少长针消雷装置

本发明涉及一种防雷设备，尤其是一种由少长针组、基座和接地引下线组成的少 长针消雷装置。

现有的少长针消雷装置可分为导体型和半导体型两种，均为中国国务院学位委员 会学科评议组成员、著名防雷专家、博士导师、武汉水利电力大学解广润教授分别于1977 年和1978年6月相继推出。导体少长针消雷装置(简称CLE,Conductor Lightning Eliminator)在雷云下地面平均电场达到40kV/m时，能产生15mA的中和电流，为美 国LEA公司1971年推出的多短针消散阵列(简称DA,Dissipation Array)的47倍， 其性能也要优越得多。但是这种消雷装置在遭受直击雷时因为没有限流作用，仍可能 出现传统避雷针的种种问题。半导体少长针消雷装置(简称SLE,Semiconductor Lightning Eliminator)在CLE的基础之上增加了半导体电阻，主要由半导体针组(又 称“SLE针组”)、接地引下线(包括接地装置)组成，SLE针组由若干根5米长的半 导体针(又称“消雷针”)构成，针的顶部有四根长33厘米的金属分叉放电尖端(简 称“金属针”)，其独特之处在于采用了少长针(与“多短针”相对应)的形式增大中 和电流，采用半导体电阻抑制了上行雷的发展，并大幅度降低了雷击的主放电电流和 雷电流变化速率，从而克服了避雷针或其他防雷设备的不足，已成为当今世界上防直击 雷的最佳措施，经科学实验和实际运行(截止1996年初，已积累近9000塔年的运行 经验)，其性能优于目前国内外各类防雷装置，已获得中国、美国、日本三国专利，国 家科委已将其列入1995年国家级重大成果推广项目，并由武汉水利电力大学监制，北 京爱劳高科技有限公司(Beijing Arrow Advanced Technology Co.,Ltd.)生产和总销 售，现已应用在国家电力调度中心、邮电部北京无线通讯局、中央电视台彩电中心，上 海东方明珠塔、三峡工程和北京西客站通讯枢纽大楼等多家重点工程中，均取得了良 好的效果。

SLE虽然是当今世界上最先进的防雷设备，但是也有其明显的不足之处，主要表 现在：

1．SLE采用的必须是可承受强大雷电流的性能优异的半导体电阻，成本和价 格都相当高昂。根据北京爱劳高科技有限公司1996年1月1日列出的报价单， SLE-V(SLE的第五代)按其标准型号划分，价格在19,500.00～117,000.00 元人民币之间，单根消雷针售价高达3300多元，而且这些价格均不包含包装 和运输等费用。

2．针体使用寿命太短，使用成本过高，难以维护。中华人民共和国国家标准 (GB/T16438-1996)中《半导体少长针消雷装置使用的安全要求》第7条 第二款明确规定：“消雷电流流过消雷针后，在消雷针表面会出现细裂缝或热 放电痕迹，这是消雷造成的。只要针体电阻层不脱落可以继续使用。在特大雷 击时，如造成一根半导体针电阻层损坏，允许在雷击过后，再更换受损针体”。每 根消雷针仅重约7kg，加上在针体表面仅仅涂有半导体电阻层和防老化层，半 导体材料的用量极少，相应地，其热惯性也非常小，只能也只允许吸收很少的 雷电流能量，而雷击时通过消雷针的电流能量密度却非常高，这是SLE限流性 能难以提高，针体寿命也很短的最根本原因，再加上它利用了自动并联运行原 理，一次强雷就极可能使所有针体彻底损坏，即便是一般的雷击也会使针体表 面出现裂纹、脱落等严重缺陷，所以其针体极易因雷击而损坏，一旦损坏，必 须及时更换受损针体，而这种故障只有厂家才能进行处理，所以使用成本高而 且使用起来也很不方便，也不易维护。

3．半导体电阻性能极不理想。按理想情况而论，消雷针的限流电阻应不致削 弱消雷时的中和电流(远小于雷击主放电电流)，而在限制雷击主放电电流时 则应有足够高的阻抗。然而在事实上，半导体电阻典型的非线性伏-安特性决定 了它与此理想情况完全相反，在通过中和电流时，它表现出很高的阻抗，而在 通过远大于中和电流的雷击主放电电流时，其电阻却大大下降。当然，在这里 采用真正的线性电阻并不经济，所以在实践中应尽可能地采用接近于线性的电 阻材料而避免采用那种典型的非线性电阻材料。

本发明的任务是提供一种液体电阻少长针消雷装置(LRLE,Liquid Resistor Lightning Eliminator)，它采用热惯性远高于半导体电阻且主体材料是水的液体电阻代 替半导体电阻作为限流电阻，不仅限流性能强、使用寿命长，而且成本低廉、使用方 便又很容易维护。

为解决上述任务，本发明所采用的技术解决方案是：用由水作为限流材料且热惯 性远远高于半导体电阻的液体电阻代替半导体电阻，并将其串联在导体长针、导体长针 组或金属针与接地引下线之间。本发明在原理上同SLE并没有本质的区别，它只是 采用了热惯性远远大于半导体电阻的液体电阻代替半导体电阻，因此，其限流性能可以 高于SLE，使用寿命也要长得多；又由于液体电阻的主体材料是水，所以成本低廉，也 容易更新和维护。

上述液体电阻是一根内部装水的管子，由水、管壳、顶部端帽、上电极、上引脚、 上接头、底部端帽、底部电极、下引脚、下接头和基座组成，水未加满水管且不与管壳 发生化学反应，上电极的下端面略小于管壳内径，它完全浸没在水中并电连接在上引脚 上，上引脚再穿过顶部端帽引出到上接头，金属针或导体长针就安装在上接头上，底部 电极也略小于管壳内径，它位于水底并电连接在下引脚上，下引脚再穿过底部端帽引出 到下接头，接地引下线就电连接在下接头上，而基座用于安装和固定该液体电阻。理 论上，液体电阻虽然也可以采用其他种类的液体来制作，但是，众所周知，在众多种类 的液体中，只有水才是最廉价易得的，即使它的用量比半导体电阻大很多，成本也显然 远远低于半导体材料，此外，水还有电解反应比较简单，电阻率比较大(普通水的电阻 率大约在2.4×102Ω·m至2.4×103Ω·m之间)且可以方便地通过渗“杂”手段进 行控制等优点，所以本发明优先考虑采用它作为限流材料；水未加满水管，是为了给水 留下结冰时膨胀和受雷汽化时沸腾的空间；上电极有较大的表面积并完全浸没在水中， 一方面保证了良好的电接触，另一方面还可以防止由于过雷引起水蒸发，进而液面下降 而导致上电极露出水面(上电极露出水面为断路)；水不与管壳发生化学反应，可防止 水的电导发生劣变和管壳被腐蚀。当液体电阻过雷导致其中的水发生蒸发损耗后，可 向其中加水或更换新水从而使之功能得以完全恢复，这种操作很简单且花费很少，用户 自己就可以完成，所以既容易维护，使用和维护的成本也很低；水的伏-安特性不是典 型的非线性，所以性能虽然还称不上“理想”，但要比半导体电阻强很多。

在上述液体电阻中，所用的水含有一定量的电解质，其浓度是稳定的以保证液体 电阻阻值的稳定性，根据估算，其中电解质的含量很低(详见具体实施例部分的描述)， 如果它在过雷电解时发生了损耗，将会引起电阻的不稳定，它最好是采用向蒸馏水中加 入少量在电解过程中不损耗的电解质的方法配置而成，因为蒸馏水中不含有在电解时会 发生电解的杂质。但是，相对于普通水而言，蒸馏水的成本显然要高很多，从另一角度 考虑，如果将普通水中那些在电解过程中会损耗的杂质除去之后再加入适量的上述电解 质，这样的水同样也不含有在电解时会损耗的电解质但是却要比蒸馏水经济得多。普通 水中含有的这类杂质主要是能使水变硬的Ca2+,Mg2+离子，其次是碳酸离子等弱酸阴 离子，它们在电解时要么产生沉淀，要么释放气体，除去这些杂质的方法一般比较简单， 在通常的化学书籍中都有专门的详细论述，故在此不予赘述。

在上述液体电阻中，所用的水无论是蒸馏水，还是除杂后的普通水，水的电阻率 一般都偏大，通常都需要加入适量的电解质以增强导电性，(当然还要求加入的电解质 在电解时无损耗)所加电解质种类的选择与上、下两个电极所选用的材料有很大关系。 如果上、下两个电极都是惰性电极，则要求水在受雷电解时，只有水在电解而所加电解 质的浓度不变，这样的电解质其实是相当多的，典型的如H2SO4、NaOH、KOH、Na2SO4或K2SO4等强电解质，NaOH、KOH的混合物，NaOH、KOH、Na2SO4、K2SO4的混 合物以及H2SO4、Na2SO4、K2SO4的混合物等等，在具体选用时应参考电化学中的相 关知识并根据实际情况来确定最优方案；反之，如果上、下两个电极是非惰性电极，则 要求水在受雷电解时，发生的是不产生新物质的电解，如电极为Cu，而所用水含有少 量的CuSO4，当然，由于水中CuSO4浓度很低，所以实际受雷电解时，还是有少量水 发生电解而损耗掉，这不仅是允许的，而且这种损耗也是可以忽略的，因为水在受雷电 解时，雷云电荷的总电量还远不足1摩尔，电解损耗的水在几克以内，而实际所用水的 总量却非常多，通常都在数十至数百公斤以上。

上已说明，因雷击引起水发生电化学反应而损耗的质量是可以忽略的，但是，就 实际情况来看，本发明受雷时，消雷电流经限流后一般都还是比较大(几十至几百安培)， 尤其是当消雷效果不理想时表现得尤为突出，所以一般都难以避免有较多的水损耗，这 是由于雷电流强烈的热效应引起的。减小水损的主要措施是尽量提高液体电阻的热惰 性，当热惰性足够大时，在雷击完毕时，水都还没有升温到沸点，因此这种情况下几乎 没有水发生汽化，所以水损最小，限流性能也容易进一步提高，使用寿命也最长，几乎 可以说是永久性的，但是所用水的质量和体积却是相当惊人的，可能高达数吨，乃至数 十吨(具体的量与液体电阻的阻值和雷击强度有直接的关系)，这么多的水必须采用巨大 的管壳才能盛装得下，所以造价很高，一般都不采用这种方案，考虑到水的汽化热很高， 采用较少的水时，在受雷时允许一部分水升温至沸点而汽化，也可以达到限流目的，虽 然水损增加了，但却降低了成本，因此是值得的，这是建立在液体电阻的热惯性远远大 于半导体电阻这一前提下的。但是要想准确地确定究竟需要多少水才算合适却相当困 难，也不现实，因为液体电阻在受雷时所吸收的雷电流能量与本身的阻抗、消雷效果和 雷击强度等都有关，而后两条在实际中都是难以预知的，为解决这一问题，只能参照SLE 进行简单而保守地估计，在估计中，水量只许多不许少以保证液体电阻有足够的承受雷 电流的能力，否则，液体电阻的热惯性偏低，各方面性能都难以达到要求。

在上述液体电阻中，管壳绝缘或电导远远低于其中的水，其形状为中间部分均匀， 两端稍粗，其外壁上涂有防水层(除非它本身就是防水的)，如果它与上端帽之间的连 接是密封连接，必须在其上端或者上端帽上制作出排气孔或安装超压排气阀。该管壳既 可以是刚性的，也可以是柔性的，当其为刚性时，其上端用于安装导体长针、导体长针 组或金属针，其下端则固定在基座上，而基座再安装在铁塔上；当其为柔性时，基座也 安装在铁塔上，但基座上还固定有一根竖直安装的绝缘或电导远远低于水但长度不大于 管壳的柱子，该柱子顶部用于吊装管壳和安装导体长针或导体长针组，该管壳以一定螺 旋角(包括螺旋角为0度的情形)盘绕在该柱子的外表面。遭受雷击时，管壳或该 竖直安装的柱子中无电流(管壳或该柱子绝缘)或仅有微小的电流通过(管壳或该柱子 有很低的电导)，不会对管壳造成损坏，这就极大地降低了对管壳和该柱子绝缘性能的 要求，使得本发明可以采用那些绝缘性能较差但造价低廉的材料(如某些岩石)来制造 管壳；管壳的上下两端为电极，为了保证各处的水承受的雷击主放电电流密度相同，应 将两端制作得稍粗一些而中间部分粗细均匀；由于管壳长期暴露在户外，其外壁难免会 有许多污秽物，如果外壁防水，则遭雨淋后不易在表面上形成连续的水膜，从而防止雷 击时(暴雨中也存在雷击现象)发生“污闪”(“污闪”时，雷云电荷直接通过管壳外壁 附近的空气发生沿面闪络，此时液体电阻被闪电短路而不能发挥应有的限流作用，这时 的工作原理同传统避雷针并没有什么本质的区别，理应尽量避免)；管壳与上端帽之间 的连接如果是密封连接，必须设计出排气装置(指排气孔或超压排气阀)，这是因为本 发明在遭受雷击时，雷电流能量密度很高，热放电时间很短但却相当剧烈(剧烈程度与 水的热惯性大小有关)，有较多的水汽化(只有液体电阻的热惯性非常大时才能避免水 在受雷时升温至沸点)产生水蒸汽，如无释放的通道，极有可能引起管壳爆炸。

在上述液体电阻中，当顶部端帽和底部端帽为塑料、陶瓷、玻璃等非金属材料时， 如同上文描述的那样，上(下)引脚穿过顶部(底部)端帽进行电连接，而当顶部端帽 和底部端帽为铁、铝、铜等金属时，直接将其作为导体，上(底部)电极通过上(下) 引脚连接在顶(底)部端帽上，顶(底)部端帽再电连接到上(下)接头上。

在上述液体电阻中，因液体电阻的长度比较长，超过SLE的长度，即大于5m， 为了安装运输的便利，可将其设计成几段依次相连接的形式，在安装时才把各段用连接 器依次连接起来；为了检修的方便，在液体电阻的下端或底部还安装有可用于向里注水 和向外放水的阀门。

由于上述解决方案采用水作为限流电阻，故制造成本低廉；液体电阻的热惯性很 大，质量和体积(水的密度比半导体小得多)都远远超过SLE，受雷时，通过其中的 雷击主放电电流密度远远小于SLE，故限流性能可高于SLE，使用寿命也要比SLE长 得多；液体电阻很容易更新，水又很便宜，故很容易维护且使用成本低；在限制雷击主 放电电流时，液体电阻能维持比较高的阻抗，故性能优于半导体电阻。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明。

图1为本发明第一、第二和第三个实施例共同的电路原理图；图2为本发明第四 个实施例的电路原理图；图3为本发明第一个实施例的结构示意图；图4为本发明第二 个实施例的结构简图；图5为本发明第三个实施例的结构简图；图6为本发明第四个实 施例的结构简图。

在图1所示电路原理图中，各CLE针组或金属针[1]分别安装在各液体电阻[2]的上 端，各液体电阻[2]在基座[3](为优良的导体)处汇集连接到接地引下线[4]。这一电路 与现有的SLE完全相同，如果基座[3]采用铸铁制造，因铸铁的导电性较差，接地引下 线[4]最好是直接电连接在液体电阻[2]的下端。

在图2所示电路原理图中，各CLE针组或金属针[1]汇集在一起后通过基座[3]电连 接到接地引下线[4]，如果基座[3]采用铸铁制造，同样要求接地引下线[4]最好是直接电 连接到液体电阻[2]的下端。受雷时，各CLE针组或金属针[1]中的电流汇集后经过液 体电阻[2]后从接地引下线[4]传到地下，液体电阻[2]在此过程中起到抑制雷击主放电电 流和减小雷电流变化速率的作用。

在图3所示实施例中，液体电阻[2]是一根内部装水[12]的水管，其管壳由上管壳[10] 和下管壳[14]两部分组成，上、下两管壳通过连接器[13]连接在一起，整个液体电阻[2] 安装并通过紧定螺钉[16]固定在基座[3]上，上管壳[10]上端安装有顶部端帽[7]和连接在 通气孔上的细管[9]，上电极[11]浸没在水中一定深度并通过上引脚[8]穿过顶部端帽[7] 引出到上接头[6]，四根金属针[5]就固定在上接头[6]上，在下管壳[14]的下端，底部电 极[15]位于水底并通过下引脚[18]穿过底部端帽[17]引出到下接头[19]，接地引下线[4]就 电连接在下接头[19]上。 在现有的SLE-V中，每根半导体长针的电阻为35000Ω， 长度为5m，为确保本发明限流性能不低于SLE，设计时应使液体电阻[2]的电阻不小于 SLE限制雷电流幅值时的电阻值(小于35000Ω)，为确保过雷时上、下接头之间的空 气在过雷时不因高电势而击穿(如果发生这种现象，如同发生“污闪”一样，液体电阻 [2]同样也发挥不了限流作用)，液体电阻[2l的长度应不短于5m；细管[9]的管口朝下以 防止灰尘落入液体电阻[2]中而使其中的水受到污染。

经过估算，本发明液体电阻[2]中使用的水所含电解质的浓度非常低，与普通自来 水的差距一般都不会超过一个数量级。估算过程为：已知蒸馏水18℃时的电阻率为 2.41×105Ω·m，又知普通自来水的电阻率约为蒸馏水的1/1000至1/100，为估算方 便，参照SLE-V的标准，假设液体电阻长度也为5m,18℃时的电阻为35000Ω(注： 如果采用这一数据作为标准，将使本发明限制雷击主放电电流的性能大大高于SLE， 因为半导体电阻在限制雷击主放电电流时电阻将大大低于35000Ω，而液体电阻[2]的 阻值在这种情况下虽然也会因温度升高而减小但减小量相对来说要小得多)，水盛装在 直径均匀的管壳(实际的情况是两端略粗一些)中，再假设液体电阻[2]采用的是与普 通自来水电阻率相当的水制成的，则可估算出液体电阻[2]的横截面积约为0.0344至 0.344m2，相应地，所用水的质量约为172至1720kg。从另一角度考虑，由于技术和 经济等条件的限制，要制作出重达几十吨的液体电阻，虽然热惯性很大，但这样做既困 难，也不经济，因此本发明液体电阻中水的质量通常设计在几吨以下，再将稀溶液的热 惯性应远大于SLE-V这一因素一并考虑，可推得所用水的电导率与普通自来水的电 导率的比值应该在10倍(即一个数量级)以内，根据溶液的电导率与其浓度的关系判 断，本发明所用稀溶液浓度与普通自来水浓度的差距也不超过一个数量级。

就本实施例而言，由于液体电阻[2]倾斜地安装在基座[3]上(除开图中竖直安装的 那一支外)，有一部分液体电阻甚至需要水平安装，所以其质量不允许太大，通常只有 几十千克，若再增大，管壳就必须加厚，基座也必须更加坚固，这对降低成本是极为不 利的。

在本发明的第二实施例中，如图4所示，所有的液体电阻[2](图4中只绘出了两 个，而且对右边的液体电阻采用了省略画法)都竖立在基座[3]上且它们的顶部都安装 有几根导体长针[20](图中只画出了两根)，它们的下端都分别安装有一个用于装水和 排水的阀门[21]，并且都通过基座[3]电连接到接地引下线[4]。本实施例与前一实施例 的主要区别在于其液体电阻为竖直安装且液体电阻顶部安装的是导体长针，因此，液体 电阻的质量可以远远大于上一实施例，换言之，如果采用用水量与上一实施例相同的液 体电阻，则其管壳可做得比前者更薄一些，基座也不必像前者那样坚实；为了便于在修 理时能排尽液体电阻[2]中的水，排水阀门[21]最好布置在液体电阻[2]的下端帽上。

在图5所示的第三个实施例中，基座[3]安装在铁塔的顶部[23](作为一种防雷设备， 除极少数特殊情况外，以上各实施例也是安装在被保护对象上方的铁塔上的)上且其上 还竖立安装着一根绝缘的柱子[22]，各液体电阻[2]的管壳具有柔性并被吊装在该柱子顶 部的下方，其下端电连接在一起之后再电连接到接地引下线[4]，此外，该柱子的顶部 还安装有几根与各自的液体电阻相连接的导体长针。采用这种结构后，可以用便于安 装和运输的软管来制作液体电阻，这是其最大的优点。

上述几个实施例中，为了增强防雷的可靠性，液体电阻[2]通常都有多个，这在道 理上同现有技术是一致的。

在图6所示实施例中，只使用了一个竖立的液体电阻[2]，其管壳由上下两段通过 连接器[13]连接组成，其顶部端帽[7]上安装有三根导体长针[20]和超压排气阀[24]，其 下端帽固定在基座[3]上且安装有用于向内注水和向外放水的阀门[21]，基座[3]安装在铁 塔的顶部[23]上，接地引下线[4]则连接在下接头上。这种结构的最大特点是，液体电阻[2] 可以制作得很大，结构也比前几个实施例都简单。

当然不能仅仅局限于上述几个实施例，在实践中，还可以采用别的结构。