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-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一个110kV输电线路设计(包括后来的110～220V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[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[11]
19世纪70～80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10/350μs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[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*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。

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[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 l00000(A)
后者系4/lOμs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 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)[11]
1968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。

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1.5～3.5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。

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。

1925～1926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。

1930～1934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1962～1964年研究输电线路防雷时也提出了类似方法。

[11]至于用来保护发电厂和变电所，我国50年代因担心避雷线断线会波及全厂和全变电所而只采用避雷针。

到70年代中期，才明确避雷线可用于发电厂和变电所的保护。

避雷带是在建筑物的屋脊和屋顶四周敷设的接地导体，是由避雷针、避雷线发展而来的。

作者最早是由德国资料中了解到这项技术。

避雷网是在避雷带的中间敷设接地导体，以保护建筑物的中间部位。

用于保护建筑物，其优点是敷设简便、造价低。

而且同高耸的避雷针相比，引雷的几率大为减少。

而且它接闪后一般是由多根引下线泄散电流，室内设备上的反击电压相对较低。

我国建筑防雷工作者提出并在全国广泛应用的笼型防雷方式则是利用建筑物钢筋形成的法拉第笼，同时也解决了等电位连接问题，极大地提高了建筑防雷的可*性。

[63][64]此外，它也便于笼内(屋内)电力、电信、电子设施统一接地(共地式)。

我国电力部门发电厂厂房、机房、变电所及主控室，包括控制和信号电缆等不同用途不同电压设备，自50年代初即全部采用共地式，使全站实现等电位，并制订1952、1956年以来各版过电压和接地标准。

这同IEC近年规定、国外公司广泛宣传的统一接地和等电位连接相比，要早40年以上。

[33][34][35][36]
人们曾企图利用在针尖敷上放射物质来提高引雷作用，扩大保护范围，后来证明无效。

60年代末、70年初，英、德等国建筑物防雷规范已明确做出否定的结论。

80年代，水利电
力部电力科学院在高压试验室内所做的试验也证明，放射性避雷针在引雷效果上与同尺寸的普通避雷针没有差别。

我国过电压与绝缘配合标准对它一直持否定态度。

尽管国际上已有定论，法国及一些法语国家还有一些地方，继续使用带有放射物的避雷针。

我国一些从法语国家引进的工业设备，还有用这种避雷针保护的。

这不仅浪费资金，无助于防雷改进，而且由于其放射性物质，还造成人身的环境方面的隐患。

它违反我国所有有关防雷的标准。

德国W.Peterson于1914年提出利用接地避雷线防雷的理论，认为其作用在于降低输电线路绝缘上的感应过电压。

到30年代初期，避雷线虽已使用多年，对其作用仍无统一认识。

美国,，威胁输电线路绝缘的不仅是直击雷，还有感应雷。

Peek首先提出了划弧线确定保护范围的计算方法，如图4所示。

他们认为，架设避雷线，首先是防护感应雷。

而Atherton 和英国的Simpson、瑞典的Norrinder以及德国、瑞士一些学者，则认为感应雷对高压线路并无危险。

苏联的，对于66kV以上线路只有直击雷是危险的，避雷线应着眼于防止直接雷击。

30年代末期，德国研究了雷击输电线路时雷电流在各相邻杆塔的分布，实际上引入了分流系数的概念。

[10]到30年代末期已经明确，100kV及以上线路，避雷线是防护直击雷的基本保护装置，应架设得足够高，并具有良好的接地装置。

事实上，从1928年开始，，又有人研究了放射型和伸长型接地体的冲击特性，以适应直击雷防护的泄流需要。

但是，一种新的正确认识，往往在相当长的时间内还有旧的认识与之并存。

直到40年代初，一些文献还认为防感应雷是避雷线的主要目标。

有些美国书籍甚至主张将避雷线架设在导线下面，并提出这样的数据：架设一根避雷线，可将感应过电压降低到1/2；架设两根避雷线，降低到1/3。

[5]不过，到了40年代中期，所谓“直击雷理论”就将“感应雷理论”完全取而代之了。

[9][11][13]有趣的是，60年代初，我国输电线路防雷工作者(浙江省电力部门)提出山区线路当接地难于达到要求或雷击频繁地段，可在线路导线下敷设1～2根接地耦合线以增大分流系数和导地线间的耦合系数，从而提高耐雷水平和降低雷击跳闸率一半左右(降至原值的)。

1976年开始列入过电压保护规程等标准中，至今仍是山区输电线路防雷的一个有效措施。

后来得知，在我国之后若干年，澳大利亚在330kV超高压输电线路上也采用耦合地线防雷技术。

[11]
注：H-雷云高度
图4 代表Peek公式的计算图
7．自动重合闸装置(AIIB)和备用电源合闸装置(ABP)[7][20]
20年代中期，美国still提出，利用断路器重合闸消除瞬时短路包括雷击引起电力线路短路跳闸来保证电力供应，到30年代各国已广泛采用。

后来又发展二次重合闸、单相重合闸以及单相与三相综合重合闸。

我国于1950年夏，在鸡西电业局安装苏联提供的35kV开关，这可能是我国第一批带重合闸的少油开关，随后写出鸡西发电厂和电业局全面改造继电保护，推广自动重合闸及备用电源自动合闸(分别称AIIB和ABP)的设计书，后来成为专著出版。

[20]很有趣，这项普遍应用于35～500kV输电系统的技术现在不仅应用于10kV电网，而且也有时应用于重要的220/380V供电，如铁路信号电源(象北京铁路局)，应用此项技术和备用电源自动合闸装置也大大减少了雷击停电事故。

高压线路雷击跳闸故障，重合闸能在几分之一秒重合，成功率达85%左右，即将事故减少到15%左右。

重要通信台(站)的电源也可考虑采用此措施。

一些军用台(站)即采用备用电源合闸装置。

8．电磁兼容(EMC)
电力线和电信线发展初期，虽然两者难免互相交*和平行接近，但因电力线电压低、电流小，一般是各行其道，相安无事。

电力系统大发展之后，才产生干扰影响，出现电磁兼容问题。

近阅1947年5月号《中国电力》(《电力技术》近年更为现名《中国电力》，这或许巧合)，建设委员会和交通委员会联合发布《电话线及电力线交*、平行设置规则》18条。

规定：①交*时，电力线在上，电信线在下；②街道架设线路，一侧设电力线，另侧设电话线；
③交*处60kV及以下导线对电话线最小垂直距离标准；④平行架设线路电话线务求多实行导线换位，电力线也应尽力实行导线换位；⑤两者平行接近时，电话线距各级电压电力线的最小距离；⑥后架设一方为满足此要求需另方改建时，后架一方承担费用。

在3月、4月号刊中，东北已有140kV线路运行，但在《规则》中对该电压级的交*垂直距离和平行线路水平距离标准中未做规定。

当年14OkV线路属中性点消弧线圈接地系统。

实际上这是我国最早一部电磁兼容标准(虽然电磁兼容术语和学科是在20年以后逐渐形成)。

当时是按感应雷理论制订，也是世界范围内向直击雷理论过渡的时期，以当时国家所处条件，我们的前辈能制订该建设标准，实属难能可贵。

科学发展史上常见的有趣现象是，历史在这里似乎走了一个螺旋式回归(高级重复)，初期电力系统从电报、电话线那里“引进”放电器作为主要的防雷装置，并使其由阀型避雷器发展到500kV、750kV和1200kV级特高电压的庞然大物(高达5～10m以上)。

后来又广泛用到1OkV高压配电和220/380V低压配电网，可小到柿子般大小。

而其诸特性，如残压、通流能力、诸性能分散性的统计分布以及过载能力、老化过程和寿命等所有性能均属大同小异。

现在，它又回过头来为电信、信息系统承担保护的任务了。

更有意思的是，早在1936～1940年，前苏联对于保护电信台(站)的玻璃管内装铝电极间隙和充气的放电器(如PA-350，放电电压300～400V)，就其要求间隔一定时间(如10s)能承受lO次放电，至少是3～4次放电而言思路正确(如研究单位HC和HKC)。

而且PA-350如不能达到此要求，就并联一个由铁板电极做成的放电电压为1000～1500V的空气间隙做后备保护。

[6]相比之下，今天一些外国公司，对其SPD所标电流只是一次承受值(也有是二次承受值)，不能满足约占90%的多重雷击要求以及寿命要求，只有商业宣传价值。

而它与现在电力系统广泛应用的氧化锌避雷器的5kA，允许承受20次，而且试后残压变化不大于10%，更是不可直接比较的。

这一规定各国同此，而且是IEC标准。

[11]大量试验和MOV特性曲线表明，它同一次、二次相，分别相差至少3和4倍以上。

这种商业宣传与科学和工程需要之间的分离是防雷工作者应该知道，而且要使用户选用时知此实情的。

研究科技史文献可知，早期电力工程、电信工程著作，防雷问题几乎不予涉及，因为当时防雷的重要性，包括它的危害程度，因工程规模小而未引人注目。

例如，Singer.Holmyard,Hall＆Williams主编著名的科技史宏篇巨著“A History of Technology”,Oxford At The Clearendon Ptess，1958，以及国内电工史专著，对于电工发展前期的防雷也是或不涉及，或语焉不详。

从避雷针到出现简单间隙、电容、线圈，经过了漫长的158年。

到制出原始型避雷器，又经过了1O年。

这绝非因为人类智慧贫困，而是电力工业的发展，才有了防雷的需要。

作者所绘各种防雷和过电压保护装置的出现，与输电电压等级相关图(如图5所示)充分说明了这一问题。

[11]直到出现几千万和上亿千瓦的联合电力系统(如华北500kV网架连接的系统装机容量已近4000万千瓦)，其一次雷击足以导致大地区
的灾难，如美国有名的纽约大停电，才迫使人们利用几千万元的高压试验设备进行不断的研究，使防雷系统日臻完善。

与此相似，正是由于早期室内只有电灯和马达这类电器，其防雷要求不高，建筑物防雷独特之处不多。

近年电子设备的广泛应用，而且多数装在户内，才使建筑物防雷逐渐引起人们的重视，其防雷理论和防雷手段才与日俱增。

又如，IEC自1934年成立，到现在先后共成立80多个技术委员会(TC)，以制订电力、电子、电信用大量标准。

主要是80年代末、90年代初，TC81等委员会才开始系统地提出一系列建筑物防雷标准，因为当建筑物内的微电子元件、电子设备的雷害，影响人们生活和国民经济日趋严重时，这一课题才受到重视。

注：1-避雷针；2-间隙、磁吹导雷器(间隙)；
3-铝、铅电解避雷器、电感线圈，电容器，中性点直接接地；
4-接地的避雷线；5-消弧线圈；6-自动阀型避雷器，管型、丸型避雷器，自动重合闸；
7-契利特阀避雷器；8-断路器并联电阻，超高压并联电抗器；9-磁吹避雷器；
10-电磁式电压互感器，限压饱和电抗器，并联电抗器；11-火花控制电抗器；12-无间隙避雷器；
13-消雷器(电离锥体)；14-同步断路器；15-可控电抗器，静止补偿器，多柱避雷器
图5 电网输电电压的增长以及过电压保护装置出现的时期
二、电信、电子设施当前的防雷与EMC现状和主要问题
由于自50年代以来，在从事电力建设和科研的同时，[16][18][19]作者一直参与过电压保护和接地方面的规程、导则、国标的制订、修订工作；同时，70年代中国电机工程学会成立高电压专委会和过电压保护与绝缘配合分委会(另有高电压测试、开关设备、高电压绝缘等3个分委)，定期参与组织全国电力部门、机械部、高校和其他科研单位进行学术交流，以及应邀到一些单位进行学术交流和技术咨询，因此，对于这类防雷大体有个轮廓认识。

当然，国家之大，科技问题之复杂，不能说是深入了解，不少是走马观花，或会上听说，难免有视而未见，见而不深，甚至是理解错误之处。

写此一段，是为青年同行参考。

至于对多数同行专家和各部门的专家，则是意在引玉，并渴望补充和指正。

为使问题具体而避免空泛，特将初步了解的情况列表说明。

限于条件，表中项目，详简不一，还有空白。

只是想从代表性示例中，得出我们该做些什么。

所以只是就问题而论希望大体不错，至于台(站)中的每一项目，难免不够全面甚至还有讹误。

如表1所示，分析表1，其中包括广播、电视、邮电、电信、电力、电子、建筑、航空、航天、气象、水文、地质、铁路、石化、中科院、大学、机场、海洋、园林、公用事业等20个部委(局)的五十多个代表性大中型电信、电子设施的防雷与EMC状况及问题，有一定参考价值。

限于篇幅，该表见下期续篇。

表1 我国民用电信台站和电子设施防雷技术的轮廓现状示例及问题
(以70%-80%置信度为评估目标。

如非多地多处的状况，我将加以说明。

由于明显的原因，。