中国防雷企业网 - 过电压保护与防雷技术的历史、现状和未来（II）

过电压保护与防雷技术的历史、现状和未来（II）

——电信与电子设施防雷与EMC技术发展的展望

国家电力公司（100031）刘继

2.7　避雷带、避雷网、避雷线和耦合地线
如前所述，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。随着俄国罗蒙诺索夫在重复了富兰克林的著名风筝试验之后，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。
　　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0.6m，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靠性。[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年代初，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。这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F.W.Peek，W.W.Lewis认为，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B.H.L等1931年提出，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，H.M.Towne就已研究了管型接地体的冲击特性。以后，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]

图

(引自1954年《全国防雷训练班讲义》(上册，下册).燃料产业部.北京.)
注：H—雷云高度
2.8　自动重合闸装置(AПB)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AПB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。
2．9　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叉和平行接近，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《电话线及电力线交叉、平行设置规则》18条。规定：①交叉时，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交叉处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》中对该电压级的交叉垂直距离和平行线路水平距离标准中未做规定。当年140kV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年以后逐步形成)。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10kV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10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 Press，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10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，因为当一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。

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

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—契利特阀型避雷器；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

2.10　发电厂、变电所、微波站等一律采用共地式，以及为防止反击，避雷针、照明灯塔等的接地所应采取的埋地铁管(或电缆)所应具有的地中波衰减距离
　　远在1954年8月燃料工业部所举办的“全国防雷训练班”上，作者等几位教师就引用苏联1954年过电压保护导则долгиноф在“电力设备的防雷保护”一书俄文本以及А.н.щеринцисс专家报告介绍。该书由王文端、解广润、刘继、王遵在讲课期间翻译，印出作为辅助学习资料，后于1955年电力出版社出版)，课本是杨津是、王文端、王遵、刘继、严谨、A.H.щеренцисс专家编著：《全国防雷训练班讲义》，上册、下册，约160万字，燃料工业部出版，1954年.北京)以及燃料工业部1952年版《过电压保护导则》详细讲述了：①高压(如110kV和10kV)、低压(220/380V)、继电保护与自动化设备、通信设备应共用一个接地，并注意等电位连接)；②避雷针接地沿地中接地体到发电机中性接地的距离不应小于40m(宜为40～60m)；③避雷针接地与主地网连接时，由避雷针接地处到变压器接地沿接地体的距离不应小于15m，由照明灯塔或装灯的避雷针其电源线应穿入埋地铁管，其长度不应小于10m才能与主地网或配电箱连接。电力部门后来将这种直击雷电流沿屏蔽电缆或屏蔽铁管的最小分流和衰减的地中距离称为柔性等电位连接。
图6 A，B是表明我国1954年的规定与IEC建筑防雷90年代规定的对比，和对后者的改进意见。

图6－A　工厂的网型接地端子系统(IEC原图)

1—具有钢构件的网状系统的建筑 2—工厂内塔式建筑
3—独立设备　　4—电缆托架

　　注：① 按B图原则，高塔2的接地不应与机房1的地图就近连接，而宜在单×处断开，并保护地中距离3m。同样，打双×处也宜断开(取消)，可按线增加斜地线以利散流。
　　② 即使机房室接10m，地网小格5m估算，50×45m的表地网，对常遇到的ρ=100～600 Ω·m的情况，工频接地电阻为R=1～6Ω，冲击接地电阻(Ri≤0.6～3.6Ω，所以多数情况，最外一圈小网格可以取消，即将闭合接地各向内移进一个小网格，这可大大减小工厂占地面积，当在高土壤电阻率ρ>600Ω·m时，才用按上图敷设。
　　③ 按中华人民共和国电力行业标准《交流接地装置》，DL621—1997规定，接地网的各外角应做成圆弧形，以减小雷击或电网短路时跨步电压，防止对人户的伤害。作者1993～1994年为深圳某变电所的模拟试验和1994年与华北电力设计研究院共同在京郊某220kV变电所进行的实测物表明，角形接地的场强梯度为弧形的5～10倍以上。

图6－B　110千伏变电所接地网布置简图

(注：图右侧两避雷针及接地图是在1954年图上，接1956年版过电压保护导则补画上的)

　　对图A，IEC接地连接端的优化示例(110kV、10kV、220/380V共用一个地网，通信、自动化等电子设备亦与上述高低压设备共用一个接地，接地电阻0.5Ω)。此图取自杨津基、王遵、解广润、刘继、A.H.щЕрЕнцис等合著《全国防雷保护训练班讲义》(下册)。第八章“防雷及接地装置设计实例》(刘继)P.8－5，燃料工业部.1954年
　　注：对比A、B两图设计原则自1954、1956年起，明确共地式设计原则和等电位连接原则(上图10kV地网与110kV地网用两条接地网连接带连接，远方水泵房等的接地亦按此执行，又带照明灯的避雷针接地，沿地中接地带的长度不小于10m才允许与主地网或配电箱连接。1959年版接地规程规定独立针得15m接地带才允许与接地网连接。

3　参考文献

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