿海化工园区的雷击事故时有发生,对园区生产安全构成严重威胁。为评估化工园区雷击储罐引发的Natech事故,提出一种基于混合因果逻辑(HCL)的风险评估方法。首先,采用事件序列图(ESD)和故障树分析法(FTA),定性分析雷击储罐导致Natech事故的演化路径,为阻断事故传递过程提供可视化基础;其次,采用贝叶斯网络(BN)定量解算人因失误概率,评估雷击储罐事故的混合因果关系;最后,采用混合因果逻辑方法,实现可视化解构雷击储罐Natech事故的复杂性和不确定性。研究结果表明:决策失误是人因失误模型的首要风险源;组织氛围、心理状态、工作环境不佳及监管不力是导致人因失误频繁的主要因素;防雷设施有效性缺失是雷击储罐事故链的诱因;降低风险场景的严重性需要重点加强对全液面火灾和池火灾的管控。

考虑暂态过电压特性的架空输电线路雷击故障时空预警方法

针对运行环境复杂多变,故障率持续居高不下,雷击故障占比较大,并具有随机性与无法预知性的问题,提出考虑暂态过电压特性的架空输电线路雷击故障时空预警方法。深入解析雷击机理与雷电流,确定雷击(感应雷与直击雷)输电线路暂态过电压计算方式,通过小波多分辨率分解算法处理输电线路暂态信号,评估暂态过电压在信号频段中的能量比,识别累计故障,判断雷击点与故障点是否一致,利用单端检测确定雷击点的位置,完成架空输电线路雷击故障的时空预警。实验数据显示,在不同实验组别背景下,当阈值pΔ取值为9.3时,雷击故障识别精度达到最大值92%,雷击点定位精度高达80%。可以获得精准的雷击故障识别结果与雷击点定位结果,充分证实了提出方法具备较好的雷击故障时空预警效果。

Review of the Lightning Shielding Against Direct Lightning Strokes Based on Laboratory Long Air Gap Discharges

长间隙放电是研究地面物体雷电屏蔽问题的最有效手段之一。首先介绍了国内外在雷电击距、直击雷防护措施的屏蔽性能试验和雷电迎面先导过程研究3个方面所取得的进展，并结合最新开展的长达6m问隙尺度的放电试验观测，对现阶段上述3个方面研究所存在的问题进行了分析。认为基于雷电击距建立的电气几何模型（electricgeometrymodel，EGM）仅适用于小尺度目标物的雷电屏蔽性能分析，现有的雷电屏蔽模拟试验方法仅能近似模拟不存在雷电迎面先导时的雷击过程，无法完全证明以提前流注发射模型装置为代表的非传统防雷装置具有比传统措施更优越的屏蔽性能。大尺度目标物的雷电屏蔽问题应聚焦于雷电迎面先导过程的研究，建立并完善雷电迎面先导过程的模拟试验方法和物理仿真模型。

考虑雷击与浪涌的气象观测数据质量控制方法

针对气象观测中的异常数据检测和校正效率较低的问题,文中基于BP神经网络提出了一套具有误差修正功能的数据质量控制方法。该方法研究了气象观测传感器的理论及布局,分析了异常数据的来源、分类、检测方法。并在此基础上,通过引入BP神经网络的模型及滑动窗口实现了多种气象异常数据的插值与拟合,从而建立了计及雷击、浪涌现象的气象观测数据修正模型。仿真结果表明,与经典的气象数据质控方法相比,基于BP神经网络的数据质控方法具有更高的数据准确度,且修正效率可达80%以上。

雷击故障下的分布式故障监测装置定位精度测试方法

分布式故障监测装置广泛应用于输电线路的故障定位领域,而产品质量参差不齐,部分厂家仅通过行波电流或者工频电流的变化进行故障定位,定位精度存在较大问题。为此,该文提出了一种兼顾行波电流和工频电流模态变化的测试方法。首先,开展了行波电流和工频电流波形的时序逻辑设计,并提出了精度测试的方法。然后,基于仿真和试验方法,对电流探头进行了选型设计。最后,研制了分布式故障监测装置测试系统,并完成了测试精度的影响因素研究。研究结果表明:测试过程中,雷击故障过渡时长小于1个周波,基本实现雷击故障波形时序的复现;电流探头A621和TRCP3000可配合进行测试,基本满足10~1000A行波电流测量的要求;两路雷电流波前时间差范围为1~100μs,实现了故障点位置的随机设定;db1测试精度优于db4,db4小波系数的鲁棒性优于db1,当信噪比大于20dB时,即可满足测试标准的要求。该研究结果可为分布式故障监测装置雷击故障下的定位精度改善提供技术支撑。

连续雷电冲击下杆塔导电混凝土基础的热效应分析

导电混凝土做输电线路杆塔基础接地已在国内多个工程中得到试点应用。但其连续雷电冲击作用下杆塔导电混凝土基础的温升特性目前尚需理论分析与试验研究。为此,考虑连续雷电冲击下土壤电离的火花效应及其累积效应,建立杆塔导电混凝土基础散流的ATP-EMTP仿真模型,计算导电混凝土的杆塔基础在受到连续雷电流冲击作用时的热稳定情况,为工程实际提供理论参考。结果表明:在雷电冲击下,导电混凝土基础的热效应改变了周围土壤的盐碱度和含水量,提高周围土壤的电阻率,使得接地电阻相较于雷击前提高了6.56%;当连续雷电冲击次数n≤2时,导电混凝土基础上产生的温升Δt=287.06<300℃,此时杆塔导电混凝土基础是安全稳定的。当n≥3时,Δt>300℃,导电混凝土基础的结构存在被破坏的可能,有可能给电力系统稳定运行带来安全风险。因此,在工程实际中采用导电混凝土基础作为杆塔接地装置,应当尽可能减小导电混凝土基础周围土壤的电阻率,增强其散流散热能力。

多重雷击下线路避雷器氧化锌阀片的劣化特性试验

多重雷击会加速劣化氧化锌阀片,造成阀片的电、热性能急剧下降,不同多重雷击参数下氧化锌阀片的破坏具有显著差异性。为此,开展了不同多重雷击参数对氧化锌阀片劣化特性的研究:首先,搭建了多重雷击试验研究平台,对阀片进行了单重1.0倍额定电流、单重1.5倍额定电流、4重1.0倍额定电流、单重1.5倍额定电流和12重1.0倍额定电流的5种工况冲击试验,测试了阀片的直流参数和温升;其次,分析了多重雷击参数对试验结果的影响,最后对阀片的非线性系数、热应力和破坏形式进行了讨论。结果表明:不同工况下直流参考电压变化均呈“下降—平稳—下降”趋势,4重出现直流参考电压陡降现象,12重出现泄漏电流陡升现象;1.5倍额定电流工况下阀片泄漏电流在前期与标称电流工况的变化幅度相近,后期急剧劣化;非线性系数也存在“下降—平稳—下降”规律,增大冲击重数和幅值会使非线性系数下降趋势增大;冲击重数和幅值增大使阀片外圈处最大热应力增加,阀片外圈出现不同长度的缺块。

Technology Research on Lightning Strike Risk Evaluation of a Cable Car

According to structure function and lightning damage of a cable car, a feasible method of lightning strike risk evaluation for a cable car was put forward based on the evaluation model and evaluation method in the standard IEC62305-2. According to the difference between common buildings and cable cars, problems of height non-uniformity of equivalent section caused by inclination of the cable car and diversity of lightning activity regularity caused by the large area were resolved, and expected annual average frequency of lightning strike was calculated using three dimensional graphic approach and regional lightning characteristic analysis. Based on different types of damage process and loss consequences, according to interception effect against lightning invasion of the lightning protection measures and the method of probability selection proposed in the standard, the probability of casu- alty caused by direct lightning strike in a cable car and a waiting area as well as probabilities of casualty caused by failure of electronic information systems were cal- culated.

基于电热耦合分析 SMA-CFRP 复合材料层合板雷击烧蚀损伤

为了研究形状记忆合金(SMA)材料对碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料层合板的雷击损伤防护效果,基于常用的雷击电热耦合模型建立含形状记忆合金丝的层合板的雷击损伤有限元分析模型,与参考结果进行对比以验证模型的合理性,并与传统层合板的雷击损伤进行对比来分析SMA丝的雷击防护作用。此外,分析了不同峰值电流、SMA丝不同数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板不同铺层顺序等因素对SMA-CFRP层合板烧蚀损伤结果的影响,并分析影响规律。结果表明:SMA对CFRP层合板的雷击损伤防护有显著的效果,其中峰值25 kA雷击电流导致的烧蚀损伤面积降低至无防护层合板的57.43%。此外,SMA丝数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板的铺层顺序对SMA-CFRP层合板的烧蚀损伤的面积和深度具有较大影响。

三星堆博物馆新馆智能防雷监测系统设计与实践

针对三星堆博物馆新馆建筑特点和所处环境,设置智能防雷监测系统,利用信息化手段,对博物馆周边气候环境、新馆外部防雷装置、电涌保护器等防雷设施进行实时在线监测,并通过技术手段实现雷电预警和实时推送,有效提升了博物馆的雷电防护水平。

雷击过程中避雷线弧根的滑行运动建模与分析

避雷线(overhead ground wire,OGW)是防止输电导线遭受雷击的重要设备。当OGW遭受雷击时,弧根的滑行运动会导致不一样的损伤机理,因此有必要对弧根的滑行运动进行分析,从而为损伤机理的研究和避雷线的选型设计提供滑行位移的数据支持。首先,文中基于链式建模方法建立了弧根沿着OGW的滑行运动模型,并通过分析电磁力的主要影响范围,缩小了建模的空间边界,从而大幅度减少了计算量;然后,通过实验室内的针-线放电实验对模型进行了验证;最后,基于所建立的模型,对弧根滑行位移的影响因素,包括热浮力、回击电流和持续电流,进行了分析。结果表明,在回击电流的作用下,热浮力的影响可以忽略。弧根的滑行位移与波尾时间成正相关,而与波头时间无关。在持续电流的作用下,热浮力会影响弧根滑行位移的评估结果,最大误差超过了25%。

旋翼巡飞末敏弹动态命中误差仿真研究

针对旋翼巡飞末敏弹末制导段的命中精度受探测系统误差和姿态扰动共同影响的问题,分析了影响EFP毁伤元散布精度的动态特性,建立基于导引系统探测误差、弹体空间姿态扰动、毁伤元牵连运动偏差和系统时延的动态命中点模型,并引入末制导段的弹目交会轨迹与摆动姿态修正,从而在充分利用弹体姿态信息的情况下,利用实验飞行数据,分析各因素对弹着点的影响。仿真和分析结果表明:在一定随机干扰下,巡飞弹弹体姿态扰动和交会轨迹偏差是影响命中精度的主要因素,得出了满足打击典型装甲目标命中率的姿态角控制要求,为巡飞末敏弹的制导律和轨迹预测控制研究提供了理论依据。

雷击森林火险区划模型及其在泰山林区的应用

应用地理信息系统(GIS)等平台对致灾因子、孕灾环境、承灾体暴露度和脆弱性4个方面15个指标进行计算和处理,采用层次分析法(AHP)确定各指标的权重指数,构建雷击森林火险区划模型,分析了雷击森林火险区划在泰山林区的分布。结果表明,泰山雷击森林火险区划高风险和较高风险区域主要集中在南天门林区、天烛峰林区西部、玉泉寺林区西南部、巴山林区东部、桃花源林区东部、竹林寺林区东北部、中天门林区北部及红门到中天门盘道区域;中等风险区域主要集中在虎山林区、巴山林区中南部、天烛峰林区中东部、竹林寺林区大部及桃花源林区西部,桃花峪林区东北部、樱桃园林区东部、中天门林区中西部和红门林区大部;灵岩林区大部、巴山林区西部、桃花峪管理区西南部为雷击森林火险较低或低风险区域。

新型电力系统源网设备典型外部灾害防治挑战与展望

随着“双碳”目标的提出,构建风光新能源迅速发展的新型电力系统成为国家战略。目前,新型电力系统受覆冰、山火、雷击等外部灾害影响严重,新型电力系统外部灾害防治技术研究迫在眉睫。本文分析了几种典型新型电力系统外部灾害风险,探讨了特高压地线覆冰、特高压输电线路附近山火、配网雷击、风机覆冰与雷击、光伏防灾以及储能电池火灾几类新型电力系统外部灾害问题及相应灾害防治技术研究现状,展望了新型电力系统外部灾害防治技术未来发展趋势,以期为新型电力系统外部灾害防治提供研究思路。

融冰风机叶片的接闪特性试验

风力发电机常遭受雷击、覆冰等灾害,严重影响风机正常运行。在叶片上加装电热融冰装置可有效去除叶片覆冰,但对叶片雷击概率以及原有防雷配置(接闪器加引下线)可靠性的影响尚不清晰。为研究融冰装置对叶片接闪特性的影响机理,设计了1:30缩比可旋转的3 MW融冰风机叶片开展长间隙雷击放电试验。试验结果表明雷电先导在叶片迎风面发展时,融冰叶片相比普通叶片更易发生接闪器失效、雷击融冰装置及叶身交界处的现象,最严重情况下接闪器保护效率仅为55%。搭建了融冰叶片电场分布模型,发现融冰装置改变了叶片表面原有电场分布,融冰装置与叶身交界处的电场畸变,更易产生电晕。同时叶片旋转使周围的正电荷以弧形分布,加速了融冰装置上方稳定先导的形成,使其更易遭受雷击,应当加强融冰装置处的雷击防护。所得结果为加强叶片雷击防护与融冰防护的深度结合提供了参考。

特高压交流金属氧化物避雷器雷电冲击绝缘配合特性研究

研究了特高压交流金属氧化物避雷器的雷电冲击绝缘配合特性。选取Y20W-828氧化锌避雷器和XWP-300盘型悬式陶瓷绝缘子串作为试验样品,HRHG-2400 kV/120 kJ型号的雷电冲击电压发生器作为试验装置,并设定正负极性雷电冲击下的避雷器和绝缘子串的放电特性配合与伏秒特性配合两种试验检验方法,通过所选取试验装置依据设定的试验方法,对所选试验样品展开雷电冲击试验检验,试验结果表明,在雷电冲击性质统一的情况下,当绝缘子串的片数不变时,避雷器的串联间隙距离越小,避雷器与绝缘子串的配合系数越高,即避雷器的绝缘配合特性越佳;避雷器与绝缘子串的配合裕度在负极性雷电冲击时比正极性雷电冲击时低,即正极性雷电冲击下避雷器的绝缘配合特性更为理想。

导电颗粒改性高韧性复合材料的层间结构和雷击损伤特性

新一代抗雷击结构复合材料的目标是使复合材料在保持优异力学性能的同时,具备良好的抗雷击性能。将两种微米级导电颗粒引入一种具有较高厚度层间的航空级高韧性复合材料中,研究了导电颗粒对短梁强度、导电性和雷击损伤的影响。结果表明:长棒状镀镍碳纤维粉末在层间形成较好的导电通路,复合材料厚度向电导率提高了361倍,达到了0.622 S/cm,对短梁强度影响较小;镀银四针氧化锌在层间形成与碳纤维层接触较差的导电带,厚度向电导率仅提高了39.6倍,短梁强度较低,但仍显著优于碳纳米管涂层层间改性的复合材料性能。导电改性显著减少了雷击损伤面积和深度,提高了损伤区域的弯曲强度保持率。由于层间厚度大,纤维间导电接触少,损伤受厚度向电导率影响大,雷击损伤均主要为层间树脂击穿或烧蚀造成的大面积分层,明显不同于具有小厚度层间结构的复合材料以小面积烧蚀为主的损伤特征。