防雷產(chǎn)品的技術(shù)原理及發(fā)展論文

摘要：在國民經(jīng)濟(jì)的許多重要領(lǐng)域（郵電、廣電、金融、電力、公路等）防雷已經(jīng)是熱門話題，這是因為IT技術(shù)的普及導(dǎo)致了保護(hù)IT設(shè)備的防雷產(chǎn)品需求的高速增長。有需求就有供給正是市場經(jīng)濟(jì)的魅力所在，因此防雷產(chǎn)品市場興旺發(fā)達(dá)，各種新品層出不窮，防雷技術(shù)也有了很大的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：防雷 接閃器 低壓電源避雷器

一.防雷產(chǎn)品的變遷

　　當(dāng)人們知道雷是一種電現(xiàn)象后，對雷電的崇拜和恐懼就逐漸消失，并開始以科學(xué)的眼光來從新觀察這一神奇的自然現(xiàn)象，希望能利用或控制雷電活動以造福人類。200多年前富蘭克林率先在技術(shù)上向雷電發(fā)起了挑戰(zhàn)，他發(fā)明的避雷針可能要算是最早的防雷產(chǎn)品，今天這一品名幾乎已被所有的人知道。其實，富蘭克林在發(fā)明避雷針時是以為金屬避雷針的尖端放電作用可以綜合雷云中的電荷，使雷云和大地間的電場降低到無法擊穿空氣的水平，從而避免了雷擊的發(fā)生，所以當(dāng)時的避雷針一定要求是尖的。但后來的研究表明：避雷針是無法避免雷擊的發(fā)生的，它之所以能防止雷擊是因為高高聳立的避雷針改變了大氣電場，使得一定范圍的雷云總是向避雷針放電，也就是說避雷針只是比它周圍的其它物體更容易接閃雷電，避雷針被雷擊中而其它物體受到保護(hù)，這就是避雷針的防雷原理。進(jìn)一步的研究表明避雷針的接閃作用幾乎只與其高度有關(guān)，而與其外形無關(guān)，就是說避雷針不一定是尖的。現(xiàn)在防雷技術(shù)領(lǐng)域統(tǒng)稱這一類防雷裝置為接閃器。

　　電的普遍使用促進(jìn)了防雷產(chǎn)品的發(fā)展，當(dāng)高壓輸電網(wǎng)為千家萬戶提供動力和照明時，雷電也大量危害高壓輸變電設(shè)備。高壓線架設(shè)高、距離長、穿越地形復(fù)雜，容易被雷擊中。避雷針的保護(hù)范圍不足以保護(hù)上千公里的輸電線，因此避雷線作為保護(hù)高壓線的新型接閃器就應(yīng)運(yùn)而生。在高壓線獲得保護(hù)后，與高壓線連接的發(fā)、配電設(shè)備仍然被過電壓損壞，人們發(fā)現(xiàn)這是由于“感應(yīng)雷”在作怪。（感應(yīng)雷是因為直擊雷放電而感應(yīng)到附近的金屬導(dǎo)體中的，感應(yīng)雷可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體，一是靜電感應(yīng)：當(dāng)雷云中的電荷積聚時，附近的導(dǎo)體也會感應(yīng)上相反的電荷，當(dāng)雷擊放電時，雷云中的電荷迅速釋放，而導(dǎo)體中原來被雷云電場束縛住的靜電也會沿導(dǎo)體流動尋找釋放通道，就會在電路中形成電脈沖。二是電磁感應(yīng)：在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場，在其附近的導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。）雷電在高壓線上感應(yīng)起電涌，并沿導(dǎo)線傳播到與之相連的發(fā)、配電設(shè)備，當(dāng)這些設(shè)備的耐壓較低時就會被感應(yīng)雷損壞，為抑制導(dǎo)線中的電涌，人們發(fā)明了線路避雷器。

　　早期的線路避雷器是開放的空氣間隙。空氣的擊穿電壓很高，約500kV/m，而當(dāng)其被高電壓擊穿后就只有幾十伏的低壓了。利用空氣的這一特性人們設(shè)計出了早期的線路避雷器，將一根導(dǎo)線的一端連在輸電線上，另一根導(dǎo)線的一端接地，兩根導(dǎo)線的另一端相隔一定距離構(gòu)成空氣間隙的兩個電極，間隙距離確定了避雷器的擊穿電壓，擊穿電壓應(yīng)略高于輸電線的工作電壓，這樣當(dāng)電路正常工作時，空氣間隙相當(dāng)于開路，不會影響線路的正常工作。當(dāng)過電壓侵入時，空氣間隙被擊穿，過電壓被箝位到很低的水平，過電流也通過空氣間隙泄放入地，實現(xiàn)了避雷器對線路的保護(hù)。開放間隙有太多的缺點，如擊穿電壓受環(huán)境影響大；空氣放電會氧化電極；空氣電弧形成后，需經(jīng)過多個交流周期才能熄弧，這就可能造成避雷器故障或線路故障。以后研制出的氣體放電管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了這些毛病，但他們?nèi)匀皇墙⒃跉怏w放電的原理上。氣體放電型避雷器的固有缺點：沖擊擊穿電壓高；放電時延較長（μs級）；殘壓波形陡峭（dV/dt較大）。這些缺點決定了氣體放電型避雷器對敏感電氣設(shè)備的保護(hù)能力不強(qiáng)。

　　半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為我們提供了防雷新材料，比如穩(wěn)壓管，其伏—安特性是符合線路防雷要求的，只是其通過雷電流的能力弱，使得普通的穩(wěn)壓管不能直接用作避雷器。早期的半導(dǎo)體避雷器是以碳化硅材料做成的閥式避雷器，它具有與穩(wěn)壓管相似的伏—安特性，但通過雷電流的能力很強(qiáng)。不過很快人們又發(fā)現(xiàn)了金屬氧化物半導(dǎo)體變阻器（MOV），其伏—安特性更好，并具有響應(yīng)時間快、通流容量大等許多優(yōu)點。因此，目前普遍采用MOV線路避雷器。

　　隨著通信的發(fā)展，又產(chǎn)生了許多用于通信線路的避雷器，由于受通信線路傳輸參數(shù)的約束，這一類避雷器要考慮電容和電感等影響傳輸參數(shù)的指標(biāo)。但其防雷原理與MOV基本一致。

二.現(xiàn)代防雷產(chǎn)品介紹

　　現(xiàn)代防雷產(chǎn)品種類繁多，大致可分為四大類：

1. 接閃器

　　避雷針是最早的接閃器，也是目前世界上公認(rèn)的最成熟的防直擊雷裝置。避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線是避雷針的變形，其接閃原理是一致的。對避雷針的接閃原理的認(rèn)識是有一個發(fā)展過程的，現(xiàn)在的滾球法理論比較全面地解釋了接閃器吸引雷電的各種現(xiàn)象，被國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)所采納。滾球法理論認(rèn)為：

　　1）接閃器的保護(hù)范圍如圖所示：半徑為R 的球與接閃器和地面相切繞接閃器滾動一周所形成的陰影區(qū)域即為接閃器的保護(hù)范圍。R 根據(jù)不同的防雷類別分別選為30米、45米、60米。

　　2）在保護(hù)范圍內(nèi)并不是沒有雷擊，只是雷擊能量較小，滾球半徑R 越小，進(jìn)入保護(hù)范圍的雷擊能量也越小，也就是說接閃器的防雷效果越好。

　　3）接閃器并非越高越好，超過60米的接閃器在技術(shù)上是沒有多大意義的。

　　理論上任何良好接地的金屬物體都可以作為接閃器，因此隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對接閃器的外形提出了要求，希望能與漂亮的現(xiàn)代建筑協(xié)調(diào)，出現(xiàn)了一些形狀各異，五彩繽紛的接閃器，但其防雷原理并沒有改變。

　　由于傳統(tǒng)接閃器并沒有消除雷擊，而只是將雷電流引向自身，這樣會帶來地電位升高、側(cè)擊、雷電流電磁干擾等問題，雖然能采用其它技術(shù)手段解決，但人們總希望有一勞永逸的解決方法。近年來出現(xiàn)了一些新產(chǎn)品，聲稱在進(jìn)一步控制雷電方面取得了成果。

　　1）消雷器

　　消雷器是國內(nèi)近年來有非常大影響的防雷產(chǎn)品。它是希望改變接閃器的材料和形狀來產(chǎn)生電流綜合雷云中的電荷，讓雷云在消雷器的保護(hù)范圍內(nèi)無法建立起接閃所需的場強(qiáng)，以達(dá)到消雷的目的。由于消雷器所聲稱的效果完全滿足了人們所希望的.防雷效果，因此一段時間內(nèi)消雷器風(fēng)靡國內(nèi)市場。后來國內(nèi)許多專家提出異議，認(rèn)為消雷器的原理在技術(shù)上無法實現(xiàn)，并在理論上和實踐上提出了大量例證，市售消雷器并不能真正消雷。由于兩派觀點都有國內(nèi)知名防雷專家支持，所以消雷器在國內(nèi)防雷學(xué)術(shù)界引起極大的爭論，遺憾的是最后這些爭論發(fā)展到超出了學(xué)術(shù)范疇，認(rèn)為是專家的道德問題，有的居然提到了偽科學(xué)問題。結(jié)果誰也沒被說服，爭論最后以行政命令禁用消雷器而告終。在消雷器的繁榮時期，許多廠家也提供與消雷器相似原理的接閃器，名目繁多，有導(dǎo)體消雷器、半導(dǎo)體消雷器、大幅度降低接閃電流的特殊避雷針等。在各部發(fā)文禁用消雷器后，這些產(chǎn)品也銷聲匿跡，或改頭換面。

　　2）特殊避雷針

　　還有一些避雷針承認(rèn)自己接閃雷電，但其保護(hù)范圍特別大，而且不會因為加裝了避雷針而增大雷擊概率。這一類產(chǎn)品在市場上的份額不大，沒多少人去深究其技術(shù)原理的可行性。但在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定任何接閃器都只能按滾球法校核保護(hù)范圍。

　　3)引下線

　　一些廠家不在接閃器上作文章，卻在引下線上采取措施，他們認(rèn)為接閃器接閃時大量的雷電流通過引下線入地，會在周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)雷，因此推出有屏蔽作用的引下線。必須指出：感應(yīng)雷主要是由雷云的靜電感應(yīng)引起的，只屏蔽引下線作用并不大，而是要加強(qiáng)所有導(dǎo)線的屏蔽效果，才能削弱感應(yīng)雷。

　　其實，在國標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057—94）中，對金屬引下線的規(guī)定就已采取了降低引下線電磁干擾的措施，如多根引下線的分流作用，均勻?qū)ΨQ的布置在建筑物四周可相互抵消內(nèi)部電磁場，利用建筑物的鋼筋框架這個很好的屏蔽籠（法拉第籠）接閃引下雷電流等。因此，普通金屬引下線的方法在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上都是可行的。

　　2. 低壓電源避雷器

　　原郵電部的分析統(tǒng)計表明：通信站80%的雷擊事故是由雷電波侵入電源線造成。因此，低壓交流避雷器發(fā)展非常迅速，而以MOV材料為主的避雷器在市場上占有統(tǒng)治地位。MOV避雷器的生產(chǎn)廠家眾多，其產(chǎn)品的差別主要表現(xiàn)在：

　　1）通流容量

　　通流容量是避雷器所能耐受的最大雷電流（8×20`μs）。信息產(chǎn)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)定》（YD5078－98）對電源避雷器的通流容量做出了規(guī)定，首級避雷器大于20千安。不過目前市場上避雷器通流容量有越做越大的趨勢，通流容量大避雷器不容易被雷擊損壞，耐受小雷電流沖擊的次數(shù)增加，殘壓也略有降低，采取冗余并聯(lián)技術(shù)的避雷器還提高了保護(hù)能力的可靠性。但是避雷器的損壞并不都是由于雷擊造成。

　　目前，有人提出檢測避雷器應(yīng)采用10×350μs電流波，其理由是IEC1024和IEC1312等標(biāo)準(zhǔn)在描述雷電波時采用了10×350μs波。這種說法是不全面的，因為在IEC1312中對避雷器進(jìn)行匹配計算時仍然采用8×20μs電流波，在IEC1643《低壓配電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備（SPD）——選用原理》中也采用8×20μs波來作為檢測避雷器（SPD）的主要電流波形。因此，不能說用8×20μs波檢測避雷器的通流容量是過時的，也不能說用8×20μs波檢測避雷器的通流容量就不符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　2）保護(hù)電路

　　MOV避雷器的失效有短路和開路兩種形式，強(qiáng)大的雷電流可能將避雷器擊壞，形成開路故障，這時避雷器模塊的外形往往會被破壞。避雷器也可能因時間長材料老化而動作電壓下降，當(dāng)動作電壓下降到低于線路工作電壓的水平時，避雷器通過交流電流增加，避雷器發(fā)熱，最終會破壞MOV器件的非線性特性，導(dǎo)致避雷器部分短路燒毀。電源線路故障造成的工作電壓升高也可能產(chǎn)生類似情況。

　　避雷器的開路故障不影響電源供電，要檢查動作電壓才能發(fā)現(xiàn)，因此避雷器需定期檢查。

　　避雷器的短路故障影響電源供電，發(fā)熱嚴(yán)重時會燒毀導(dǎo)線，需要保護(hù)報警電路來確保供電安全，過去主要是在避雷器模塊上串聯(lián)保險絲，但保險絲既要保證雷電流通過又要在短路電流出現(xiàn)時熔斷，在技術(shù)上實現(xiàn)起來較困難，特別是避雷器模塊多是部分短路，短路時流過的電流并不大，但持續(xù)電流足以使主要用于泄放脈沖電流的避雷器嚴(yán)重發(fā)熱。后來出現(xiàn)的溫度斷開裝置較好地解決了這個問題，通過設(shè)定裝置的斷開溫度來檢測避雷器的部分短路，一旦避雷器發(fā)熱裝置自動斷開，并給出光、電、聲地報警信號。

　　3）殘壓

　　信息產(chǎn)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)定》（YD5078－98）對各級避雷器的殘壓做出了具體要求，應(yīng)該說標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)是很容易達(dá)到的，MOV避雷器的殘壓是其動作電壓的2.5—3.5倍。直接并聯(lián)的單級避雷器其殘壓差別并不大，降低殘壓的措施是降低動作電壓和增大避雷器通流容量，但動作電壓太低由于電源不穩(wěn)造成的避雷器損壞就會增加。國外一些產(chǎn)品在進(jìn)入中國市場初期，動作電壓都很低，后來都大大提高了動作電壓。可以通過兩級避雷器來降低殘壓，如圖所示：

　　雷電波入侵時避雷器1放電，產(chǎn)生的殘壓為V1；流過避雷器1的電流為I1；避雷器2放電的殘壓為V2，流過的電流為I2。這樣就有：

　　V2=V1-I2Z

　　顯然避雷器2的殘壓低于避雷器1的殘壓。

　　有廠家提供兩級防雷的避雷器，用于單相電源防雷，因單相供電的功率一般在5KW以下，線路電流不大，阻抗電感容易繞制。也有廠家提供三相的兩級避雷器，因三相電源的功率可能很大，因此這中避雷器的體積大、價格高。

　　在標(biāo)準(zhǔn)中要求在電源線上多級加裝避雷器，其實也能實現(xiàn)降低殘壓的效果，只不過是利用了導(dǎo)線的自感做各級避雷器間的隔離阻抗電感。

　　避雷器的殘壓只是避雷器的技術(shù)指標(biāo)，真正加在設(shè)備上的過電壓還要在殘壓的基礎(chǔ)上加上避雷器與電源線、地線連接的兩段導(dǎo)線電感產(chǎn)生的附加電壓，因此正確的安裝避雷器也是降低設(shè)備過電壓的重要措施。

　　4）其它功能

　　避雷器還可以根據(jù)用戶需要提供雷擊計數(shù)器、監(jiān)控接口和不同的安裝方式。