防雷产品的技术原理及发展
防雷产品的技术原理及发展
在国民经济的许多重要领域(邮电、电力、公路等)防雷已经是热门话题,IT技术的普及导致了保护IT设备的防雷产品需求的高速增长.有需求就有供给正是市场经济的魅力所在,因此防雷产品市场兴旺发达,各种新品层出不穷,防雷技术也有了很大的发展.但从事iT行业的技术人员对强电不是很熟悉,加上过去防雷是很冷僻的学科,系统介绍防雷技术及防雷产品的资料很少,这就给用户经济合理地选择防雷产品带来了困惑.
一、防雷产品的变迁
当人们知道雷是一种电现象后,对雷电的崇拜和恐惧就逐渐消失,并开始以科学的眼光来从新观察这一神奇的自然现象,希望能利用或控制雷电活动以造福人类.200多年前富兰克林率先在技术上向雷电发起了挑战,他发明的避雷针可能要算是最早的防雷产品,今天这一品名几乎已被所有的人知道.其实,富兰克林在发明避雷针时是以为金属避雷针的尖端放电作用可以综合雷云中的电荷,使雷云和大地间的电场降低到无法击穿空气的水平,从而避免了雷击的发生,所以当时的避雷针一定要求是尖的.但后来的研究表明:避雷针是无法避免雷击的发生的,它之所以能防止雷击是因为高高耸立的避雷针改变了大气电场,使得一定范围的雷云总是向避雷针放电,也就是说避雷针只是比它周围的其它物体更容易接闪雷电,避雷针被雷击中而其它物体受到保护,这就是避雷针的防雷原理.进一步的研究表明避雷针的接闪作用几乎只与其高度有关,而与其外形无关,就是说避雷针不一定是尖的.现在防雷技术领域统称这一类防雷装置为接闪器.
电的普遍使用促进了防雷产品的发展,当高压输电网为千家万户提供动力和照明时,雷电也大量危害高压输变电设备.高压线架设高、距离长、穿越地形复杂,容易被雷击中.避雷针的保护范围不足以保护上千公里的输电线,因此避雷线作为保护高压线的新型接闪器就应运而生.在高压线获得保护后,与高压线连接的发、配电设备仍然被过电压损坏,人们发现这是由于 “感应雷”在作怪.(感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的,感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体,一是静电感应:当雷云中的电荷积聚时,附近的导体也会感应上相反的电荷,当雷击放电时,雷云中的电荷迅速释放,而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道,就会在电路中形成电脉冲.二是电磁感应:在雷云放电时,迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场,在其附近的导体中产生很高的感生电动势.研究表明:静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌.)雷电在高压线上感应起电涌,并沿导线传播到与之相连的发、配电设备,当这些设备的耐压较低时就会被感应雷损坏,为抑制导线中的电涌,人们发明了线路避雷器. 早期的线路避雷器是开放的空气间隙.空气的击穿电压很高,约500kV/m,而当其被高电压击穿后就只有几十伏的低压了.利用空气的这一特性人们设计出了早期的线路避雷器,将一根导线的一端连在输电线上,另一根导线的一端接地,两根导线的另一端相隔一定距离构成空气间隙的两个电极,间隙距离确定了避雷器的击穿电压,击穿电压应略高于输电线的工作电压,这样当电路正常工作时,空气间隙相当于开路,不会影响线路的正常工作.当过电压侵入时,空气间隙被击穿,过电压被箝位到很低的水平,过电流也通过空气间隙泄放入地,实现了避雷器对线路的保护.开放间隙有太多的缺点,如击穿电压受环境影响大;空气放电会氧化电极;空气电弧形成后,需经过多个交流周期才能熄弧,这就可能造成避雷器故障或线路故障.以后研制出的气体放电管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了这些毛病,但他们仍然是建立在气体放电的原理上.气体放电型避雷器的固有缺点:冲击击穿电压高;放电时延较长(微秒级);残压波形陡峭(dV/dt较大).这些缺点决定了气体放电型避雷器对敏感电气设备的保护能力不强. 半导体技术的发展为我们提供了防雷新材料,比如稳压管,其伏 —安特性是符合线路防雷要求的,只是其通过雷电流的能力弱,使得普通的稳压管不能直接用作避雷器.早期的半导体避雷器是以碳化硅材料做成的阀式避雷器,它具有与稳压管相似的伏 —安特性,但通过雷电流的能力很强.不过很快人们又发现了金属氧化物半导体变阻器(MOV),其伏 —安特性更好,并具有响应时间快、通流容量大等许多优点.因此,目前普遍采用MOV线路避雷器. 随着通信的发展,又产生了许多用于通信线路的避雷器,由于受通信线路传输参数的约束,这一类避雷器要考虑电容和电感等影响传输参数的指标.但其防雷原理与MOV基本一致.
二、现代防雷产品介绍 现代防雷产品种类繁多,大致可分为四大类: 接闪器 避雷针是最早的接闪器,也是目前世界上公认的最成熟的防直击雷装置.避雷带、避雷网、避雷线是避雷针的变形,其接闪原理是一致的.对避雷针的接闪原理的认识是有一个发展过程的,现在的滚球法理论比较全面地解释了接闪器吸引雷电的各种现象,被国内外标准所采纳.滚球法理论认为: 接闪器的保护范围如图所示:半径为R 的球与接闪器和地面相切绕接闪器滚动一周所形成的阴影区域即为接闪器的保护范围.R 根据不同的防雷类别分别选为30米、45米、60米. 在保护范围内并不是没有雷击,只是雷击能量较小,滚球半径R 越小,进入保护范围的雷击能量也越小,也就是说接闪器的防雷效果越好. 接闪器并非越高越好,超过60米的接闪器在技术上是没有多大意义的. 理论上任何良好接地的金属物体都可以作为接闪器,因此随着经济的发展,人们对接闪器的外形提出了要求,希望能与漂亮的现代建筑协调,出现了一些形状各异,五彩缤纷的接闪器,但其防雷原理并没有改变. 由于传统接闪器并没有消除雷击,而只是将雷电流引向自身,这样会带来地电位升高、侧击、雷电流电磁干扰等问题,虽然能采用其它技术手段解决,但人们总希望有一劳永逸的解决方法.近年来出现了一些新产品,声称在进一步控制雷电方面取得了成果. 消雷器 消雷器是国内近年来有非常大影响的防雷产品.它是希望改变接闪器的材料和形状来产生电流综合雷云中的电荷,让雷云在消雷器的保护范围内无法建立起接闪所需的场强,以达到消雷的目的.由于消雷器所声称的效果完全满足了人们所希望的防雷效果,因此一段时间内消雷器风靡国内市场.后来国内许多专家提出异议,认为消雷器的原理在技术上无法实现,并在理论上和实践上提出了大量例证,市售消雷器并不能真正消雷.由于两派观点都有国内知名防雷专家支持,所以消雷器在国内防雷学术界引起极大的争论,遗憾的是最后这些争论发展到超出了学术范畴,认为是专家的道德问题,有的居然提到了伪科学问题.结果谁也没被说服,争论最后以行政命令禁用消雷器而告终.在消雷器的繁荣时期,许多厂家也提供与消雷器相似原理的接闪器,名目繁多,有导体消雷器、半导体消雷器、大幅度降低接闪电流的特殊避雷针等.在各部发文禁用消雷器后,这些产品也销声匿迹,或改头换面. 特殊避雷针 还有一些避雷针承认自己接闪雷电,但其保护范围特别大,而且不会因为加装了避雷针而增大雷击概率.这一类产品在市场上的份额不大,没多少人去深究其技术原理的可行性.但在标准中规定任何接闪器都只能按滚球法校核保护范围. 引下线 一些厂家不在接闪器上作文章,却在引下线上采取措施,他们认为接闪器接闪时大量的雷电流通过引下线入地,会在周围的导体中产生感应雷,因此推出有屏蔽作用的引下线.必须指出:感应雷主要是由雷云的静电感应引起的,只屏蔽引下线作用并不大,而是要加强所有导线的屏蔽效果,才能削弱感应雷. 其实,在国标《建筑物防雷设计规范》(GB50057—94)中,对金属引下线的规定就已采取了降低引下线电磁干扰的措施,如多根引下线的分流作用,均匀对称的布置在建筑物四周可相互抵消内部电磁场,利用建筑物的钢筋框架这个很好的屏蔽笼(法拉第笼)接闪引下雷电流等.因此,普通金属引下线的方法在技术经济上都是可行的. 低压电源避雷器 原邮电部的分析统计表明:通信站80%的雷击事故是由雷电波侵入电源线造成.因此,低压交流避雷器发展非常迅速,而以MOV材料为主的避雷器在市场上占有统治地位.MOV避雷器的生产厂家众多,其产品的差别主要表现在: 通流容量 通流容量是避雷器所能耐受的最大雷电流(8×20`μs).信息产业部标准《通信工程电源系统防雷技术规定》(YD5078-98)对电源避雷器的通流容量做出了规定,首级避雷器大于20千安.不过目前市场上避雷器通流容量有越做越大的趋势,通流容量大避雷器不容易被雷击损坏,耐受小雷电流冲击的次数增加,残压也略有降低,采取冗余并联技术的避雷器还提高了保护能力的可靠性.但是避雷器的损坏并不都是由于雷击造成. 目前,有人提出检测避雷器应采用10X350微秒电流波,其理由是IEC1024和IEC1312等标准在描述雷电波时采用了10X350微秒波.这种说法是不全面的,因为在IEC1312中对避雷器进行匹配计算时仍然采用8X20微秒电流波,在IEC1643《低压配电系统保护设备(SPD)——选用原理》中也采用8X20微秒波来作为检测避雷器(SPD)的主要电流波形.因此,不能说用8X20微秒波检测避雷器的通流容量是过时的,也不能说用8X20微秒波检测避雷器的通流容量就不符合国际标准. 保护电路 MOV避雷器的失效有短路和开路两种形式,强大的雷电流可能将避雷器击坏,形成开路故障,这时避雷器模块的外形往往会被破坏.避雷器也可能因时间长材料老化而动作电压下降,当动作电压下降到低于线路工作电压的水平时,避雷器通过交流电流增加,避雷器发热,最终会破坏MOV器件的非线性特性,导致避雷器部分短路烧毁.电源线路故障造成的工作电压升高也可能产生类似情况. 避雷器的开路故障不影响电源供电,要检查动作电压才能发现,因此避雷器需定期检查. 避雷器的短路故障影响电源供电,发热严重时会烧毁导线,需要保护报警电路来确保供电安全,过去主要是在避雷器模块上串联保险丝,但保险丝既要保证雷电流通过又要在短路电流出现时熔断,在技术上实现起来较困难,特别是避雷器模块多是部分短路,短路时流过的电流并不大,但持续电流足以使主要用于泄放脉冲电流的避雷器严重发热.后来出现的温度断开装置较好地解决了这个问题,通过设定装置的断开温度来检测避雷器的部分短路,一旦避雷器发热装置自动断开,并给出光、电、声地报警信号. 残压 信息产业部标准《通信工程电源系统防雷技术规定》(YD5078-98)对各级避雷器的残压做出了具体要求,应该说标准要求的指标是很容易达到的,MOV避雷器的残压是其动作电压的2.5—3.5倍.直接并联的单级避雷器其残压差别并不大,降低残压的措施是降低动作电压和增大避雷器通流容量,但动作电压太低由于电源不稳造成的避雷器损坏就会增加.国外一些产品在进入中国市场初期,动作电压都很低,后来都大大提高了动作电压. 可以通过两级避雷器来降低残压,如图所示: 雷电波入侵时避雷器1放电,产生的残压为V1;流过避雷器1的电流为I1; 避雷器2放电的残压为V2,流过的电流为I2.这样就有:V2=V1-I2Z 显然避雷器2的残压低于避雷器1的残压. 有厂家提供两级防雷的避雷器,用于单相电源防雷,因单相供电的功率一般在5KW以下,线路电流不大,阻抗电感容易绕制.也有厂家提供三相的两级避雷器,因三相电源的功率可能很大,因此这种避雷器的体积大、价格高. 在标准中要求在电源线上多级加装避雷器,其实也能实现降低残压的效果,只不过是利用了导线的自感做各级避雷器间的隔离阻抗电感. 避雷器的残压只是避雷器的技术指标,真正加在设备上的过电压还要在残压的基础上加上避雷器与电源线、地线连接的两段导线电感产生的附加电压,因此正确的安装避雷器也是降低设备过电压的重要措施. 其它功能 避雷器还可以根据用户需要提供雷击计数器、监控接口和不同的安装方式. 通信线路避雷器 通信线路避雷器的技术要求较高,因为除了满足防雷技术要求外,还须保证传输指标符合要求.加上与通信线路相连的设备耐压很低,对防雷器件的残压要求严格,因此在选择防雷器件时较困难,目前常用的防雷器件的相关性能如下表所示: 参 数 放电管 MOV TVS 电 容 很小 大 较小 残 压 高 中 低 通流容量 大 大 小 响应速度 慢 快 很快 理想的通信线路防雷器件应是电容小、残压低、通流大、响应快.显然表中的器件都不理想,放电管几乎可以用于所有的通信频率,但其防雷能力较弱;MOV电容较大,只适用于音频传输,TVS耐雷电流的能力较弱只能起辅助保护作用.不同的防雷器件在电流波的冲击下其残压波形也不同,如图所示.根据残压波形的特点,可将避雷器分为开关型和限压型,也可以将两种复合在一起,扬长避短. 解决的方法是采用不同器件组合成两级避雷器,其原理图与电源的两级避雷器同.只是第一级用放电管,中间隔离阻抗用电阻或PTC,第二级用TVS,这样可以发挥各器件之所长.这种避雷器大约可到几十MHZ的频率. 更高频率的避雷器就主要是采用放电管了,如移动和寻呼的天馈线避雷器,否则很难满足传输要求.也有产品采用高通滤波器的原理,因雷电波的能量频谱集中在几千赫兹到几百千赫兹之间,相对于天线的频率很低,滤波器容易制作. 最简单的电路是在高频芯线上并联一个小磁芯电感,就可以构成高通滤波的避雷器.对于点频通信天线也可采用四分之一波长的短路线构成带通滤波器,防雷效果更好,但这两种方法都会将天馈线上传送的直流短路,其应用范围有限.
接地装置 接地是防雷的基础,标准规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极,在腐蚀强烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐,也可以采用非金属导体做地极,如石墨地极和硅酸盐水泥地极.更合理的方法是利用现代建筑的基础钢筋做地极,有事半功倍之效. 由于过去对防雷认识的局限性,片面强调降低接地电阻的重要性,导致一些厂家推出各种接地产品,声称能降低地电阻.如降阻剂、高分子地极、非金属地极等. 其实就防雷的角度讲,对接地电阻的认识已有变化,对地网的布置形式的要求较高,对阻值要求放松,在GB50057--94中只强调了各种建筑的地网形式,而没有阻值要求,这是由于在等电位原理的防雷理论中,地网只是一个总的电位基准点,并不是绝对的零电位点.要求地网形状是为了等电位的需要,而要求阻值就不符合逻辑了,当然在条件许可时,获得低的接地电阻总没有什么错.另外供电和通信对接地电阻有要求,那已超出防雷技术的范围. 接地电阻主要受土壤电阻率和地极与土壤接触电阻有关,在构成地网时与形状和地极数量也有关系,降阻剂和各种接地极无非是改善地极与土壤的接触电阻或接触面积.但土壤电阻率起决定作用,其它的都较易改变,如果土壤电阻率太高就只有工程浩大的换土或改良土壤的方法才能有效,其它方法都难以凑效.
防雷是一个老话题,但仍在不断发展中,应该说现在尚无万试万灵的产品.防雷技术还有许多待探索的东西,目前雷云起电的机理还不清楚,雷电感应的定量研究也很薄弱,因此防雷产品也在发展中,一些防雷产品所声称的新效果,需以科学的态度在实践中检验,在理论上发展完善.由于雷电本身是小概率事件,需要大量长期的统计分析才能得到有益的结果,这需要各方的通力合作才能实现.
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