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过电压保护与防雷技术的历史、现状和未来(I)

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发表于 2009-10-13 12:03:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
1 前言   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、电子设施防雷可靠性来看,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,如90年代初的感应雷防雷器;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;有的据说观察竹林长期不受雷击,就以仿生新发明,认为其弯曲、拔稍上尖下粗和略称潮湿是有利放出电荷防止雷击的奥秘而申报第四、第五个专利,该发明家其余专利也大抵如此。更可悲的是我见之于堂堂正规书刊;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40~50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低压电源保护和电子器件保护,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,而且还要热心创造条件,以利于后来者居上,这就要除了青年同志个人努力以外,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,这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。本文的目的正是,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一个110kV输电线路设计(包括后来的110~220V的钢砼杆典型设计)和第一个22kV串联补站的设计,以及随后在1951~1952年担任我国自行设计施工的第一条220kV输电线路,即著名的506工程(长369km)的设计主审和技术指导,和220kV变电所防雷和接地的审核和指导,从而不可避免地必须及时解决好其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以后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,后者为则我国四部一局同名协议的前身或兰本,作者因而破格升为工程师)[38],因而当时要重点从事高电压专业的学习和研究[47][17][1][2][3][4][7]。今天,出于对高电压专业中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1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。 2 过电压保护与防雷技术、电磁兼容技术发展简史    2.1 避雷针   人类对雷电采取防护措施,最早可追溯到12世纪。我国湖南现存的岳阳慈氏塔(约在1100年重建),自塔顶有6条铁链沿六个角下垂至地面上一定高度,可用来防止雷击损坏。有的古塔还将此类铁链沉入井,实现良好接地。几年前作者偶然在安庆调查一类似上述结构的古塔,六条铁链下垂到地面以上约1m,询向当地居民,也有说传闻说过去铁链沉入井中,问现在何以无井,均未能答。中国古代屋宇顶上的龙咀伸出舌须,或许是人们寄希望于防止龙抓(雷击)。据说,有的舌须根部用细铁丝直通地下,这可能是现代避雷针的雏形。1750年,美国B.富兰克林提出了以避雷针保护建筑物的理论和方法。此前,他冒生命危险用金属线放风筝飞入雷云中,证明了雷闪现象的本质是电。不久,俄国科学家罗蒙诺索夫和他的好友利赫曼也在雷云天,放风筝做试验。试验本身是达到了目的:由雷云从风筝金属线向大地放电,形成由人干预的向地直接雷击和主放电,即达到了“引雷成功”,而代价是太大了:科学家利赫曼为科学而牺牲,一起放风筝的罗蒙诺索夫幸免于难。(风筝试验的图略,见文献)作者认为,我们这些防雷工程师应当永远铭记这三位高电压和防雷先驱:    富兰克林 罗蒙诺索夫 利赫曼   历史发展的辩证法常常是经历多少年后,再以更发展的形式重复某一事件。二百多年以后,作者于20世纪90年代初,作为特约专家,在北京主持我国中科院兰州大气物理所和解放军二炮合作完成国防重点课题《火箭引雷车研制与火箭引雷试验研究》的国家鉴定(任主任委员),1997年又在电力部参加《火箭引雷试验》可行性论证专家研讨会,会后又应邀作为七位专家之一,为部领导写关于立课与否的专家意见,并由作者撰写七位专家的综合意见,直到不久前,在我所主持的2002年高电压技术与社会发展专委会学术研究会(2002.4.12-14,厦门)论文集中,国家电力公司广东省电力试验研究所等提供《火箭引雷对防雷装置试验》这一国家重点课题所取得的重要科研成果,将雷电先导的发展和向防雷装置定位及放电的现象(光学的和电的)和规律,在理论上向前推动了一步。   一个鲜为人知的重要事实是在富兰克林发明避雷针的第二年,一位法国工程师写信给富兰克林,报告并祝贺,按他的发明安装的一支避雷针接闪,即把雷引向避雷针从而避免了邻近被保护物遭受雷击。这既是人类首次干预雷闪自然活动途径(而且是导致自然灾害的活动)的预期目的获得成功,又是无可辩驳的事实,使发明者改变了原来的想法——徐徐放电,中和雷云中的电荷,避免雷害,得出了“引雷”击于自身,避免击于被保护物的正确看法。 2.2 间隙、磁吹间隙[11] 19世纪70~80年代是电力网发展的初期阶段,当时几乎无任何过电压保护装置。80年代末期,在电力网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。至于间隙,则直到现在还在某些情况下使用。例如,从我国低压220/380V配电,短波、超短波越天线引入机房时的第一道防护装置到欧洲220~400kV变电所设备上的辅助保护间隙。 图1 导电器 注:1—火花间隙 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,实际上主要是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造出吸收能量最大的MOV过电压保护器(多数是70kA、100kA),而且可通过10/350μs长波通流试验,其特点就是MOV串联一个磁吹角型间隙。 图 注:1—角形间隙;2—磁吹线圈;3—直流发电机 2.3 电容器、电感线圈、 吸波器、 1∶1防雷变压器[11][13][14] 1908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35~110kV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,即提高防雷可靠性3~10倍。我们将电力部门近千个微波站全国指标MTBF≥60年提高到200~500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5~10m长的电感有时也相当解耦元件。 图 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 2.4 自动阀型避雷器、阀型避雷器、磁吹阀型避雷器[11]   1907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)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8/20μs后试验,通过20次,且残压变化不大于±10%)。[11]   1928 1934 1935   1937(年)   300   3000   10000   100000(A)   后者系4/10μs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1500A左右,我国高压避雷器的2ms方波通波能力发展情况如下。[11]   1964 1972 1977 1980 1982(年)    400  800 1000 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。 2.5 氧化锌避雷器(MOV)[11]   1968年日本大阪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MOV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,效果良好。 2.6 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1.5~3.5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。 11255406441424.jpg 2.JPG 3.JPG

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发表于 2009-10-17 13:09:44 | 显示全部楼层
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