防雷產品的技術原理及發展



在國民經濟的許多重要領域（郵電、廣電、金融、電力、公路等）防雷已經是熱門話題，這是因為IT技術的普及導致了保護IT設備的防雷產品需求的高速增長。有需求就有供給正是市場經濟的魅力所在，因此防雷產品市場興旺發達，各種新品層出不窮，防雷技術也有了很大的發展。但從事IT行業的技術人員對強電不是很熟悉，加上過去防雷是很冷僻的學科，系統介紹防雷技術及防雷產品的資料很少，這就給用戶經濟合理地選擇防雷產品帶來了困惑。

一、防雷產品的變遷

當人們知道雷是一種電現象后，對雷電的崇拜和恐懼就逐漸消失，并開始以科學的眼光來從新觀察這一神奇的自然現象，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上向雷電發起了挑戰，他發明的避雷針可能要算是最早的防雷產品，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生，所以當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，這就是避雷針的防雷原理。進一步的研究表明避雷針的接閃作用幾乎只與其高度有關，而與其外形無關，就是說避雷針不一定是尖的。現在防雷技術領域統稱這一類防雷裝置為接閃器。

電的普遍使用促進了防雷產品的發展，當高壓輸電網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備。高壓線架設高、距離長、穿越地形復雜，容易被雷擊中。避雷針的保護范圍不足以保護上千公里的輸電線，因此避雷線作為保護高壓線的新型接閃器就應運而生。在高壓線獲得保護后，與高壓線連接的發、配電設備仍然被過電壓損壞，人們發現這是由于 “感應雷”在作怪。（感應雷是因為直擊雷放電而感應到附近的金屬導體中的，感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體，一是靜電感應：當雷云中的電荷積聚時，附近的導體也會感應上相反的電荷，當雷擊放電時，雷云中的電荷迅速釋放，而導體中原來被雷云電場束縛住的靜電也會沿導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：在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場，在其附近的導體中產生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應方式引起的浪涌數倍于電磁感應引起的浪涌。）雷電在高壓線上感應起電涌，并沿導線傳播到與之相連的發、配電設備，當這些設備的耐壓較低時就會被感應雷損壞，為抑制導線中的電涌，人們發明了線路避雷器。


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計出了早期的線路避雷器，將一根導線的一端連在輸電線上，另一根導線的一端接地，兩根導線的另一端相隔一定距離構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，擊穿電壓應略高于輸電線的工作電壓，這樣當電路正常工作時，空氣間隙相當于開路，不會影響線路的正常工作。當過電壓侵入時，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，實現了避雷器對線路的保護。開放間隙有太多的缺點，如擊穿電壓受環境影響大；空氣放電會氧化電極；空氣電弧形成后，需經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，但他們仍然是建立在氣體放電的原理上。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（微秒級）；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備的保護能力不強。

半導體技術的發展為我們提供了防雷新材料，比如穩壓管，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，使得普通的穩壓管不能直接用作避雷器。早期的半導體避雷器是以碳化硅材料做成的閥式避雷器，它具有與穩壓管相似的伏 —安特性，但通過雷電流的能力很強。不過很快人們又發現了金屬氧化物半導體變阻器（MOV），其伏 —安特性更好，并具有響應時間快、通流容量大等許多優點。因此，目前普遍采用MOV線路避雷器。

隨著通信的發展，又產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的約束，這一類避雷器要考慮電容和電感等影響傳輸參數的指標。但其防雷原理與MOV基本一致。

二、現代防雷產品介紹

現代防雷產品種類繁多，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的最成熟的防直擊雷裝置。避雷帶、避雷網、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識是有一個發展過程的，現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象，被國內外標準所采納。滾球法理論認為：
a.接閃器的保護范圍如圖所示：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域即為接閃器的保護范圍。R 根據不同的防雷類別分別選為30米、45米、60米。
b.在保護范圍內并不是沒有雷擊，只是雷擊能量較小，滾球半徑R 越小，進入保護范圍的雷擊能量也越小，也就是說接閃器的防雷效果越好。
c.接閃器并非越高越好，超過60米的接閃器在技術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，因此隨著經濟的發展，人們對接閃器的外形提出了要求，希望能與漂亮的現代建筑協調，出現了一些形狀各異，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、側擊、雷電流電磁干擾等問題，雖然能采用其它技術手段解決，但人們總希望有一勞永逸的解決方法。近年來出現了一些新產品，聲稱在進一步控制雷電方面取得了成果。

a.消雷器
消雷器是國內近年來有非常大影響的防雷產品。它是希望改變接閃器的材料和形狀來產生電流綜合雷云中的電荷，讓雷云在消雷器的保護范圍內無法建立起接閃所需的場強，以達到消雷的目的。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，因此一段時間內消雷器風靡國內市場。后來國內許多專家提出異議，認為消雷器的原理在技術上無法實現，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知名防雷專家支持，所以消雷器在國內防雷學術界引起極大的爭論，遺憾的是最后這些爭論發展到超出了學術范疇，認為是專家的道德問題，有的居然提到了偽科學問題。結果誰也沒被說服，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，有導體消雷器、半導體消雷器、大幅度降低接閃電流的特殊避雷針等。在各部發文禁用消雷器后，這些產品也銷聲匿跡，或改頭換面。
b.特殊避雷針
還有一些避雷針承認自己接閃雷電，但其保護范圍特別大，而且不會因為加裝了避雷針而增大雷擊概率。這一類產品在市場上的份額不大，沒多少人去深究其技術原理的可行性。但在標準中規定任何接閃器都只能按滾球法校核保護范圍。
c.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，會在周圍的導體中產生感應雷，因此推出有屏蔽作用的引下線。必須指出：感應雷主要是由雷云的靜電感應引起的，只屏蔽引下線作用并不大，而是要加強所有導線的屏蔽效果，才能削弱感應雷。
　

其實，在國標《建筑物防雷設計規范》（GB50057—94）中，對金屬引下線的規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，均勻對稱的布置在建筑物四周可相互抵消內部電磁場，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經濟上都是可行的。

低壓電源避雷器
原郵電部的分析統計表明：通信站80%的雷擊事故是由雷電波侵入電源線造成。因此，低壓交流避雷器發展非常迅速，而以MOV材料為主的避雷器在市場上占有統治地位。MOV避雷器的生產廠家眾多，其產品的差別主要表現在：
a.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）。信息產業部標準《通信工程電源系統防雷技術規定》（YD5078－98）對電源避雷器的通流容量做出了規定，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增加，殘壓也略有降低，采取冗余并聯技術的避雷器還提高了保護能力的可*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采用10X350微秒電流波，其理由是IEC1024和IEC1312等標準在描述雷電波時采用了10X350微秒波。這種說法是不全面的，因為在IEC1312中對避雷器進行匹配計算時仍然采用8X20微秒電流波，在IEC1643《低壓配電系統保護設備（SPD）——選用原理》中也采用8X20微秒波來作為檢測避雷器（SPD）的主要電流波形。因此，不能說用8X20微秒波檢測避雷器的通流容量是過時的，也不能說用8X20微秒波檢測避雷器的通流容量就不符合國際標準。
b.保護電路
MOV避雷器的失效有短路和開路兩種形式，強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，避雷器發熱，最終會破壞MOV器件的非線性特性，導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現，因此避雷器需定期檢查。
避雷器的短路故障影響電源供電，發熱嚴重時會燒毀導線，需要保護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時熔斷，在技術上實現起來較困難，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，但持續電流足以使主要用于泄放脈沖電流的避雷器嚴重發熱。后來出現的溫度斷開裝置較好地解決了這個問題，通過設定裝置的斷開溫度來檢測避雷器的部分短路，一旦避雷器發熱裝置自動斷開，并給出光、電、聲地報警信號。


c.殘壓
信息產業部標準《通信工程電源系統防雷技術規定》（YD5078－98）對各級避雷器的殘壓做出了具體要求，應該說標準要求的指標是很容易達到的，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造成的避雷器損壞就會增加。國外一些產品在進入中國市場初期，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，因此這種避雷器的體積大、價格高。
在標準中要求在電源線上多級加裝避雷器，其實也能實現降低殘壓的效果，只不過是利用了導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指標，真正加在設備上的過電壓還要在殘壓的基礎上加上避雷器與電源線、地線連接的兩段導線電感產生的附加電壓， 因此正確的安裝避雷器也是降低設備過電壓的重要措施。

d其它功能
避雷器還可以根據用戶需要提供雷擊計數器、監控接口和不同的安裝方式。

3.通信線路避雷器
通信線路避雷器的技術要求較高，因為除了滿足防雷技術要求外，還須保證傳輸指標符合要求。加上與通信線路相連的設備耐壓很低，對防雷器件的殘壓要求嚴格，因此在選擇防雷器件時較困難，目前常用的防雷器件的相關性能如下表所示：
參數----- 放電管----- MOV ----TVS

電容 -----很小 --------大---- 較小
殘壓 ------高 ---------中 -----低
通流容量--- 大 ---------大 -----小
響應速度 ---慢 ---------快 ----很快

理想的通信線路防雷器件應是電容小、殘壓低、通流大、響應快。顯然表中的器件都不理想，放電管幾乎可以用于所有的通信頻率，但其防雷能力較弱；MOV電容較大，只適用于音頻傳輸，TVS耐雷電流的能力較弱只能起輔助保護作用。不同的防雷器件在電流波的沖擊下其殘壓波形也不同，如圖所示。根據殘壓波形的特點，可將避雷器分為開關型和限壓型，也可以將兩種復合在一起，揚長避短。
解決的方法是采用不同器件組合成兩級避雷器，其原理圖與電源的兩級避雷器同。只是第一級用放電管，中間隔離阻抗用電阻或PTC，第二級用TVS，這樣可以發揮各器件之所長。這種避雷器大約可到幾十MHZ的頻率。
更高頻率的避雷器就主要是采用放電管了，如移動和尋呼的天饋線避雷器，否則很難滿足傳輸要求。也有產品采用高通濾波器的原理，因雷電波的能量頻譜集中在幾千赫茲到幾百千赫茲之間，相對于天線的頻率很低，濾波器容易制作。
最簡單的電路是在高頻芯線上并聯一個小磁芯電感，就可以構成高通濾波的避雷器。對于點頻通信天線也可采用四分之一波長的短路線構成帶通濾波器，防雷效果更好，但這兩種方法都會將天饋線上傳送的直流短路，其應用范圍有限。

4.接地裝置
接地是防雷的基礎，標準規定的接地方法是采用金屬型材鋪設水平或垂直地極，在腐蝕強烈的地區可以采用鍍鋅和加大金屬型材的截面積的方法抗腐，也可以采用非金屬導體做地極，如石墨地極和硅酸鹽水泥地極。更合理的方法是利用現代建筑的基礎鋼筋做地極，有事半功倍之效。
由于過去對防雷認識的局限性，片面強調降低接地電阻的重要性，導致一些廠家推出各種接地產品，聲稱能降低地電阻。如降阻劑、高分子地極、非金屬地極等。
其實就防雷的角度講，對接地電阻的認識已有變化，對地網的布置形式的要求較高，對阻值要求放松，在GB50057--94中只強調了各種建筑的地網形式，而沒有阻值要求，這是由于在等電位原理的防雷理論中，地網只是一個總的電位基準點，并不是絕對的零電位點。要求地網形狀是為了等電位的需要，而要求阻值就不符合邏輯了，當然在條件許可時，獲得低的接地電阻總沒有什么錯。另外供電和通信對接地電阻有要求，那已超出防雷技術的范圍。

 接地電阻主要受土壤電阻率和地極與土壤接觸電阻有關，在構成地網時與形狀和地極數量也有關系，降阻劑和各種接地極無非是改善地極與土壤的接觸電阻或接觸面積。但土壤電阻率起決定作用，其它的都較易改變，如果土壤電阻率太高就只有工程浩大的換土或改良土壤的方法才能有效，其它方法都難以湊效。

防雷是一個老話題，但仍在不斷發展中，應該說現在尚無萬試萬靈的產品。防雷技術還有許多待探索的東西，目前雷云起電的機理還不清楚，雷電感應的定量研究也很薄弱，因此防雷產品也在發展中，一些防雷產品所聲稱的新效果，需以科學的態度在實踐中檢驗，在理論上發展完善。由于雷電本身是小概率事件，需要大量長期的統計分析才能得到有益的結果，這需要各方的通力合作才能實現。