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，富蘭克林在發(fā)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(fā)生，所以當(dāng)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(fā)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(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�，F(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，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)雷是因為直擊雷放電而感應(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，附近的導(dǎo)體也會感應(yīng)上相反的電荷，當(dāng)雷擊放電時，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，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，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，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(xiàn)了避雷器對線路的保護(hù)。開放間隙有太多的缺點，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：沖擊擊穿電壓高；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(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)時間快、通流容量大等許多優(yōu)點。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