淺析系統(tǒng)的外部過電壓及其防護(hù)(二)

1、淺析系統(tǒng)的外部過電壓及其防護(hù)（二）淺析系統(tǒng)的外部過電壓及其防護(hù)（二）內(nèi)容:4.避雷針與避雷器19世紀(jì)后葉，人們發(fā)現(xiàn)金屬導(dǎo)體尖端放電現(xiàn)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(hù)物體上架設(shè)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(dāng)避雷針置于空中對(duì)地這個(gè)雷電場(chǎng)時(shí)，由于避雷針與大地有良好的接觸，此時(shí)電場(chǎng)能量通過避雷針放電，雷電場(chǎng)消失，使它不發(fā)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

2、于強(qiáng)大的雷電場(chǎng)下的避雷針，能否按人們的意愿慢慢地放電使雷電場(chǎng)消失呢？從電學(xué)原理也說不通。因?yàn)閺?qiáng)大的雷電場(chǎng)就像炸藥缺少引信一樣，避雷針?biāo)傅目臻g就像引信，由于避雷針的引導(dǎo)會(huì)一觸即發(fā)。因?yàn)槠涓叨群土己玫慕拥貤l件要優(yōu)于其它位置，同時(shí)尖端形成的電場(chǎng)又大于其它地方，所以強(qiáng)大的雷電場(chǎng)以避雷針為中心放電區(qū)，如果說避雷針本身不具有電抗，接地電阻又達(dá)到零值，數(shù)以億安計(jì)的雷電流可以順利通過它，不會(huì)形成熱效應(yīng)和雷電位，便可達(dá)到避雷目的。但避雷針本身和引線存在

3、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(dǎo)作用。人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，但對(duì)避雷針有所偏愛或者說對(duì)雷電成因不理解，他們將雷電解釋為是本位置產(chǎn)生的，就是講不清楚的原因，在避雷針設(shè)置的地方和相對(duì)的空間形成電場(chǎng)，由于避雷針逐步放電而使這一電場(chǎng)建立不起來，所以避雷針起到消雷的作用。事實(shí)上從20世紀(jì)以來人們對(duì)避雷針的避雷作用公開地提出了質(zhì)疑，因?yàn)楸芾揍槼蔀橐揍樀氖录乙姴货r。然而避雷針在下述情況能發(fā)揮一定作用，當(dāng)

4、帶電云塊的電量很小，而且又遠(yuǎn)離地面與大地形成不太強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)，避雷針對(duì)其電場(chǎng)逐步放電達(dá)到消除這個(gè)電場(chǎng)的目的。地面有些物體與大地是絕緣的，比如木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑物，在感應(yīng)雷和直接雷的作用下，可能會(huì)帶上靜電，由于靜電的存在可能引起火災(zāi)，如果在這些物體上架設(shè)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(chǎng)作用下帶靜電。但是，現(xiàn)代的建筑物幾乎都是鋼筋水泥結(jié)構(gòu)的，它與大地已形成了等電位，顯然架設(shè)避雷針是多余的。但是現(xiàn)在的建筑物仍沿襲老規(guī)矩架

5、設(shè)避雷針，其原因很明顯，主要是責(zé)任和規(guī)范問題。幾乎在出現(xiàn)避雷針的同時(shí)，在輸電線上人們利用尖端放電現(xiàn)象發(fā)明了尖端放電避雷器，兩個(gè)尖端所形成的電場(chǎng)在一定間距內(nèi)放電，這個(gè)間距的大小可以設(shè)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(dǎo)入地達(dá)到避雷的目的。20世紀(jì)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(dǎo)電弧上升的形態(tài)，但雷電過后，電路不能正常供

6、電。于是在尖端放電的基礎(chǔ)上加了對(duì)電壓敏感的電阻元件，此元件在超過額定電壓時(shí)呈現(xiàn)的電阻小，反之阻值增大，對(duì)過壓引起的電流起到開關(guān)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(jié)構(gòu)企圖達(dá)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(shè)備的端電壓不超過額定電壓，確保用戶設(shè)備的安全?，F(xiàn)在形形色色的避雷器，如果單純地就其本身結(jié)構(gòu)來判斷是否有防雷作用是

7、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(yīng)：4.1高壓輸電線雷電勢(shì)的分布與過渡高壓輸電線是三相三線制，線對(duì)地是絕緣的。不管輸電線受感應(yīng)雷或直接雷影響，在三線中的雷電勢(shì)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(dāng)雷擊高壓輸電流。當(dāng)然毫亨級(jí)的電感對(duì)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(chǎng)的放電現(xiàn)象，主要分量是直流，諧波頻率較寬。這個(gè)交流分量很小，所以把雷電頻譜定在高頻是

8、不對(duì)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(dāng)前對(duì)于微電子設(shè)備的防雷方法使用1∶1變壓器，普遍認(rèn)為具有較好的防雷效果，因?yàn)樗茏柚估肆?，起隔離作用。但這種解釋沒有說到實(shí)質(zhì)上。應(yīng)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(yīng)，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?yàn)楝F(xiàn)在生產(chǎn)的氧化鋅壓敏器件瞬間電流可達(dá)數(shù)千安培。5.常規(guī)防雷裝置與非常規(guī)防雷裝置常規(guī)

9、防雷裝置即傳統(tǒng)上所使用的防雷裝置，包括避雷針、避雷帶、避雷線和避雷網(wǎng)。它是繼1759富蘭克林發(fā)明避雷針后各國(guó)防雷專家經(jīng)200多年研究和實(shí)踐的成果，有充分的理論根據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。非常規(guī)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(dǎo)體消雷器、導(dǎo)體消雷器、優(yōu)化避雷針和流注提前發(fā)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(shè)計(jì)思想是企圖中和雷云電荷，把雷電

10、荷消滅掉或限制放電電流；各種提前發(fā)射接閃器的設(shè)計(jì)思想是企圖把避雷針的接閃效果提高，即擴(kuò)大保護(hù)范圍。這幾種防雷產(chǎn)品到目前為止都沒有被國(guó)際防雷組織所承認(rèn)。其實(shí)，從1996年起到現(xiàn)在，許多專家都認(rèn)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(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)高電壓專委會(huì)過電壓與絕緣配合分專委會(huì)在合肥舉行了學(xué)術(shù)討論會(huì)。論題之一就是半導(dǎo)體消雷器，與會(huì)者進(jìn)行了熱烈的討論。特別值得一提的是為驗(yàn)證半導(dǎo)體消雷器的通流能力而做的一

11、次實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)充分表明，半導(dǎo)體消雷器的通流能力極低。會(huì)議《紀(jì)要》曰：“與會(huì)代表認(rèn)為，迄今為止，理論和實(shí)踐未能證明此類非常規(guī)防直擊雷產(chǎn)品具有產(chǎn)品說明書所表述的性能，實(shí)踐也未顯示出此類產(chǎn)品具有比常規(guī)防防直擊雷裝置更優(yōu)越的性能，還有許多問題尚待研究和解決，因此此類非常規(guī)防直擊雷產(chǎn)品不再在工程中采用。還有少數(shù)代表對(duì)此尚有不同意見。”實(shí)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(nèi)部防雷裝置還得靠設(shè)計(jì)人員按常規(guī)方法去設(shè)計(jì)，而這些都是

12、建筑設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。而采用新“消雷理論研制的消雷器件”如何在設(shè)計(jì)中計(jì)算防雷區(qū)域，目前沒有資料論述。5.1常規(guī)避雷針應(yīng)用中存在的問題隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，避雷針作為現(xiàn)代化的防雷手段，有其不完善的方面，對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題歸納如下：5.1.1保護(hù)范圍；國(guó)內(nèi)外不少防雷專家，對(duì)避雷針能向被保護(hù)物有多大的保護(hù)距離做了系統(tǒng)的研究得出的結(jié)論是：“對(duì)一根垂直避雷針無法獲得十分肯定的保護(hù)區(qū)域”。英國(guó)的BS6551法規(guī)曾指出：“經(jīng)驗(yàn)顯示不能依賴避雷針提

13、供任何保護(hù)區(qū)內(nèi)的完整保護(hù)”。而德國(guó)防雷法規(guī)則有意識(shí)地不引入避雷針保護(hù)范圍的概念。從避雷針因側(cè)擊雷、繞擊雷，造成事故的實(shí)例來分析，其保護(hù)范圍是不十分肯定的。5.1.2感應(yīng)過電壓；由于避雷針的引雷作用，所以雷擊次數(shù)就會(huì)提高，當(dāng)雷電被吸引到針上，在強(qiáng)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(chǎng)會(huì)產(chǎn)生截應(yīng)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(hù)物的自然屏蔽裝置對(duì)電磁感應(yīng)或電磁干擾的屏蔽作用，不能達(dá)到有效屏蔽