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防雷技术原理详解及最新发展趋势

避雷器是保护电力系统、通信系统及各种电子设备免受雷击损害的重要装置。它们分为单相和三相避雷器,适用于不同的供电环境和设备。以下是对避雷器、接地装置以及防雷技术发展的详细阐述。
首先,单相和三相避雷器各有特点。单相避雷器适用于功率较低的电源系统,体积小、价格低。而三相避雷器则适用于高功率电源系统,尽管体积大、价格高,但能更有效地保护设备。此外,标准要求在电源线上多级加装避雷器,利用导线自感实现隔离阻抗电感,降低残压。
避雷器的残压是技术指标之一,但设备实际承受的过电压还需考虑避雷器与电源线、地线连接的导线电感产生的附加电压。因此,正确安装避雷器是降低设备过电压的重要措施。
避雷器还有其他功能,如雷击计数器、监控接口和不同的安装方式,以适应不同用户的需求。
通信线路避雷器对技术要求较高,需满足防雷和传输指标。常用防雷器件有放电管、MOV和TVS。放电管适用于所有通信频率,但防雷能力较弱;MOV适用于音频传输,TVS耐雷电流能力较弱。理想通信线路避雷器件应具备电容小、残压低、通流大、响应快的特点。
解决通信线路防雷问题,可采用不同器件组合成两级避雷器。第一级用放电管,第二级用TVS,可提高防雷效果。对于更高频率的通信线路,如移动和寻呼的天馈线,主要采用放电管,或采用高通滤波器原理。
接地装置是防雷的基础。标准规定采用金属型材铺设水平或垂直地极,必要时可使用镀锌、加大金属型材截面积或非金属导体。现代建筑基础钢筋可做地极,提高防雷效果。
过去,人们过分强调降低接地电阻,导致各种接地产品层出不穷。但实际上,接地电阻受土壤电阻率和地极与土壤接触电阻的影响。在构成地网时,地网形状和地极数量也有关。降阻剂和接地极只能改善接触电阻或接触面积,而土壤电阻率起决定作用。
防雷技术不断发展,但目前尚无万试万灵的产品。雷云起电机理、雷电感应定量研究等方面仍需探索。防雷产品的新效果需在实践中检验,理论需不断发展完善。雷电本身是小概率事件,需大量长期统计分析,这需要各方共同努力。

有厂家提供两级防雷的避雷器,用于单相电源防雷,因单相供电的功率一般在5KW以下,线路电流不大,阻抗电感容易绕制。也有厂家提供三相的两级避雷器,因三相电源的功率可能很大,因此这种避雷器的体积大、价格高。
在标准中要求在电源线上多级加装避雷器,其实也能实现降低残压的效果,只不过是利用了导线的自感做各级避雷器间的隔离阻抗电感。
        避雷器的残压只是避雷器的技术指标,真正加在设备上的过电压还要在残压的基础上加上避雷器与电源线、地线连接的两段导线电感产生的附加电压, 因此正确的安装避雷器也是降低设备过电压的重要措施。

防雷技术原理详解及最新发展趋势

d其它功能
避雷器还可以根据用户需要提供雷击计数器、监控接口和不同的安装方式。

3.通信线路避雷器
        通信线路避雷器的技术要求较高,因为除了满足防雷技术要求外,还须保证传输指标符合要求。加上与通信线路相连的设备耐压很低,对防雷器件的残压要求严格,因此在选择防雷器件时较困难,目前常用的防雷器件的相关性能如下表所示:
参数----- 放电管----- MOV ----TVS

电容 -----很小 --------大---- 较小
残压 ------高 ---------中 -----低
通流容量--- 大 ---------大 -----小
响应速度 ---慢 ---------快 ----很快

        理想的通信线路防雷器件应是电容小、残压低、通流大、响应快。显然表中的器件都不理想,放电管几乎可以用于所有的通信频率,但其防雷能力较弱;MOV电容较大,只适用于音频传输,TVS耐雷电流的能力较弱只能起辅助保护作用。不同的防雷器件在电流波的冲击下其残压波形也不同,如图所示。根据残压波形的特点,可将避雷器分为开关型和限压型,也可以将两种复合在一起,扬长避短。
        解决的方法是采用不同器件组合成两级避雷器,其原理图与电源的两级避雷器同。只是第一级用放电管,中间隔离阻抗用电阻或PTC,第二级用TVS,这样可以发挥各器件之所长。这种避雷器大约可到几十MHZ的频率。
        更高频率的避雷器就主要是采用放电管了,如移动和寻呼的天馈线避雷器,否则很难满足传输要求。也有产品采用高通滤波器的原理,因雷电波的能量频谱集中在几千赫兹到几百千赫兹之间,相对于天线的频率很低,滤波器容易制作。
最简单的电路是在高频芯线上并联一个小磁芯电感,就可以构成高通滤波的避雷器。对于点频通信天线也可采用四分之一波长的短路线构成带通滤波器,防雷效果更好,但这两种方法都会将天馈线上传送的直流短路,其应用范围有限。

4.接地装置
        接地是防雷的基础,标准规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极,在腐蚀强烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐,也可以采用非金属导体做地极,如石墨地极和硅酸盐水泥地极。更合理的方法是利用现代建筑的基础钢筋做地极,有事半功倍之效。
        由于过去对防雷认识的局限性,片面强调降低接地电阻的重要性,导致一些厂家推出各种接地产品,声称能降低地电阻。如降阻剂、高分子地极、非金属地极等。
        其实就防雷的角度讲,对接地电阻的认识已有变化,对地网的布置形式的要求较高,对阻值要求放松,在GB50057--94中只强调了各种建筑的地网形式,而没有阻值要求,这是由于在等电位原理的防雷理论中,地网只是一个总的电位基准点,并不是绝对的零电位点。要求地网形状是为了等电位的需要,而要求阻值就不符合逻辑了,当然在条件许可时,获得低的接地电阻总没有什么错。另外供电和通信对接地电阻有要求,那已超出防雷技术的范围。

 接地电阻主要受土壤电阻率和地极与土壤接触电阻有关,在构成地网时与形状和地极数量也有关系,降阻剂和各种接地极无非是改善地极与土壤的接触电阻或接触面积。但土壤电阻率起决定作用,其它的都较易改变,如果土壤电阻率太高就只有工程浩大的换土或改良土壤的方法才能有效,其它方法都难以凑效。

        防雷是一个老话题,但仍在不断发展中,应该说现在尚无万试万灵的产品。防雷技术还有许多待探索的东西,目前雷云起电的机理还不清楚,雷电感应的定量研究也很薄弱,因此防雷产品也在发展中,一些防雷产品所声称的新效果,需以科学的态度在实践中检验,在理论上发展完善。由于雷电本身是小概率事件,需要大量长期的统计分析才能得到有益的结果,这需要各方的通力合作才能实现。

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