过电压保护与防雷技术的历史、现状和未来

《过电压保护与防雷技术的历史、现状和未来》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过电压保护与防雷技术的历史、现状和未来（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、过电压保护与防雷技术的历史、现状和未 来-刘继防雷接地 2007-11-04 10:56:16 阅读 785 评论 1 字号：大中小 订阅 电子技术和微电子学的发展极大地促进了电子设备的广泛应用，特别是促进了电信和自动 化、计算机等电子设施的迅速发展。与此同时，由于这些设备对雷电的耐受能力的脆弱性、 雷电事故的频度急速上升以及 EMC 问题不断出现，引起了人们对防雷技术的广泛关注， 因此防雷队伍扩大，防雷产业骤增。从提高电信、电子设施防雷可*性来看，这是一件好事。 但是，在新的防雷工作者中，也有一些人员，或因急于求成，或因缺乏专业基础培训的条 件，在做了大量有益工作，甚至是开发不少优秀产品的同

2、时，也因对防雷技术发展史缺乏 了解而做出事隔几十年的重新“发现”和“发明” ，甚至竟然获得专利；有的把违反高电压 基本原理的设计方案或装置当作重大发明，甚至用于重要工程或重大工程；有的把我国已 成功应用了半个世纪的成功技术当作新技术，或当作是新的 IEC 的前沿技术；有的把 4050 年前，我国已解决的问题又提出新看法和探讨(其中还有的是错误认识)；有的是 70 年代国内外已开始广泛应用，今天只将其最简单的初级形式移用于 220/380V 低压电源保护 或电子器件保护，就当作是国外引进的最先进的东西加以介绍(甚至还介绍错了)。对于青 年防雷科技人员，不仅是如何帮助他们更快地成熟起来，而且还要让

3、后来者居上，除了个 人努力以外，我们这些年长的同行如何创造一个有利于新一代人快速发展的科学技术环境 是当今值得注意的一个重要问题。我们这一批年长者，固然不该“求全”责难新人，也不 该静坐旁观，更不该让人家都去重读一次高电压专业大学，或用有高电压硕士、博士学位 者读一尺或几尺厚的书来令年青人望而生畏。本文的目的是，不持消极旁观态度，而是以 热诚之心，做一些我认为有益的工作讲一点防雷技术的历史，善意指出不宜再做哪一 类空中楼阁或沙上建殿之事；科学强调敢于怀疑、敢于创新，但对国内外已成功应用半个 世纪的技术当作国外最新发明，或再从头探讨则是事倍功半、弊多利少。作者因自 1950 年 初开始从事我国第

4、一个 110kV 输电线路设计(包括后来的 110220V 钢砼杆典型设计)和第 一个 22kV 串联补站的设计，以及随后在 19511952 年担任我国第一条 220kV 输电设计审 和技术指导，从而不可避免地必须及时解决好过电压保护和防雷与接地问题。这些关键问 题以高压电力部分为主，但也涉及电站的继电保护、自动化与通信设备，而且包括高压电 力线对通信和信号线的危险和干扰影响这个 70 年代在国际上称为电磁兼容即 EMC 新学科 (上述几个均为水利电力部获奖项目，后者则为我国四部一局同名协议的前身或兰本)38， 因而要重点从事高电压专业学习和研究471712347。今天，出于对高电压专业中

5、防雷技术的责任感和探讨市场经济新形势下，如何发挥老中青年防雷人员的各自优势以及 传统的综合高电压人员与各部门各自领域的防雷科技技人员间的优势互补，形成我国新一 代广大防雷科技队伍，逐步达到既有深厚的专业理论的基础，又能大力科技创新的密切合 作的专业群体，充分利用现有现代化配套的诸多高电压试验研究设备以及计算机软件，以 最快最好的先进技术和适用技术及时解决我们这个多雷、多山国家经济建设、国防建设和 现代公共事业运营中遇到的防雷与 EMC 问题。一、过电压保护与防雷技术发展简史1间隙、磁吹间隙1119 世纪 7080 年代是电力网发展的初期阶段，几乎无任何过电压保护装置。80 年代 末期，在电力网

6、中才采用了电话的保护装置导雷器，实际就是保护间隙串联一个熔断 器，或只装间隙。(如图 1 所示)后来在本世纪 30 年代初，发展成去游离避雷器，即由纤维 管制成的管型避雷器。注：1-火花间隙图 1 导雷器上世纪 90 年代初期，E.Tomsom 制出了磁吹间隙，用来保护直流电力设备。图 2 所示 可以说，这是现代磁吹避雷器的前身。20 世纪初，开始注意限制工频续流问题。1901 年德 国制成用串联线性电阻限流的角形间隙，这是现代阀型避雷器的前身。上述保护装置，实 际上主要用来防止感应雷造成的事故。如果是直击雷，或是击于线路上的近区雷击，电气 设备多数还会被击毁。值得注意的是，近年德国一公司自称

7、造出吸收能量最大的 MOV 过 电压保护器(多数是 40kA、60kA)，而且可通过 10/350s 长波通流试验，其特点就是 M0V 串联一个磁吹角型间隙。注：1-角形间隙；2 -磁吹线圈；3-直流发电机图 2 E.Tomsom 磁吹间隙2电容器、电感线圈、吸波器、1:1 防雷变压器1113141908 年瑞士 MOscick 提出利用高压电容器作防雷元件的方案，通常是与电抗线圈配合 使用，构成防雷吸波器。如图 3 所示 30 年代初，前苏联莫斯科电力系统曾用电感线圈保护 几个 33kV 变电所，但因阀型避雷器装于电感线圈外侧，电感与变压器入口电容谐振，使 变电所雷害事故率翻一番，而且电感线

8、圈本身还发生不少绝缘事故，因而后来拆除了这些 电感元件。我国 40 年代和 50 年代初，有些发电机、升压变压器和配电变压器曾采用电感 元件保护，可惜未很好总结经验，后来多数电感元件没有继续使用。只是到了 60 年代，波 兰才在 35110kV 变电所，利用装于进线入口的电感元件取得良好的防雷效果(阀型避雷 器装于变压器与电感元件之间，防止了 L-C 谐振)。直到现在，电容电感元件还是我国和国 外保护旋转电机的有效保护装置。我们过电压保护与接地国标修订组调查分析表明，经过 电感线圈供电的发电机，其平均无故障工作时间 MTBF(雷害)290 年，即提高防雷可*性 310 倍。我们将电力部门近千个

9、微波站全国指标 MTBF60 年提高到 200500 年的微波 站过电压保护柜，措施之一是 1:1 变压器。近年，国外公司在电力、电子保护环节中所用 的解耦(退耦)元件并非新物，就是一个电感线圈。裸导线 510m 长的电感有时也相当解耦 元件。注：T-变压器；S-水电阻器或导体电阻器；L-电抗线圈；C1、C2-电容器图 3 防雷吸波器3自动阀型避雷器、阀型避雷器、磁吹阀型避雷器111907 年在美国出现了铝电解避雷器，利用它在不同电压下能通过或阀截电流的特性遮 断工频续流，它曾用于 100kV 高压电网。1922 年美国西屋公司(WH)制出了自动阀型避雷 器。1929 年美国通用电力公司(GE

10、)制出契利特阀型避雷器，使系统雷击损坏率下降 90%。 阀型避雷器通过雷电流能力的发展情况如下(多数用 8/20s 后试验，通过 20 次，且残压变 化不大于10%)。111928 1934 1935 1937(年)300 3000 10000 l00000(A)后者系 4/lOs 波形 2 次，100kA 及以上。50 年代初，磁吹避雷器问世，它兼能防护雷电过电压和内过电压，这是避雷器发展的 一个转折点。因为直到今天，即使在 220/380V 低压配电网中的过电压保护器也要求对操作 过电压波(SEMP)具有防护能力。其 2ms 方波或工频续流通流能力从开始的 150A，发展到 80 年代初的

11、 1500A 左右，我国高压避雷器的 2ms 方波通波能力发展情况如下。111964 1972 1977 1980 1982(年)400 800 1OOO 1200 1500(A)现在保护 220/380V 电源的过电压保护器应具有 SEMP 的防护能力，其主要判据是 2ms 方波的通波能力。当然，还有待定出 MOV 的耐受电流标准值。4氧化锌避雷器(MOV)111968 年日本大板松下电气公司研制出了，新一代“无间隙避雷器” ，即氧化锌避雷器， 开始应用于电子工业。这是一种利用金属氧化物对电压敏感特性来吸收交、直流电路中雷 电过电压和操作过电压，以保护电力、电子器件的装置。开始主要用于产生电

12、火花的电触 点，用来吸收暂态电压能量。1976 年，迅速向高电压电网发展，日本首先制成 84kV 级耐 污型无间隙避雷器，到 80 年代初已制出 275kV 和 500kV 级超高压避雷器。由于开始时造 价较高，而性能又大有改进，故其发展和使用在很长一段时间主要用于超高压电网，而且 各国多是从超高压使用，待价格下降后才逐步用于较低电压电网。因为前者残压每降低 8%左 右，可使设备的绝缘水平降低一级(6%-8%)，相应的设备造价可下降 4%-6%。这对几百万 元、上千万元一台的超高压电力设备，采用 M0V 具有很大经济意义，即使一组 MOV 价值 数十万元也是值得的。1972 年，我国武汉市一个

13、小厂生产出我国第一批氧化锌压敏元件， 属于世界上少数几个继日本之后能制造 MOV 的国家之一。MOV 在我国的应用也是从高电 压向低电压发展的模式。例如，80 年代初，华北 500kV 超高压电网首先从瑞典 ASEA 公 司引进 500kV MOV，同期机械工业部同水利电力部共同观察、分析、谈判后决定，西安 电瓷厂和抚顺电瓷厂分别从美国 GE 和日本日立公司引进生产专利，不久即造出接近世界 水平的 500kV MOV。80 年代中后期，先后在：330kV、220kV、110kV 等电网应用国产 MOV。80 年代后期，又在 10kV 和低压 220/380V 配电网普遍采用氧化锌避雷器，效果良

14、 好。 5管型避雷器 1927 年，美国一些线路开始采用在管内产生非游离气体以遮断续流的管型避雷器。续 流在 1.53.5 个周波内熄灭电弧。80 年代初，我国又制成一种无续流管型避雷器，并在高 压电力系统试用。后因用量太少，生产厂效益不佳，陆续被阀型避雷器所代替。6避雷针、避雷带、避雷网、避雷线和耦合地线1750 年，富兰克林提出以针尖放出电荷缓慢中和雷云中的电荷的避雷针用来防雷。后 来的实践证明，它不能“避雷” ，而是将雷引向自身来保护其周围的设备。随后俄国罗蒙诺 索夫在重复了富兰克林的著名风筝试验(他的朋友利赫曼和他一起试验，因被引下的直击闪 电击中而牺牲)之后，于 1753 年发表的论

15、文关于因电力而产生的大气现象的发言中也 对此作了重要论证。一个鲜为人知的重要事实是，富兰克林发表避雷针理论之后不久，法 国一位工程师即按其理论建立一个避雷针，并且很快发生一次接闪。这是人类首次主动设 法改变雷闪途径，也是直击雷可以防护的证明。这位法国工程师作为一个正直的科学家， 当即高兴地报告了富兰克林避雷针的引雷成功。避雷针的实际应用，必须解决的是它的保护范围问题。这是在试验室和实际应用中多 年逐步定量化的，而且其精确性已基本满足了工程设计的需要。正是各国高压输电和电力 系统的发展推动了这一科研工作的前进。19251926 年，Peek 第一个在实验室内利用冲击 电压发生器造成“人工雷”对避

16、雷针模型放电，研究保护范围保护系数与雷云高度对 针高之比(H/h)的关系，并研究了雷云极性对保护系数的影响。19301934 年，各国开始广 泛利用避雷针保护发电厂和变电所。当时 230kV 电网已经出现多年，287kV 超高压电网正 在建设中。如美国煤气和电力公司(AGE)1934 年开始用避雷针、避雷线保护变电所。避雷 线的保护范围是这样确定的：当架构强度足够时，每保护水平距离 0.45m，避雷线悬挂高 度要抬高 0.3m；架构强度受限制时，每保护水平距离 O.6m，要抬高 0.3m。这分别相当于 保护角 56和 64。11这与日本 60 年代末的防雷规范 60相近。到 60 年代初(1963 年 Davis)、70 年代初美、英等国对保护输电线路的避雷线的保护范围陆续提出击距理论，即 考虑雷电流辐值的大小来选定保护范围。我国高电压工作者(朱木美教授指导王小瑜同志) 在 196219