| 淺析系統的外部過電壓及其防護 |
|
| [大
中 小] |
|
1.概述
系統中的外部過電壓是由雷云放電所引起的。一種是由于雷云感應使電氣設備引起的過電壓，稱為感應過電壓; 另一種則是雷云通過電力網或設備直接放電而引起過電壓稱為直擊雷過電壓。外部過電壓都是由于系統外部的大氣影響而產生的，故又稱大氣過電壓。
隨著電子技術的發展，電子器件已進入大規模集成電路時代。電子設備的功能得以改善，運行的可靠性不斷提高，然而防雷的能力卻大大地降低了。現在，每年遭到雷擊而造成的損失數以億元計，所以研究保護微電子設備免遭雷電危害已成為一個重要課題。雖然在上個世紀出現了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于對雷電的了解不全面或對器件性能的偏見，往往得不到預期的效果。由于不得其法，浪費了大量資財。研究雷電形成的機理，創新新的防雷理論和技術，探討防雷規范中的不足，完善整體防雷體系，以求防雷研究新的進展。
2.雷電場的產生
雷電的能量是巨大的，在人類活動中，任何單一的電站所發出的電能不可能產生一次雷電所釋放的能量，那么這樣大的能量積聚是怎樣形成的，下面從物質運動論的角度來探討雷電場的產生。
由于物質的運動自然界產生巨大的自由電荷，當然這些自由電荷是產生雷電的根源。從電子學中得知，要形成一個強大的電場，一定是其中一方是同性質電荷的積累，但是在天空中空氣是絕緣的，同性質的電荷又相斥，它們不可能積聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物質受氣流、宇宙射線的影響而產生自由電荷，且不斷增加，在大氣層的擠壓下向太空高層運動，形成一個電離層，這個電離層是含單性電荷的電子層，其電場的能量是不可估量的。
當大氣層中出現潮濕的空氣，在上升階段又遇冷空氣結成水狀云塊時，由于云塊可看成是一個整體的導體，在電離層電場力的作用下，云層中的電子推向面向地的一端，雖然云塊正負電荷的絕對值相等，但實際上形成了一個靜電場，在晴天，云塊遠距地面而且云塊與大地間潮濕空氣較稀，它們之間介質絕緣程度較高，不易發生擊穿放電現象，但是在雨天，特別是熱雨季節，由于云層下降，空氣潮濕，在此條件下帶電云塊擊穿空氣向大地放電而形成雷電。
雷電不單純是空間對地放電，往往在空間也會形成雷電。這是因為帶電云塊在空間的位置較高，當地面的潮濕空氣急速上升時，它與帶電云塊形成的電場在空間放電，形成高空雷電。
云塊受電離層電場力的作用產生靜電現象，這些云塊向地放電以后，其本身產生電離即云塊的正負電量的絕對值不相等，形成帶電現象，帶電云塊隨著氣流運動與另一云塊形成電場，當它們逐漸接近時產生放電現象是形成空中雷的原因，當我們觀察雷電在空間放電時，往往是一次接一次有連續不斷的感覺。
2.1直擊雷過電壓
有時雷云較低，周圍又沒有帶異性電荷的云層，而在地面上又有高大的樹木或建筑物，雷云就會通過這些物體對大地放電。這種放電首先是由云端先發出一個不太明亮而以跳躍式向大地前進的通路開始的，一般每跳躍前進50米，就要短暫停頓30～90μs然后再繼續前進，這種放電叫做階段式先驅放電。當先驅放電的通路到達大地時，主放電才開始，主放電是從大地開始向云端發展。此時放電通路極其明亮肉眼常常可以觀察到，隨著主放電向上發展，其亮度則逐漸降低，一到云端，主放電也就完成了。主放電以后尚有較微弱的余光，余光的持續時間可達千分之幾至百分之幾秒。余光階段過后，就結束了整個脈沖放電過程。也有的雷云放電不只是一個脈沖，而是包含著3～4個脈沖的重復放電，后幾個脈沖的先驅放電不是以跳躍方式向前發展，而是連續的先驅放電。
雷云在先驅放電時，其電流并不大，因此時雷云的負電荷只是處在放電通路積聚的過程中。當先驅放電到達大地以后，大地的正電荷急速中和放電通路中的負電荷，此時電流很大，能達幾百kA，一般叫做雷電流。至于“余光”則是主放電后向大地泄漏電荷的過程，其電流值很小。
當雷云通過線路或電氣設備放電時稱為直擊雷。主放電瞬間通過線路或電氣設備將流過數十萬安培的巨大雷電流，此電流將以光速向線路兩端涌去。這時若沒有適當設備將雷電流迅速引入大地，則大量電荷將使線路發生很高的過電壓，勢必將絕緣薄弱處擊穿而導入大地。這種過電壓稱為直擊雷過電壓，它的大小取決于雷電流的幅值與雷電流波頭的陡度（即雷電流變化的速度）。
如果直擊雷落在鐵塔上，雷云通過鐵塔放電，一旦鐵塔底腳接地電阻過大，則雷電流導入大地時，熱必在鐵塔上產生很高的電壓降。有可能擊穿設備或線路的絕緣，這種現象通常稱為“反擊”。
2.2感應過電壓
在送電線路或電氣設備上除了直擊雷過電壓外，還會出現感應過電壓，即當線路或設備附近發生雷云放電時，雖然雷電流沒有直接擊中線路或設備，但在線路導線上會感應出大量的和雷云極性相反的束縛電荷，這種束縛電荷可抵償雷云電荷所產生的電場在導線上所引起的電位升高，因而使導線的電位仍維持原來的情況，對線路的運行并無任何影響。但雷云對大地上其它目標（如附近的山地或高大樹木等）放電以后，雷云中所帶電荷迅速消失，導線上的感應電荷就會失去雷云電荷的束縛而成為自由電荷，并以光速向導線兩端急速涌去，從而出現很高的過電壓，這種過電壓稱為感應過電壓，這種感應過電壓幅值的大小和雷云放電時雷電流的幅值、線路導線對地的平均高度以及線路距直擊雷地點的距離等有關。其幅值有時可達500～600kV，足以使60～80cm的空氣間隙發生放電。所以感應過電壓對60kV以下的送電線路還是有很大危害的，應引起足夠的注意。
3.雷電防護
3.1外部防雷裝置與內部防雷裝置
雷擊是嚴重的自然災害之一，為了避免電氣設備遭受直擊雷以及防止感應過電壓擊穿絕緣，我們通常采用避雷針、避雷線、避雷器等設備進行過壓保護。但就我國而言，過去防雷設計在整個建筑設計中所占的比重雖然很小，但雷擊所造成的損失卻無法輕視。由于雷電具有高電壓、大電流和瞬時性特點，強大的閃電產生靜電場、電磁場和電磁輻射，以及雷電波侵入、地電位反擊等，統稱雷電電磁脈沖LEMP，嚴重干擾無線電通訊和各種電子設備的正常工作，在一定范圍內造成許多微電子設備損壞。IEC指出：“雷電，高科技的天敵”。因為防雷電電磁脈沖LEMP這是富蘭克林避雷針等防直擊雷系統無法保證的。雷擊釋放出數百焦耳能量，這一能量與足可影響敏感的電子設備毫焦耳量級的能量差別懸殊，需要有一種合理的工程保護方式。既要防護直擊雷，又要防護雷電電磁脈沖LEMP，稱為綜合防雷工程。綜合防雷工作一是要防護直擊雷；二是要防閃電電磁脈沖。
國際電工委員會編制的標準（IEC1024－1）將建筑物的防雷裝置分為兩大部分：外部防雷裝置和內部防雷裝置，建筑物的防雷設計必須將外部防雷裝置和內部防雷裝置作為整體統一考慮。
外部防雷裝置（即傳統的常規避雷裝置）由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成。接閃器（也叫接閃裝置）有三種形式：避雷針、避雷帶和避雷網，它位于建筑物的頂部，其作用是引雷或叫截獲閃電，即把雷電流引下。引下線，上與接閃器連接，下與接地裝置連接，它的作用是把接閃器截獲的雷電流引至接地裝置。接地裝置位于地下一定深度之處，它的作用是使雷電流順利流散到大地中去。
內部防雷裝置的作用是減少建筑物內的雷電流和所產生的電磁效應以及防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等二次雷害。除外部防雷裝置外，所有為達到此目的所采用的設施、手段和措施均為內部防雷裝置，它包括等電位連接設施（物）、屏蔽設施、加裝的避雷器以及合理布線和良好接地等措施。隨著電子設備的廣泛使用，雷電電磁脈沖的危害也相對嚴重起來。只設計外部防雷裝置而不配之內部防雷手段，接閃器再好，也無法獲得好的防雷效果。
閃電電磁脈沖LEMP襲擊電子設備的途徑有：
3.1.1雷電能量作用于與電子設備相連的各種導線上，形成雷電波或感應過電壓沿導線侵入電子設備，包括配電線、信號線、天饋線;
3.1.2雷電能量直接侵入耦合作用于電子元件上造成元器件誤動作和損壞；
3.1.3地電位反擊，損壞設備的元器件的絕緣材料。
采取各種措施堵住雷電能量侵入電子設備的各種途徑，使得電壓為幾十萬伏，電流為幾萬安培的雷云放電能量在進入電子設備內部時，衰減為各種弱電設備能承受的幾十伏、幾百毫安水平，這是電子設備防雷工作者的主要任務。
當今社會科學的進步，使雷電電磁脈沖防護成為雷電防護新的焦點。有關閃電電磁脈沖LEMP的防護措施：屏蔽、等電位連接、合理布線、加裝電子避雷器限制侵入電子設備的雷電過電壓幅值等是有效的方法。這些措施聯合使用,互相配合,各負其責，缺一不可。為了減小雷電效應、減小電磁干擾,屏蔽是基本措施，建筑物的屏蔽、機房的屏蔽、線路的屏蔽、設備的屏蔽是重要方法,電子計算機網絡和中心機房采用六面屏蔽方法，已不是什么新鮮的事了。為了徹底消除雷電引起的毀滅性的電位差，就特別需要實行等電位連接,在建筑物的首層、頂層以及各機房均應實行等到電位連接。為了減小感應效應,電力線、信息通訊線路應合理進行安排，保持間距或者采用穿金屬管屏蔽等方法。
3.2球雷的防護
在國際建筑物防雷標準（IEC/TC－81）和我國的《建筑物防雷設計規范》中，均沒有對球雷的防護作出規定。而在我國的部分地區的球雷事故還是不少的，球狀閃電約占閃電統計總數的13.7％。盡管國內外科技人員對球狀閃電的形成機理尚無一致的觀點，但對其性質、狀態和危害還是比較清楚的。
球雷（即球狀閃電）是一種橙色或紅色的類似火焰的發光球體，偶爾也有黃色、藍色或綠色的。大多數火球的直徑在10～100cm左右。球雷多在強雷暴時空中普通閃電最頻繁的時候出現。球雷通常沿水平方向以1～2m/s的速度上下滾動，有時距地面0.5～1m，有時升起2～3m。它在空中漂游的時間可由幾秒到幾分鐘。球雷常由建筑物的孔洞、煙囪或開著的門窗進入室內，有時也通過不接地的門窗鐵絲網進入室內。最常見的是沿大樹滾下進入建筑物并伴有嘶嘶聲。球雷有時自然爆炸，有時遇到金屬管線而爆炸。球雷遇到易燃物質（如木材、紙張、衣物、被褥等）則造成燃燒，遇到可爆炸的氣體或液體則造成更大的爆炸。有的球雷會不留痕跡地無聲消失，但大多數均伴有爆炸聲且響聲震耳。爆炸后偶爾有硫磺、臭氧或二氧化碳氣味。球雷火球可輻射出大量的熱能，因此它的燒傷力比破壞力要大。
防護球雷并不困難，應該在規范或標準中規定相應的措施。就防護球雷措施而言，最好是籠式避雷網，如果達不到籠式避雷網條件，就在建筑物的門窗上安裝金屬紗網并接地；堵好建筑物墻面上不必要的孔洞；煙囪與出氣管上口均要加裝鐵絲網并接地；儲存或損傷易燃易爆物體的倉庫和廠房的煙囪和放氣管應加裝阻火器并接地。對高大樹木下的重要建筑物尤其要采取防護球雷的措施。
3.3防護等級
為了抑制由傳導來的線路過電壓和過電流,以及對無法使用導體直接連接的部分實行等電位連接,應使用電子避雷器（電涌保護器）進行分級保護，對于電源系統，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、級防護措施,從而將雷電過電壓降到設備能承受的水平。采用Ⅰ級電源避雷器很難滿足需要,必須用多級保護的概念，多級相互配合，充分發揮各級器件的優點，以實現整體性能。要注意考慮最后一級避雷器的電壓保護水平,它必須低于需要保護的設備耐沖擊電壓的能力。
對于信息系統，一般分為粗保護和細保護，而細保護則要根據電子設備的敏感度來進行選擇。天饋線每根饋線應串接一個相適應的天線饋線避雷器。防雷技術已經進入規范階段，近幾年我國已先后出臺若干強制性國家標準,IEC1024及IEC1312等標準。現代的防雷工程技術已進入一個新的時期，由于通訊技術的不斷前進，綜合防雷工程技術及其應用的各種產品還將不斷向前發展。
3.4我國防雷技術發展
就防雷歷史而言在上個世紀80年代以前，我國沒有建筑物防雷規范，建筑電氣設計人員只能憑自己的認識設計避雷針，我國建國初期大多是按照日本的45°～60°保護角確定避雷針的保護范圍，用三叉小針銅避雷針、銅引下線和1m×1m銅板作為接地裝置。50年代初期，引進蘇聯技術，采用拋物線或折線計算法，用鐵管或鍍鋅元鋼做避雷針，用鍍鋅元鋼做引下線，地下打入3～5m長的鍍鋅鐵管或鋼材作接地極，以致現在的避雷帶和避雷網均采用鍍鋅鋼筋或扁鋼。
1958年9月在建工部設計局于武漢召開的“全國電氣設計人員交流大會”上，提出的雷擊規律、防雷標準、保護方式、設計要點、屋頂板內鋼筋作接閃裝置的理論以及詳細的設計實例和數十種做法大樣得到了與會代表的一致贊同，以后被廣泛采用。
1962年5月出版的《民用建筑物防雷保護》和1980年9月出版的《建筑物防雷設計》中關于是建筑物防雷設計的六項重要要素是；接閃功能、分流影響、屏蔽作用、均衡電位、接地效果和合理布線。而國內外的標準和規范都離不開這六要素，有的單位還把它們作為設計原則。籠式避雷網和等電位連接早在1958年就在人民大會堂的設計和工作實踐中采用了，而國際上戈爾德（G.H.Golde）于1997年才在《雷電》一書中談到等電位連接的做法，所以我國的防雷研究和實踐并不落后。
防雷裝置接閃后，建筑物引下線附近的設備會受到雷電流的感應，這就是雷電電磁脈沖干擾。90年代以前，國際和國內的規范都沒有關于雷電電磁脈沖的規定。1992年國際電工委員會建筑物防雷專委會（IEC－TC/81）才開始討論這個問題。1995年2月，該機構發布了國際標準《雷電電磁脈沖的防護》（IEC1312－1.2.3），目前我國尚沒有類似的規定。
隨著電子技術的飛速發展，電子計算機早已步入社會的各行各業。建筑物內幾乎無不設有復雜程度不同的微電子設備和計算機系統，民用建筑也不例外。雷電電磁脈沖干擾日益成為頻發事故。雷電電磁脈沖防護已成為當今雷電防護的設計重點。雷電防護是一系統工程，其是一門多學科、多專業的交叉學科，所以在建筑物防雷設計中，需系統、整體、多專業的去規劃建筑物的防雷體系；從整體上解決建筑物的防雷設計問題。
研究建筑物防雷應從雷擊事故調查入手，找出雷擊規律，然后，利用雷擊模擬實驗，對所總結的規律和所提出的解決方案予以驗證。研究人員應根據科技的發展，不斷吸收新的理論和防雷技術，來滿足不斷變化的社會需要。
4.避雷針與避雷器
19世紀后葉，人們發現金屬導體尖端放電現象。避雷針是典型的利用尖端放電原理做成的防雷裝置，在被保護物體上架設一根金屬針，并將它與地相通。它是怎樣避雷的呢？解釋是這樣：當避雷針置于空中對地這個雷電場時，由于避雷針與大地有良好的接觸，此時電場能量通過避雷針放電，雷電場消失，使它不發生大電流的放電，從而起到消雷的作用。但是這種解釋也有不清楚的地方，即位于強大的雷電場下的避雷針，能否按人們的意愿慢慢地放電使雷電場消失呢？從電學原理也說不通。因為強大的雷電場就像炸藥缺少引信一樣，避雷針所指的空間就像引信，由于避雷針的引導會一觸即發。因為其高度和良好的接地條件要優于其它位置，同時尖端形成的電場又大于其它地方，所以強大的雷電場以避雷針為中心放電區，如果說避雷針本身不具有電抗，接地電阻又達到零值，數以億安計的雷電流可以順利通過它，不會形成熱效應和雷電位，便可達到避雷目的。但避雷針本身和引線存在著電抗，接地電阻不可能為零，所以雷擊過程中，它沒有避雷能力，只起到雷擊位置的引導作用。人們認識到這一點，但對避雷針有所偏愛或者說對雷電成因不理解，他們將雷電解釋為是本位置產生的，就是講不清楚的原因，在避雷針設置的地方和相對的空間形成電場，由于避雷針逐步放電而使這一電場建立不起來，所以避雷針起到消雷的作用。事實上從20世紀以來人們對避雷針的避雷作用公開地提出了質疑，因為避雷針成為引雷針的事件屢見不鮮。
然而避雷針在下述情況能發揮一定作用，當帶電云塊的電量很小，而且又遠離地面與大地形成不太強的電場時，避雷針對其電場逐步放電達到消除這個電場的目的。地面有些物體與大地是絕緣的，比如木質結構的古建筑物，在感應雷和直接雷的作用下，可能會帶上靜電，由于靜電的存在可能引起火災，如果在這些物體上架設避雷針，就可使建筑物與大地形成等電位，避免這些物體在雷電場作用下帶靜電。
但是，現代的建筑物幾乎都是鋼筋水泥結構的，它與大地已形成了等電位，顯然架設避雷針是多余的。但是現在的建筑物仍沿襲老規矩架設避雷針，其原因很明顯，主要是責任和規范問題。
幾乎在出現避雷針的同時，在輸電線上人們利用尖端放電現象發明了尖端放電避雷器，兩個尖端所形成的電場在一定間距內放電，這個間距的大小可以設定在一定電壓下放電，于是將它安裝在輸電線上，使雷電的超壓值通過此放電器引導入地達到避雷的目的。20世紀初葉，輸電線上普遍安裝了形似羊角的羊角避雷器，但是由于羊角避雷器在泄放雷電過程中，空氣被加熱引起電弧不斷，雖然有引導電弧上升的形態，但雷電過后，電路不能正常供電。于是在尖端放電的基礎上加了對電壓敏感的電阻元件，此元件在超過額定電壓時呈現的電阻小，反之阻值增大，對過壓引起的電流起到開關作用，這種避雷器稱“閥型避雷器”。按壓敏原理又派生出氣敏和氧化鋅器件。
不管羊角型、閥型、氣敏和壓敏避雷器，它們的結構企圖達到的目的是：使輸電線上的過壓值，通過這些器件，箝位在人為的整定值上，從而使用戶設備的端電壓不超過額定電壓，確保用戶設備的安全。
現在形形色色的避雷器，如果單純地就其本身結構來判斷是否有防雷作用是不全面的，還要看這些器件用在什么電路。下面介紹幾種電路在雷電過程中的反應：
4.1高壓輸電線雷電勢的分布與過渡
高壓輸電線是三相三線制，線對地是絕緣的。不管輸電線受感應雷或直接雷影響，在三線中的雷電勢的電位和相位均是相同的，線與線之間的電位差等于零。所以當雷擊高壓輸電線時，主要危及輸電線及其在線路上運行的變壓器的對地絕緣。在三線的輸電線中，由于各種原因三線對地絕緣系數不盡相同，特別是高壓側的避雷器絕緣性能更難求得一致，所以在雷擊過程中會出現一線首先向地放電現象。由于一線放電，該線雷電位迅速下降，此時另外二線的雷電位就高于放電線，線與線之間就出現了雷電位差，這個電壓通過變壓器高壓側繞組，低壓側（即變壓器副邊）就由于電磁感應出現雷電壓，這個電壓很高時就危及用戶設備的安全。
4.2低壓輸電線雷電勢的分布與過渡
低壓為三相四線制，零線與大地相連，雷電發生在低壓電線時，由于零線本身存在著電抗，接地電阻不可能達到零值，四線上的雷電都向地放電，此時的低壓輸電線首先是零電位急劇上升，當然相線由于零電位上升而相應上升，而且每相向零線放電時，都是通過用戶設備進行的，由于各自的負載不同，相應的雷電位也不盡相同，這樣又出現了相對零線間和相間的雷電流。所以當雷擊低壓線時，對用戶設備造成破壞的一是對地絕緣，二是超壓過載，往往由于零線電位升高而破壞用戶絕緣的故障最明顯。
4.3小電流電路
所謂小電流電路系指電源功率容量小、電源內阻高的電路網絡，這種電路我們常見的如電話外線及電子線路本身。
上面說過，目前的防雷器件是由尖端放電和壓敏原理派生，這些器件用于線路超壓保護時，接線方式一般為線間并聯及線與地間并聯，這種器件在小電流電路上是能有效地箝定超壓電流的，因為小電流電路功率容量小，電源內阻高。比如：當雷電沖擊電話用戶時，雷電流通過用戶線傳導到交換機的終端，如果交換機終端安了壓敏器件，壓敏器件對雷電流進行泄放時，電話線路由于阻值大將雷電流給予限制，因此壓敏器件能箝定在它的閾值上。在電子電路中，我們常見在穩壓二極管的前面串聯一只電阻，這只電阻是限流電阻，也可看成是為增加電源內阻而設定的，由于此電阻的限流，穩壓二極管就能將電壓箝定在它的閾值上，但負載電流不能大，否則穩壓值低于閾值，所以在小電流電路中，使用壓敏器件進行電壓的箝位能有效地防止雷電的沖擊，就是說防雷效果是顯著的。
4.4大電流電路
大電流電路一般指電源電路，這種電路的特點是功率容量大、電源內阻小。如果在這樣的電路上使用壓敏器件并聯在線路上，力圖用壓敏器件的過壓放電特性，將過壓值箝定在壓敏器件的閾值上顯然是做不到的。雷電要在電源電路形成超壓狀態，它的功率能量必須大于電源電路的能量，這樣一個巨大的能量由壓敏器件泄放而器件本身不損壞是不可能的，這是因電源內阻小，就是在壓敏器件放電過程中，壓敏器件兩端電壓不會低于線路的過壓值，這樣用戶設備同樣受雷電過壓的沖擊。
現在市面上有些設備號稱具有防雷功能，單純的將防雷器件并聯在電源上，并在電源電路上串聯保險絲。理論上認為在雷擊過程中，壓敏器件放電而使電路過流而熔斷保險絲，達到避雷的目的。這樣的接線，對功率器件即電機和電力變壓器有一定的避雷作用，但對于微電子設備沒有防范功效。前面說過加在壓敏器件上的過壓值同時加到了用戶設備上，而且由于電源內阻小，電壓不會因此而降落很多，另外，保險絲是一個熱元件，有一個熔斷時間，所以用保險絲與壓敏器件配合的避雷器裝置，對于微電子設備而言是不可取的。
要使壓敏器件在電源電路上發揮避雷作用，只有增加電源內阻即在電路上串聯電抗元件，但是由于這個電抗元件使電路在正常工作狀態下，降低了工作電壓，同時又隨負載的變化而波動而使電源不能使用，所以當今防雷問題的焦點幾乎在電源線引雷問題上。
由于電源線上不能串聯電抗元件，但又要使用壓敏器件泄放雷電流，于是有人從雷電頻譜入手，提出了雷電的浪流現象。什么是浪流呢？雷電如水浪一樣來勢兇猛，下降迅速，認為這樣一個沖擊電流主要分量在高頻，所以在電路上使用毫亨級的電感就能防止浪流。當然毫亨級的電感對于50Hz的電源頻率幾乎不形成有影響的電抗。但是前面說過，雷電是靜電場的放電現象，主要分量是直流，諧波頻率較寬。這個交流分量很小，所以把雷電頻譜定在高頻是不對的，因此使用高頻電感的方法要獲得較好的防雷效果是不可能的。
當前對于微電子設備的防雷方法使用1∶1變壓器，普遍認為具有較好的防雷效果，因為它能阻止浪流，起隔離作用。但這種解釋沒有說到實質上。應該是1∶1隔離變壓器將大功率容量的電源變成了定功率容量的電源。由于變壓器具有磁飽和效應，如果在它的副邊并接壓敏器件，由于功率容量受到限制，壓敏器件能將電壓箝位。因為現在生產的氧化鋅壓敏器件瞬間電流可達數千安培。
5.常規防雷裝置與非常規防雷裝置
常規防雷裝置即傳統上所使用的防雷裝置，包括避雷針、避雷帶、避雷線和避雷網。它是繼1759富蘭克林發明避雷針后各國防雷專家經200多年研究和實踐的成果，有充分的理論根據、實驗數據和長期的實際運行經驗。
非常規防雷裝置指某些廠商近年推出的所謂的新式防雷裝置。本文所指的所謂新式防雷裝置是半導體消雷器、導體消雷器、優化避雷針和流注提前發射接閃器等（本文這里不指激光引雷裝置、火箭引雷裝置和水柱引雷裝置等）。各種消雷器的設計思想是企圖中和雷云電荷，把雷電荷消滅掉或限制放電電流；各種提前發射接閃器的設計思想是企圖把避雷針的接閃效果提高，即擴大保護范圍。這幾種防雷產品到目前為止都沒有被國際防雷組織所承認。
其實，從1996年起到現在，許多專家都認為消雷器的“中和”理論和“限流”理論站不住腳。1997年9月18~23日中國電機工程學會高電壓專委會過電壓與絕緣配合分專委會在合肥舉行了學術討論會。論題之一就是半導體消雷器，與會者進行了熱烈的討論。特別值得一提的是為驗證半導體消雷器的通流能力而做的一次實驗。該實驗充分表明，半導體消雷器的通流能力極低。會議《紀要》曰：“與會代表認為，迄今為止，理論和實踐未能證明此類非常規防直擊雷產品具有產品說明書所表述的性能，實踐也未顯示出此類產品具有比常規防防直擊雷裝置更優越的性能，還有許多問題尚待研究和解決，因此此類非常規防直擊雷產品不再在工程中采用。還有少數代表對此尚有不同意見。”
實際上，消雷器廠商所賣的只不過是接閃器。其引下線、接地裝置及內部防雷裝置還得靠設計人員按常規方法去設計，而這些都是建筑設計中的重要環節。而采用新“消雷理論研制的消雷器件”如何在設計中計算防雷區域，目前沒有資料論述。
5.1常規避雷針應用中存在的問題
隨著科學技術的進步，避雷針作為現代化的防雷手段，有其不完善的方面，對在實際應用中存在的問題歸納如下：
5.1.1保護范圍；國內外不少防雷專家，對避雷針能向被保護物有多大的保護距離做了系統的研究得出的結論是：“對一根垂直避雷針無法獲得十分肯定的保護區域”。英國的BS6551法規曾指出：“經驗顯示不能依賴避雷針提供任何保護區內的完整保護”。而德國防雷法規則有意識地不引入避雷針保護范圍的概念。從避雷針因側擊雷、繞擊雷，造成事故的實例來分析，其保護范圍是不十分肯定的。
5.1.2感應過電壓；由于避雷針的引雷作用，所以雷擊次數就會提高，當雷電被吸引到針上，在強大的雷電流沿針而流入大地過程中，雷電流周圍形成的磁場會產生截應過電壓，它與雷電流的大小及變化速度成正比，與雷擊的距離成反比。而被保護物的自然屏蔽裝置對電磁感應或電磁干擾的屏蔽作用，不能達到有效屏蔽，使被保護區內的弱電設備因感應過電壓而損壞。
5.1.3反擊問題；當雷電被吸引到針上，將有數千安的高頻電流通過避雷針及其接地引下線和接地裝置，此時針和引線的電壓很高，若針對被保護物之間的距離小于安全距離時，會由針及引下線向被保護物發生反擊，損壞被保護物。我國國標規定針距被保護物的空氣中距離≥5米，針距被保護物的接地裝置間的地中距離Sd≥3米，針對這一要求，微波塔和電視發射塔的各種天線上的避雷針是難以滿足規范的要求。
5.1.4其它；受雷擊的針及引線，在高頻雷電流作用下，將從接觸點至地面產生一個較高的接觸電壓。當雷電流流入大地擴散時，在入地點沿半徑各點形成不同的電位，若跨入該區域會產生很高的跨步電壓。在測避雷針不適用于對弱電設備的保護，更不易用于易燃易爆品的防雷保護。因它引來強大的雷電流在接地引線斷線卡處易產生火花，還會在附近的金屬開口環處產生火花，從而引起事故。
5.2問題探討
國內外防雷專家關于“消雷技術”之爭，已成為防雷領域最大爭論的焦點。因為“消雷技術”是一發展中的防雷技術，是對傳統的防雷理論的創新，就其理論仍有待于進一步的去研究、完善和探討。“消雷技術”在我國的防雷學術界從理論研究和實驗，都作了大量的工作，并于70年代末分別在西昌衛星發射場和武漢水利電力學院兩地進行了實驗工作，并取得了大量的實驗數據，在其試驗總結報告中對“消雷器”作出定性的結論。因雷電是一自然現象，而引雷防雷和“消雷”防雷都必須遵循雷電規律，順應客觀規律，實事求實的去研究和完善防雷技術，因規范對“消雷器”不規范的宣傳。
因引雷防雷技術在實際應用中，存在諸多不足，故在改善和完善傳統的防雷技術是勢在必行，創新發展防雷技術，以滿足現代科技對防雷保護提出的更高要求。古人在防雷理論及應用雖與現代科學對防雷保護的認識有所不同，但其自然消雷系統均達到良好的防雷效果，都需要我們去研究，采用現代的科技手段，去研究古人的防雷理論，是很有現實意義的。因防雷理論涉及到地磁場、空間電場、空間氣流場，地理，地質、氣象等多學科的綜合科學。研究我國多發雷擊區的分布及季節、氣候的關系。從中去理解雷電發生于自然而消除于自然中的科學內涵，科學的引導探索自然規律。故防雷技術的理論仍需在實踐中進一步的去完善，而“消雷技術”的理論和實用性更有待進一步的去探索，深信在廣大防雷學者的共同努力下，完善和創新防雷技術。
|
|
| 出處：山東萊蕪鋼鐵 周志敏 作者：網絡文摘 |
|
|
|
您的位置：首頁 → 電工技術 → 電氣常識 → 淺析系統的外部過電壓及其防護
熱點文章
