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浅析系统的外部过电压及其防护(二)

 作者:周志敏  来源:不详 时间:2006-5-14

 
 

现在市面上有些设备号称具有防雷功能,单纯的将防雷器件并联在电源上,并在电源电路上串联保险丝。理论上认为在雷击过程中,压敏器件放电而使电路过流而熔断保险丝,达到避雷的目的。这样的接线,对功率器件即电机和电力变压器有一定的避雷作用,但对于微电子设备没有防范功效。前面说过加在压敏器件上的过压值同时加到了用户设备上,而且由于电源内阻小,电压不会因此而降落很多,另外,保险丝是一个热元件,有一个熔断时间,所以用保险丝与压敏器件配合的避雷器装置,对于微电子设备而言是不可取的。
要使压敏器件在电源电路上发挥避雷作用,只有增加电源内阻即在电路上串联电抗元件,但是由于这个电抗元件使电路在正常工作状态下,降低了工作电压,同时又随负载的变化而波动而使电源不能使用,所以当今防雷问题的焦点几乎在电源线引雷问题上。

      由于电源线上不能串联电抗元件,但又要使用压敏器件泄放雷电流,于是有人从雷电频谱入手,提出了雷电的浪流现象。什么是浪流呢?雷电如水浪一样来势凶猛,下降迅速,认为这样一个冲击电流主要分量在高频,所以在电路上使用毫亨级的电感就能防止浪流。当然毫亨级的电感对于50Hz的电源频率几乎不形成有影响的电抗。但是前面说过,雷电是静电场的放电现象,主要分量是直流,谐波频率较宽。这个交流分量很小,所以把雷电频谱定在高频是不对的,因此使用高频电感的方法要获得较好的防雷效果是不可能的。

    当前对于微电子设备的防雷方法使用1∶1变压器,普遍认为具有较好的防雷效果,因为它能阻止浪流,起隔离作用。但这种解释没有说到实质上。应该是1∶1隔离变压器将大功率容量的电源变成了定功率容量的电源。由于变压器具有磁饱和效应,如果在它的副边并接压敏器件,由于功率容量受到限制,压敏器件能将电压箝位。因为现在生产的氧化锌压敏器件瞬间电流可达数千安培。

     5.常规防雷装置与非常规防雷装置
     常规防雷装置即传统上所使用的防雷装置,包括避雷针、避雷带、避雷线和避雷网。它是继1759富兰克林发明避雷针后各国防雷专家经200多年研究和实践的成果,有充分的理论根据、实验数据和长期的实际运行经验。
非常规防雷装置指某些厂商近年推出的所谓的新式防雷装置。本文所指的所谓新式防雷装置是半导体消雷器、导体消雷器、优化避雷针和流注提前发射接闪器等(本文这里不指激光引雷装置、火箭引雷装置和水柱引雷装置等)。各种消雷器的设计思想是企图中和雷云电荷,把雷电荷消灭掉或限制放电电流;各种提前发射接闪器的设计思想是企图把避雷针的接闪效果提高,即扩大保护范围。这几种防雷产品到目前为止都没有被国际防雷组织所承认。

     其实,从1996年起到现在,许多专家都认为消雷器的“中和”理论和“限流”理论站不住脚。1997年9月18~23日中国电机工程学会高电压专委会过电压与绝缘配合分专委会在合肥举行了学术讨论会。论题之一就是半导体消雷器,与会者进行了热烈的讨论。特别值得一提的是为验证半导体消雷器的通流能力而做的一次实验。该实验充分表明,半导体消雷器的通流能力极低。会议《纪要》曰:“与会代表认为,迄今为止,理论和实践未能证明此类非常规防直击雷产品具有产品说明书所表述的性能,实践也未显示出此类产品具有比常规防防直击雷装置更优越的性能,还有许多问题尚待研究和解决,因此此类非常规防直击雷产品不再在工程中采用。还有少数代表对此尚有不同意见。”
实际上,消雷器厂商所卖的只不过是接闪器。其引下线、接地装置及内部防雷装置还得靠设计人员按常规方法去设计,而这些都是建筑设计中的重要环节。而采用新“消雷理论研制的消雷器件”如何在设计中计算防雷区域,目前没有资料论述。

     5.1常规避雷针应用中存在的问题
随着科学技术的进步,避雷针作为现代化的防雷手段,有其不完善的方面,对在实际应用中存在的问题归纳如下:

    5.1.1保护范围;国内外不少防雷专家,对避雷针能向被保护物有多大的保护距离做了系统的研究得出的结论是:“对一根垂直避雷针无法获得十分肯定的保护区域”。英国的BS6551法规曾指出:“经验显示不能依赖避雷针提供任何保护区内的完整保护”。而德国防雷法规则有意识地不引入避雷针保护范围的概念。从避雷针因侧击雷、绕击雷,造成事故的实例来分析,其保护范围是不十分肯定的。

      5.1.2感应过电压;由于避雷针的引雷作用,所以雷击次数就会提高,当雷电被吸引到针上,在强大的雷电流沿针而流入大地过程中,雷电流周围形成的磁场会产生截应过电压,它与雷电流的大小及变化速度成正比,与雷击的距离成反比。而被保护物的自然屏蔽装置对电磁感应或电磁干扰的屏蔽作用,不能达到有效屏蔽,使被保护区内的弱电设备因感应过电压而损坏。

    5.1.3反击问题;当雷电被吸引到针上,将有数千安的高频电流通过避雷针及其接地引下线和接地装置,此时针和引线的电压很高,若针对被保护物之间的距离小于安全距离时,会由针及引下线向被保护物发生反击,损坏被保护物。我国国标规定针距被保护物的空气中距离≥5米,针距被保护物的接地装置间的地中距离Sd≥3米,针对这一要求,微波塔和电视发射塔的各种天线上的避雷针是难以满足规范的要求。
   5.1.4其它;受雷击的针及引线,在高频雷电流作用下,将从接触点至地面产生一个较高的接触电压。当雷电流流入大地扩散时,在入地点沿半径各点形成不同的电位,若跨入该区域会产生很高的跨步电压。在测避雷针不适用于对弱电设备的保护,更不易用于易燃易爆品的防雷保护。因它引来强大的雷电流在接地引线断线卡处易产生火花,还会在附近的金属开口环处产生火花,从而引起事故。

    5.2问题探讨
国内外防雷专家关于“消雷技术”之争,已成为防雷领域最大争论的焦点。因为“消雷技术”是一发展中的防雷技术,是对传统的防雷理论的创新,就其理论仍有待于进一步的去研究、完善和探讨。“消雷技术”在我国的防雷学术界从理论研究和实验,都作了大量的工作,并于70年代末分别在西昌卫星发射场和武汉水利电力学院两地进行了实验工作,并取得了大量的实验数据,在其试验总结报告中对“消雷器”作出定性的结论。因雷电是一自然现象,而引雷防雷和“消雷”防雷都必须遵循雷电规律,顺应客观规律,实事求实的去研究和完善防雷技术,因规范对“消雷器”不规范的宣传。

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