防雷產(chǎn)品的技術(shù)原理及發(fā)展

一.防雷產(chǎn)品的變遷

　　當(dāng)人們知道雷是一種電現(xiàn)象后，對雷電的崇拜和恐懼就逐漸消失，并開始以科學(xué)的眼光來從新觀察這一神奇的自然現(xiàn)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(shù)上向雷電發(fā)起了挑戰(zhàn)，他發(fā)明的避雷針可能要算是最早的防雷產(chǎn)品，今天這一品名幾乎已被所有的人知道。其實(shí)，富蘭克林在發(fā)明避雷針時(shí)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(fā)生，所以當(dāng)時(shí)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(fā)生的，它之所以能防止雷擊是因?yàn)楦吒呗柫⒌谋芾揍樃淖兞舜髿怆妶�，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(hù)，這就是避雷針的防雷原理。進(jìn)一步的研究表明避雷針的接閃作用幾乎只與其高度有關(guān)，而與其外形無關(guān)，就是說避雷針不一定是尖的。現(xiàn)在防雷技術(shù)領(lǐng)域統(tǒng)稱這一類防雷裝置為接閃器。

　　電的普遍使用促進(jìn)了防雷產(chǎn)品的發(fā)展，當(dāng)高壓輸電網(wǎng)為千家萬戶提供動力和照明時(shí)，雷電也大量危害高壓輸變電設(shè)備。高壓線架設(shè)高、距離長、穿越地形復(fù)雜，容易被雷擊中。避雷針的保護(hù)范圍不足以保護(hù)上千公里的輸電線，因此避雷線作為保護(hù)高壓線的新型接閃器就應(yīng)運(yùn)而生。在高壓線獲得保護(hù)后，與高壓線連接的發(fā)、配電設(shè)備仍然被過電壓損壞，人們發(fā)現(xiàn)這是由于“感應(yīng)雷”在作怪。（感應(yīng)雷是因?yàn)橹睋衾追烹姸�感�?yīng)到附近的金屬導(dǎo)體中的，感應(yīng)雷可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體，一是靜電感應(yīng)：當(dāng)雷云中的電荷積聚時(shí)，附近的導(dǎo)體也會感應(yīng)上相反的電荷，當(dāng)雷擊放電時(shí)，雷云中的電荷迅速釋放，而導(dǎo)體中原來被雷云電場束縛住的靜電也會沿導(dǎo)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(yīng)：在雷云放電時(shí)，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場，在其附近的導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。）雷電在高壓線上感應(yīng)起電涌，并沿導(dǎo)線傳播到與之相連的發(fā)、配電設(shè)備，當(dāng)這些設(shè)備的耐壓較低時(shí)就會被感應(yīng)雷損壞，為抑制導(dǎo)線中的電涌，人們發(fā)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(dāng)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(shè)計(jì)出了早期的線路避雷器，將一根導(dǎo)線的一端連在輸電線上，另一根導(dǎo)線的一端接地，兩根導(dǎo)線的另一端相隔一定距離構(gòu)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(yīng)略高于輸電線的工作電壓，這樣當(dāng)電路正常工作時(shí)，空氣間隙相當(dāng)于開路，不會影響線路的正常工作。當(dāng)過電壓侵入時(shí)，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(shí)現(xiàn)了避雷器對線路的保護(hù)。開放間隙有太多的缺點(diǎn)，如擊穿電壓受環(huán)境影響大；空氣放電會氧化電極；空氣電弧形成后，需經(jīng)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?nèi)匀皇墙�立在氣體放電的原理上。氣體放電型避雷器的固有缺點(diǎn)：沖擊擊穿電壓高；放電時(shí)延較長（μs級）；殘壓波形陡峭（dV/dt較大）。這些缺點(diǎn)決定了氣體放電型避雷器對敏感電氣設(shè)備的保護(hù)能力不強(qiáng)。

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

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

 二.現(xiàn)代防雷產(chǎn)品介紹

現(xiàn)代防雷產(chǎn)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(rèn)的最成熟的防直擊雷裝置。避雷帶、避雷網(wǎng)、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(rèn)識是有一個發(fā)展過程的，現(xiàn)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(xiàn)象，被國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)所采納。滾球法理論認(rèn)為：

1）接閃器的保護(hù)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(qū)域即為接閃器的保護(hù)范圍。R 根據(jù)不同的防雷類別分別選為30米、45米、60米。

2）在保護(hù)范圍內(nèi)并不是沒有雷擊，只是雷擊能量較小，滾球半徑R 越小，進(jìn)入保護(hù)范圍的雷擊能量也越小，也就是說接閃器的防雷效果越好。

3）接閃器并非越高越好，超過60米的接閃器在技術(shù)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對接閃器的外形提出了要求，希望能與漂亮的現(xiàn)代建筑協(xié)調(diào)，出現(xiàn)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