新型電力電子避雷針

鄧武進

摘 要：中國社會發(fā)展迅速，高層建筑在中國越來越普遍，而高樓遭到雷擊的情況又十分常見，所以高樓防雷便是一個不容忽視的重要課題。目前高樓防雷采用的是避雷針，其運行方式存在許多問題，無法保證建筑物和人身安全。電力電子器件適用于高電壓大電流的場合，可以利用它完成對避雷針的改良，以提高安全性，并且儲存利用一部分的電能，來解決現(xiàn)在日益嚴峻的能源危機。雷擊的電功率極大，一次釋放三百千瓦時的能量，而且高層建筑一年可能遭受數(shù)十次雷擊，合計起來將是一項巨大的能量來源。近些年來，超級電容發(fā)展迅速。其中超容電容器的單位容量小到0.5F，大到1000F，儲能技術(shù)有了很大的進步。[1]因此本產(chǎn)品采用同樣屬于電力電子器件的超級電容進行電能的儲存。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；超級電容；雷電利用；能源危機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.163

1 引言

隨著中國社會的發(fā)展，建造摩天大樓成為城市規(guī)劃的理想選擇。高層建筑極易受到雷擊，如果被擊中，將會產(chǎn)生巨大的人身財產(chǎn)損失。高樓防雷主要采用的是避雷針。在接閃后，引下線上流過了巨大的電流，會對建筑物內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生電磁污染，甚至直接將電流的一部分引入建筑物，對建筑物內(nèi)部的人們造成危害。避雷針如果通過接地體直接接地，將在地面上形成跨步電壓，對行人產(chǎn)生潛在的危害。雷電的能量巨大，雷電電流達一百千安，電壓達一千萬伏，如果再考慮到雷擊的次數(shù)，雷電將成為一種儲量巨大且未開發(fā)的新能源。如果我們可以在雷電電流流入大地之前就吸收儲存一部分電能，不僅可以緩解能源匱乏問題，還可以使得大樓內(nèi)部的設(shè)備人員和路上的行人更加安全。前蘇聯(lián)科學家做過實驗，將雷電通入蓄電池，發(fā)生事故，實驗失敗。之后便沒有相關(guān)研究。此領(lǐng)域目前為空白，也沒有類似研究。近些年來，儲能技術(shù)有了很大發(fā)展，我們可以使用超級電容而不是電化學蓄電池來進行電能的儲存，以免重復(fù)前人的錯誤。本技術(shù)是基于避雷針所做的改進，使其可以貯存雷電的一部分能量，并且使得在避雷針引下線上流動的功率降低，從而降低其電壓電流，讓建筑物和行人更加安全。

2 設(shè)計原理

在一次閃電當中，閃電的能量一定而且閃電持續(xù)時間很短，電流變化率很大，所以可以認為是方向不改變的交流電。雷電擊中避雷器后將會在多條導(dǎo)線上分功率，以保證儲能元件的安全。下面我們只考慮一條導(dǎo)線上的情況。在避雷針引線上并入降壓變壓器的原邊，便可以在副邊得到低壓的電流脈沖。使用變壓器可以做到電氣隔離，防止絕緣擊穿。在副邊電路中接入一個大電抗器，以減緩電流變化。副邊電路末端接入儲能電路。儲能電路由超級電容構(gòu)成，超級電容先串聯(lián)以提高耐壓值，再并聯(lián)以提高容量。在分流的每一條引下線上都有多個這種裝置，使得在每一條引下線上都可以多次采集存儲一部分電能，使得能夠從一次閃電中得到的能量最大化，提高了能源的利用率，并且使得引下線上流過的電能減少，極大的提高了避雷針的安全性。自此電能儲存結(jié)束。在閃電結(jié)束之后，電力電子開關(guān)打開，此時，超級電容的電能開始作為直流電能向負荷端進行釋放，經(jīng)過一個全橋逆變電路，轉(zhuǎn)換為交流電。在接負載前還會經(jīng)過一個變壓器調(diào)壓電路，把電壓提高到可以使用的交流工作電壓。

3 理論依據(jù)

基于能量守恒定理，因為一次閃電的總能量為定值，而本系統(tǒng)多次通過變壓器取走部分電能進行儲存，所以最后在避雷針引下線上流動的能量和電流會小很多，達到了獲取電能和提高安全系數(shù)的目的。此外還通過電流的分流來減少獲取能源的危險程度，防止變壓器原邊與副邊之間的絕緣被擊穿。在本項目的研究中，我們將雷電等效為交流電。因為閃電的能量大，電流強，持續(xù)時間短，衰減速度大，所以電流變化率大，可以看為交流電而引入變壓器進行變壓操作，使得獲取能源的危險性進一步降低并實現(xiàn)電氣隔離。因為閃電的持續(xù)時間過短，迅速衰減，我們還可以將接閃電流看作是沖擊脈沖，經(jīng)過變壓器變壓后的電流仍可以視為沖擊電流但是幅值變小。為了保證超級電容器的安全和充電電流的平穩(wěn)，我們在副邊接入了電抗器。不僅可以降低電流波動程度，還可以減小充電電流幅值，并沒有能量損失。

4 總結(jié)

因為前人的失敗，所以沒有人在進行此類研究。本技術(shù)吸取教訓(xùn)，放棄獲取閃電的全部能源，而是一次只取一部分電能。在保證現(xiàn)在儲能器件安全工作的前提下，獲得盡量多的電能，而通過增加取電能的次數(shù)來提高電能利用率。本技術(shù)采用的是自產(chǎn)自銷的模式，可以為用戶提供一部分電能，來降低用戶的用電成本。使用此系統(tǒng)比起供應(yīng)電能來說，安全性的提高更為重要。這樣便解答了以往人們認為雷電能源不值得利用的疑惑。有些人認為雷電單次的能源量大，但是發(fā)生頻率過小，一年里雷擊的次數(shù)和大小都無法預(yù)測，無法得到足夠的能源，得到的電能和使用的成本對比起來微不足道，所以雷電能源沒有開發(fā)的必要。而本技術(shù)開發(fā)的初衷并不在于將閃電能源開發(fā)成為像太陽能風能一樣儲量巨大的新能源。其最重要原因是為了保證建筑物在接閃時導(dǎo)線上流過的電流變小，這樣來保證人們的安全。第二個原因是要把人們忽略的能源進行利用，或多或少地改善現(xiàn)在的能源危機。近年來，已經(jīng)裝了避雷針的建筑物在遭到雷擊后仍然遭到了巨大傷亡的案例比比皆是，因此，本技術(shù)的未來前景是成為政府在批準高樓建設(shè)的標準。任何高樓都必須安裝此系統(tǒng)來保證建筑物和人的安全。

參考文獻：

[1]趙秀雅，王培紅.超級電容儲能技術(shù)在可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用[C].第八屆長三角能源論壇論文集：1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House：168.