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风力发电机防雷新技术——CMCE 多电场补偿技术
来源:sertec | 作者:远华电气 | 发布时间 :2025-11-20 | 1371 次浏览: | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ | 分享到:
多个风力发电机制造商工程师询问CMCE是如何吸收电荷并且中和成电流泄放入地的,并对此感到神奇,似乎CMCE吸收中和电荷的过程颠覆了大多人对于物理的认知,大道至简,CMCE正是基于一个最基础的物理概念来实现这个过程。还有问及为什么中和掉电荷后可以消除闪电避免叶片遭受雷击等问题。本文将用通俗易懂的言语做一个专业的答复。(本文中描述的消雷器均为多针组成的接闪器,其它类型的消雷器请根据消除闪电的根本条件自行判断)

过去近50年的时间内,类似研究消雷器效果的研究论文众多,可以自行搜索查阅。

三.  消雷的根本条件是什么

消除闪电的根本条件是要消除产生场源(雷云)的电荷。

1. 2000年石油大学应用物理系的薛庆忠在论文《消雷器与避雷针防雷特性的实验研究》的结论3.1中提到:

消雷器不能提供足够数量的异号电荷来“中和”雷云中的电荷,从而起到“消雷”作用

实验结果表明:消雷器和避雷针的电晕电流值基本相同,并且均小于70A,最大感应电流158μA。据有关资料估算,一个中等雷云可携带电荷约10至80库仑,假设雷云是静止的,等待消雷器产生离子去“中和”当消雷器的电晕电流为100μA时,消去1库仑(c)电荷所需时间:


约2.8h,即使电晕电流为1000μA,也需要0.28h,时间实在太长了。一般携带80库仑电荷的雷云,每分钟平均要有2次闪电,在中等雷雨时,闪电只发生在几分钟内。实际典型雷云又将以6m/s的速度水平运动,不会静止等待“中和”。因此,消雷器不能提供足够数量的异号电荷来“中和”雷云中的电荷,以达到消雷目的。

2. 1997年石油大学的黄柳宾等在论文《消雷器能不能消雷》摘要中,消雷器消雷的理论依据—“中和理论”及消雷器消雷失败的实例,提出了消雷器消雷的关键是消雷器在雷云电场作用下产生的电晕电流能否“中和”雷云中的电荷。通过采用多针导体消雷器和避雷针对比方法测量电晕电流,对其结果进行消雷可能性分析,得出结论:一般雷云携带电荷量约 20~100C,依靠消雷器释放的电荷“中和”20C雷云电荷需80h,而雷云移过建筑物的时间只有 2.7 min,因此仅在 2.7min 内消雷器不能中和掉雷云电荷。而按每分钟有2次以上闪电计,要防止雷击,应在 30s内将雷云电荷“中和”掉20C,需电晕电流 670 mA,而实测消雷器电晕电流只有 70μA,因此也说明消雷器不能消雷。

CMCE


测量电流示意图

3. 黄柳宾在等在论文《消雷器能不能消雷》中海提到另外一个关键的问题:消雷针除了释放的电荷量非常少外,还提到另外一个关键的因素,那就是释放的电荷是否可以到达云层底部。

离子是否可能上飘几千米去“中和”云中电将离子上飘过程中要考虑三个因素,即离子上飘速度;离子上飘过程中受到水平风速影响;离子本身的寿命。

引起离子上飘的动力是电场力和气流,典型离子在1V/m电场作用下,平均速度为1.5x10m/s,雷暴天气空间电场约20kV/m。即在电场力作用下,离子上飘平均速度约3m/s,若上飘3000m,则所需时间为1000s,约17min。实际离子在上飘过程中还要受到气流影响,上飘速度将低于3 m/s。

60m以上空间水平风速约25m/s,离子在水平风速影响下的水平运动速度约为15m/s,若离子要在1000s内上飘到云层,则水平方向要移动1500m,事实上离子还来不及飘移到云层,云层早已经移走。

另外还要考虑离子的寿命,离子在运动中不断和其它带电离子或带有电荷的粒子相碰,而失去电性,离子寿命约50~200s,由此可知,大量离子在漂移过程中要失去电荷。

由此可见,实验室中利用尖端放电的原理,使雷云电荷被“中和”,而防止雷击的演示和实际相差甚远,实际上利用“中和” 原理 “消雷”是不可能的。

四.  CMCE的工作原理和通过电场补偿技术消除闪电的能力

CMCE与其它所谓的消雷器有着本质的不同,上面所描述消雷器产生的微安μA级的小电流是在超过20kV/m下产生的,这些微安小电流依赖于超高的大气电场,也就是只有在强雷暴天气时,才能产生弱小电流,一旦电场继续加强,电晕电流将直接变成上行先导,触发闪电的形成,最终变成一个妥妥的接闪器——引雷针。

1. CMCE技术理论基础背景

1916年,60岁的特斯拉成为IEEE Fellow,针对富兰克林避雷针存在的诸多问题,提出一种符合雷电现象本质、设计新颖且高效的避雷装置,这也是CMCE技术的理论基础。

专利书开头写道:

致相关人士:

本人,尼古拉·特斯拉,美国公民,现居纽约州纽约市,发明了一种新型改良避雷装置,其完整、清晰及确切的描述如下。

发明目的

本发明的目的是提供一种符合雷电现象本质、设计新颖且高效的避雷装置。

相较于现有装置,其防护性能更可靠,能更有效地保障生命财产安全。

传统避雷针(富兰克林型)的局限性:

a. 尖端的理论误区:传统避雷针依赖尖端放电原理,认为通过释放电荷可中

和云层电荷或泄放地电荷。然而,尖端的电荷密度虽高(根据库仑定律,电荷密度与曲率半径成反比),但其实际泄放电荷量相比雷电能量微不足道。(上面国内众多专家的试验也证明了这个观点)

b. 副作用:尖端反而会电离周围空气,增加局部导电性,可能吸引雷击幷导

致邻近物体受损。

c. 防护效率不足:尽管统计表明传统避雷针有一定防护效果,但其设计存在根本缺陷——尖端既增加被雷击概率,又无法完全消除雷击危害。

2. CMCE工作原理和过程

CMCE(Multiple Electric Field Compensator)多重电场补偿器,通过吸收、中和周围的电荷,幷以无害的毫安级电流泄放入地。消除上行先导和下行先导,避免闪电的形成。整个过程遵循欧姆定律原理。

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