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後續的防雷區(LPZ2區等)如果需要進一步減小所導引的電流和電磁場,就應引入後續防雷區,應按照需要保護的系統所要求的環境區選擇後續防雷區的要求條件。
保護區序號越高,預期的干擾能量和干擾電壓越低。
在現代雷電防護技術中,防雷區的設置具有重要意義,它可以指導我們進行遮罩、接地、等電位連接等技術措施的實施。
2、均衡就是保持系統各部分不產生足以致損的電位差,即系統所在環境及系統本身所有金屬導電體的電位在瞬態現象時保持基本相等,這實質是基於均壓等電位連接的。
由可靠的接地系統、等電位連接用的金屬導線和等電位連接器(防雷器)組成一個電位補償系統,在瞬態現象存在的極短時間裡,這個電位補償系統可以迅速地在被保護系統所處區域內所有導電部件之間建立起一個等電位,這些導電部件也包括有源導線。
通過這個完備的電位補償系統,可以在極短時間內形成一個等電位區域,這個區域相對於遠處可能存在數十千伏的電位差。
重要的是在需要保護的系統所處區域內部,所有導電部件之間不存在顯著的電位差。
3、雷電防護系統由三部分組成,各部分都有著重要作用和不可替代性。
外部防護,由接閃器、引下線、接地體組成,可將絕大部分雷電能量直接導入地下泄放。
過渡防護,由合理的遮罩、接地、佈線組成,可減少或阻塞通過各入侵通道引入的感應。
內部防護,由均壓等電位連接、過電壓保護組成,可均衡系統電位,限制過電壓幅值。
二、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.防雷產品的發展
200多年前佛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。
其實,佛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雲中的電荷,使雷雲和大地間的電場降低到無法擊穿空氣的水準,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。
但後來的研究表明:
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,使得一定範圍的雷雲總是向避雷針放電,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,避雷線作為保護高壓線的新型接閃器就應運而生。
在高壓線獲得保護後,與高壓線連接的發、配電設備仍然被過電壓損壞,人們發現這是由於“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:
當雷雲中的電荷積聚時,附近的導體也會感應上相反的電荷,當雷擊放電時,雷雲中的電荷迅速釋放,而導體中原來被雷雲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衝。
二是電磁感應:
在雷雲放電時,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湧數倍於電磁感應引起的浪湧。
)雷電在高壓線上感應起電湧,並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,為抑制導線中的電湧,人們發明了線路避雷器。
早期的線路避雷器是利用開放的空氣間隙。
空氣的擊穿電壓很高,約500kV/m,而當其被高電壓擊穿後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,擊穿電壓應略高於輸電線的工作電壓,這樣當電路正常工作時,空氣間隙相當於開路,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,過電壓被箝位元到很低的水準,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;
空氣電弧形成後,需經過多個交流週期才能熄弧,這就可能造成避雷器故障或線路故障。
以後研製出的氣體放電管、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:
衝擊擊穿電壓高;
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矽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。
後來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,並具有回應時間快、通流容量大等許多優點。
因此,目前普遍採用MOV線路避雷器。
隨著通信的發展,又產生了許多用於通信線路的避雷器,由於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:
接閃器系列
1、避雷針
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雷擊裝置。
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,被國內外標準所採納。
滾球法理論認為:
1)
接閃器的保護範圍
為半徑為R的球與接閃器和地面相切繞接閃器滾動一
所形成的陰影區域即為
接閃器的保護範圍,.R根據不同的防雷類別分別選為30米,45米,60米;
在保護範圍內並不是沒有雷擊,只是雷擊能量較小,滾球半徑R越小,進入保護範圍的雷擊能量也越小,也就是說接閃器的防雷效果越好;
接閃器並非越高越好,超過60米的接閃器在技術上是沒有多大意義的;
注意接閃器與系統外置部分的保護角與防閃絡安全距離,必要時進行搭接處理;
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築協調,出現了一些形狀各異,五彩繽紛的接閃器,但其防雷原理並沒有改變。
由於傳統接閃器並沒有消除雷擊,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,雖然能採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。
2、消雷器
消雷器是國內近年來有著影響的防雷產品。
它是希望改變接閃器的材料和形狀來產生電流綜合雷雲中的電荷,讓雷雲在消雷器的保護範圍內無法建立起接閃所需的場強,以達到消雷的目的。
由於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。
後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,所以消雷器在國內防雷學術界引起極大的爭論,爭論最後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。
3、特殊避雷針
還有一些避雷針生產廠家承認研發的避雷針可以接閃雷電,並且其保護範圍特別大,還不會因為加裝了避雷針而增大雷擊概率。
由於這一類產品在市場上的份額不大,因而沒多少人去深究其技術原理的可行性。
但在國家級標準中規定任何接閃器都只能按滾球法校核保護範圍。
4、引下線
一些廠家不在接閃器上端作文章,卻在引下線上採取措施,他們認為接閃器接閃時大量的感應電流通過引下線入地,會在周圍的導體中產生感應雷,因此推出有遮罩作用的引下線。
必須說明:
感應雷主要是由雷雲的靜電感應引起的,只遮罩引下線作用並不大,而是要加強所有導線的遮罩效果,才能削弱感應雷,真正起到消雷的作用。
其實,在國標《建築物防雷設計規範》(GB50057—94)中,對金屬引下線的規定就已採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,均勻對稱的佈置在建築物四周可相互抵消內部電磁場,利用建築物的鋼筋框架這個很好的遮罩籠(法拉第籠)接閃或者引下雷電流等。
因此,普通金屬引下線的方法在技術經濟上都是可行的。
低壓電源避雷器的簡單介紹
根據分析統計表明:
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佔有統治地位。
MOV避雷器的生產廠家眾多,其產品的差別主要表現在:
1)通流容量
通流容量是避雷器所能耐受的最大雷擊電流(8×
20`μs)。
資訊產業部標準《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,首級避雷器大於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,避雷器就不容易被雷擊損壞,耐受小雷擊電流衝擊的次數增加,殘壓也略有降低,採取冗余並聯技術的避雷器還提高了保護能力的可靠性。
目前採用8×
20μs波來作為檢測避雷器(SPD)的主要電流波形,也有人提出檢測避雷器應採用10×
350μs電流波,其理由是IEC1024和IEC1312等標準在描述雷電波時採用了10×
350μs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採用8×
20μs電流波,在IEC1643《低壓配電系統保護設備(SPD)——選用原理》中也採用8×
20μs波來作為檢測避雷器(SPD)的主要電流波形。
2)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,這時避雷器模組的外形往往會被破壞。
避雷器也可能因時間長、材料老化而使動作電壓下降,當動作電壓下降到低於線路工作電壓的水準時,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。
避雷器的短路故障會影響電源供電,發熱嚴重時會燒毀導線,需要有報警電路來確保供電安全,過去主要是在避雷器模組上串聯保險絲,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,特別是避雷器模組多是部分短路,短路時流過的電流並不大,但持續電流足以使主要用於泄放脈衝電流的避雷器嚴重發熱。
後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,並給出光、電、聲地報警信號。
3)殘壓
資訊產業部標準《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。
直接並聯的單級避雷器其殘壓差別並不大,降低殘壓的措施是降低動作電壓或者增大避雷器通流容量,但是動作電壓太低、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,後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。
目前有單相兩級防雷避雷器、三相兩級防雷避雷器,只是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。
解決的方法是採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採用放電管了,如移動和尋呼的天饋線避雷器,否則很難滿足傳輸要求。
也有產品採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,相對於天線的頻率很低,濾波器容易製作。
最簡單的電路是在高頻芯線上並聯一個小磁芯電感,就可以構成高通濾波的避雷器。
對於點頻通信天線也可採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,其應用範圍有限
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。
4.接地裝置
接地是防雷的基礎,標準規定的接地方法是採用金屬型材鋪設水準或垂直地極,在腐蝕強烈的地區可以採用鍍鋅和加大金屬型材的截面積的方法抗腐,也可以採用非金屬導體做地極,如石墨地極和矽酸鹽水泥地極。
更合理的方法是利用現代建築的基礎鋼筋做地極,有事半功倍之效。
由於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,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,對地網的佈置形式的要求較高,對阻值要求放鬆,在GB50057--94中只強調了各種建築的地網形式,而沒有阻值要求,這是由於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,並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,獲得低的接地電阻也是可以的。
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係,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,其它的都比較容易改變,如果土壤電阻率太高就只有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,防雷技術還有許多待探索的東西,比如,目前雷雲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。
由於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。
5)其它功能
避雷器還可以根據使用者需要提供雷擊計數器、監控介面和不同的安裝方式。
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(金屬氧化物半導體變阻器)----TVS(瞬態電壓抑制二極體)
電容-----很小--------大----較小殘壓------高---------中-----低
通流容量---大---------大-----小
回應速度---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、回應快。
顯然表中的器件都不理想,放電管幾乎可以用於所有的通信頻率,但其防雷能力較弱;
MOV電容較大,只適用於音訊廣播,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衝擊下其殘壓波形也不同,根據殘壓波形的特點,可將避雷器分為開關型和限壓型,也可以將兩種複合在一起,揚長避短。
解決的方法是採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基本相同。
更高頻率的避雷器就主要是採用放電管了,如移動和尋呼的天饋線避雷器,否則很難滿足傳輸要求。
最簡單的電路是在高頻芯線上並聯一個小磁芯電感,就可以構成高通濾波的避雷器。
對於點頻通信天線也可採用1/4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,將在後面做重點講解。
金屬氧化物避雷器的特點和試驗方法
1性能特點
MOA陡波回應特性好,無續流,操作殘壓低,放電分散性小,具有吸收各種雷電、操作過電壓能力。
35kV及以下電壓等級懸掛式MOA帶脫離裝置,可用於發電廠廠用電源、鐵路供電等一些重要的不停電的供電場所。
當本身出現故障時,脫離裝置動作,使MOA退出運行,以免引起供電中斷,而正常運行時,脫離裝置不動作。
使用脫離裝置可防止系統持續故障,減少停電時間。
2試驗方法
1)測量絕緣電阻。
測量避雷器的絕緣電阻,可以初步瞭解其內部是否受潮,還可以檢查內部熔斷件是否斷掉,從而及時發現缺陷。
《規程》規定對35kV及以下的避雷器,用2500V兆歐表測量,測量的絕緣電阻值不應低於1000MW;
對35kV以上的避雷器,用5000V兆歐表測量,測量的絕緣電阻值不應低於3000MW。
對500kV避雷器還應用2500V兆歐表測量其底座絕緣電阻,檢查瓷座是否進水受潮,測得的絕緣電阻值不應低於1000MW。
2)測量直流1mA時的監界動作電壓U1mA。
測量避雷器的U1mA主要是檢查其閥片是否受潮,確定其動作性能是否符合要求。
3)測量接線
測量接線通常可採用單相半波整流電路,各元件的參數隨被試避雷器電壓等級不同而不同。
試驗變壓器的額定電壓應略大於U1mA;
矽堆的反峰電壓應大於2.5U1mA;
濾波電容的電壓等級應能滿足臨界動作電壓最大值的要求,電容為0.1~0.5μF。
根據規定,整流後的電壓脈動係數應不大於1.5%。
經計算和實測證明,當C=0.1mF時,脈動係數小於1%。
直流電壓一般可採用Q3-V型或Q4-V型靜電電壓表測量。
測量中應注意的問題是準確讀取U1mA。
因洩漏電流大於200mA以後,隨電壓的升高,電流急劇增大,故應仔細地升壓,當電流達到1mA時,準確地讀取相應的電壓U1mA。
測量時應防止表面洩漏電流的影響。
測量前應將瓷套表面擦試乾淨,同時應考慮氣溫的影響,當避雷器閥片的U1mA的溫度係數約為0.05%~0.17%,即溫度每增高10℃,U1mA約降低1%,必要時可進行換算。
對測量結果採用比較法進行判斷,《規程》規定,U1mA與初始值相比較,變化應不大於+5%。
測量0.75U1mA直流電壓下的洩漏電流。
由於0.75U1mA直流電壓值一般比最大工作相電壓(峰值)要高一些,測量此電壓下洩漏電流主要檢查長期允許工作電流是否符合規定,因為這一電流與避雷器的壽命有直接關係(一般在同一溫度下此洩漏電流與壽命成反比)。
測量時應首先測出U1mA,然後再在0.75U1mA下讀取相應的洩漏電流值。
根據《規程》規定,0.75U1mA下的洩漏電流值應不大於50mA的。
測量運行電壓下的交流洩漏電流。
在交流電壓作用下,避雷器的總洩漏電流包含阻性電流(有功分量)和容性電流(無功分量)。
在正常運行情況下,流過避雷器的主要電流為容性電流,阻性電流只占很小一部分,約為10%~20%左右。
但當閥片老化,避雷器受潮、內部絕緣部件受損以及表面嚴重污穢時,容性電流變化不多,而阻性電流卻大大增加,所以測量交流洩漏電流及其有功分量是現場監測避雷器的主要方法。
由於避雷器具有體積小、重量輕、功效好、安裝方便等性能,深受使用者歡迎,它是農網改造中使用較多的避雷器,因此我們必須很好認識MOA的特點和試驗方法。
二、避雷器元件工作及設計原理
1、放電間隙與放電管
放電間隙:
所謂放電間隙是把暴露在空氣中的兩塊相互隔離一空氣間隙的金屬物作為避雷放電的裝置。
通常把其中一塊金屬接在需要防雷的導線上如電源的相線,另一塊金屬與地線連接。
當雷電波來到的時候首先在間隙處擊穿,使間隙的空氣電離,形成短路,雷電流通過間隙流入大地,而此時間隙兩端的電壓很低,從而達到保護線路的目的。
常用于高壓線路的避雷防護中。
氣體放電管:
把一對互相隔開的電極,封裝在玻璃或陶瓷管內,管內再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣),就構成了一隻放電管。
優點:
具有很強的浪湧吸收能力,即放電能力強、通流量大(可做到100KA以上),很高的絕緣電阻以及很小的寄生電容,漏電流小。
對正常工作的設備不會帶來任何有害影響。
缺點:
殘壓高(2~4KV),反應時間長(>
100ns),動作電壓精度較低,有工頻續流,因此在保護電路中應串聯一個熔斷器,使得工頻續流迅速被切斷。
注:
由於兩隻放電管分別裝在一個回路的兩根導線上,有時會不同時放電,使兩導線之間出現電位差,為了使兩根導線上的放電管能接近統一時間放電,減少兩線之間的電位差,又研製了三級放電管。
可以看作是由兩隻二級放電管合併在一起構成的。
三級放電管中間的一級作為公共地線,另兩級分別接在回路的兩條導線上。
符號如圖
2、壓敏電阻:
當加在電阻兩端的電壓小於壓敏電壓時,壓敏電阻呈高阻狀態,如果並聯在電路上,該閥片呈斷路狀態;
當加在壓敏電阻兩端的電壓大於壓敏電壓時,壓敏電阻就會擊穿,呈現低阻值,甚至接近短路狀態。
壓敏電阻這種
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