新型电力电子避雷针

    邓武进

    摘 要：中国社会发展迅速，高层建筑在中国越来越普遍，而高楼遭到雷击的情况又十分常见，所以高楼防雷便是一个不容忽视的重要课题。目前高楼防雷采用的是避雷针，其运行方式存在许多问题，无法保证建筑物和人身安全。电力电子器件适用于高电压大电流的场合，可以利用它完成对避雷针的改良，以提高安全性，并且储存利用一部分的电能，来解决现在日益严峻的能源危机。雷击的电功率极大，一次释放三百千瓦时的能量，而且高层建筑一年可能遭受数十次雷击，合计起来将是一项巨大的能量来源。近些年来，超级电容发展迅速。其中超容电容器的单位容量小到0.5F，大到1000F，储能技术有了很大的进步。[1]因此本产品采用同样属于电力电子器件的超级电容进行电能的储存。

    关键词：电力电子技术；超级电容；雷电利用；能源危机

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

    1 引言

    随着中国社会的发展，建造摩天大楼成为城市规划的理想选择。高层建筑极易受到雷击，如果被击中，将会产生巨大的人身财产损失。高楼防雷主要采用的是避雷针。在接闪后，引下线上流过了巨大的电流，会对建筑物内的设备产生电磁污染，甚至直接将电流的一部分引入建筑物，对建筑物内部的人们造成危害。避雷针如果通过接地体直接接地，将在地面上形成跨步电压，对行人产生潜在的危害。雷电的能量巨大，雷电电流达一百千安，电压达一千万伏，如果再考虑到雷击的次数，雷电将成为一种储量巨大且未开发的新能源。如果我们可以在雷电电流流入大地之前就吸收储存一部分电能，不仅可以缓解能源匮乏问题，还可以使得大楼内部的设备人员和路上的行人更加安全。前苏联科学家做过实验，将雷电通入蓄电池，发生事故，实验失败。之后便没有相关研究。此领域目前为空白，也没有类似研究。近些年来，储能技术有了很大发展，我们可以使用超级电容而不是电化学蓄电池来进行电能的储存，以免重复前人的错误。本技术是基于避雷针所做的改进，使其可以贮存雷电的一部分能量，并且使得在避雷针引下线上流动的功率降低，从而降低其电压电流，让建筑物和行人更加安全。

    2 设计原理

    在一次闪电当中，闪电的能量一定而且闪电持续时间很短，电流变化率很大，所以可以认为是方向不改变的交流电。雷电击中避雷器后将会在多条导线上分功率，以保证储能元件的安全。下面我们只考虑一条导线上的情况。在避雷针引线上并入降压变压器的原边，便可以在副边得到低压的电流脉冲。使用变压器可以做到电气隔离，防止绝缘击穿。在副边电路中接入一個大电抗器，以减缓电流变化。副边电路末端接入储能电路。储能电路由超级电容构成，超级电容先串联以提高耐压值，再并联以提高容量。在分流的每一条引下线上都有多个这种装置，使得在每一条引下线上都可以多次采集存储一部分电能，使得能够从一次闪电中得到的能量最大化，提高了能源的利用率，并且使得引下线上流过的电能减少，极大的提高了避雷针的安全性。自此电能储存结束。在闪电结束之后，电力电子开关打开，此时，超级电容的电能开始作为直流电能向负荷端进行释放，经过一个全桥逆变电路，转换为交流电。在接负载前还会经过一个变压器调压电路，把电压提高到可以使用的交流工作电压。

    3 理论依据

    基于能量守恒定理，因为一次闪电的总能量为定值，而本系统多次通过变压器取走部分电能进行储存，所以最后在避雷针引下线上流动的能量和电流会小很多，达到了获取电能和提高安全系数的目的。此外还通过电流的分流来减少获取能源的危险程度，防止变压器原边与副边之间的绝缘被击穿。在本项目的研究中，我们将雷电等效为交流电。因为闪电的能量大，电流强，持续时间短，衰减速度大，所以电流变化率大，可以看为交流电而引入变压器进行变压操作，使得获取能源的危险性进一步降低并实现电气隔离。因为闪电的持续时间过短，迅速衰减，我们还可以将接闪电流看作是冲击脉冲，经过变压器变压后的电流仍可以视为冲击电流但是幅值变小。为了保证超级电容器的安全和充电电流的平稳，我们在副边接入了电抗器。不仅可以降低电流波动程度，还可以减小充电电流幅值，并没有能量损失。

    4 总结

    因为前人的失败，所以没有人在进行此类研究。本技术吸取教训，放弃获取闪电的全部能源，而是一次只取一部分电能。在保证现在储能器件安全工作的前提下，获得尽量多的电能，而通过增加取电能的次数来提高电能利用率。本技术采用的是自产自销的模式，可以为用户提供一部分电能，来降低用户的用电成本。使用此系统比起供应电能来说，安全性的提高更为重要。这样便解答了以往人们认为雷电能源不值得利用的疑惑。有些人认为雷电单次的能源量大，但是发生频率过小，一年里雷击的次数和大小都无法预测，无法得到足够的能源，得到的电能和使用的成本对比起来微不足道，所以雷电能源没有开发的必要。而本技术开发的初衷并不在于将闪电能源开发成为像太阳能风能一样储量巨大的新能源。其最重要原因是为了保证建筑物在接闪时导线上流过的电流变小，这样来保证人们的安全。第二个原因是要把人们忽略的能源进行利用，或多或少地改善现在的能源危机。近年来，已经装了避雷针的建筑物在遭到雷击后仍然遭到了巨大伤亡的案例比比皆是，因此，本技术的未来前景是成为政府在批准高楼建设的标准。任何高楼都必须安装此系统来保证建筑物和人的安全。

    参考文献：

    [1]赵秀雅，王培红.超级电容储能技术在可再生能源发电中的应用[C].第八届长三角能源论坛论文集：1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House：168.