防雷工程技术的发展(浪涌保护器)

从富兰克林发明避雷针起到 20 世纪初这 150 年时间里,防雷技术几乎没有进展。这有两个原因,一个是社会生产与生活变迁不大,建筑防雷已有避雷针作了有效保护,对防雷没有提出什么迫切的新需要。另一个则是大气电学的理论探索进展很少,不可能指导防雷技术的发展。  在步入 20 世纪之初,电讯和电力事业的发展遇到了雷灾,所以在这方面工程防雷技术开始出现进展。1876 年贝尔发明电话,社会的需求,使它迅猛发展, 1880 年仅美国就有8000 台电话,架空长导线出现了, 它立刻变为继建筑物之后第二个雷电袭击的重要对象。为了防护电话设备和人员安全, 19 世纪 80 年代末就出现第二种避雷装置—— —导电器,它实际上是一个火花隙,当雷袭击架空导线时,高电压循导线进入室内之前在导电器处发生火花击穿,雷电流短路入地。这就是当今所广泛采用的避雷器的最原始形式。  1887 年伦敦筹资百万英磅建立供电公司,从此结束了 19 世纪电力工业分散经营的局面,把发电机从各个工厂集中到中心电站集中供电,大大降低电力成本,输电网和变电站就迅速扩展,与此同时电力输送的电压越来越提高以减少传输损耗,这样输电网的过电压防护与防雷就成为电力部门的极为重要问题。19 世纪 90 年代初 E .Tomson 制出了磁吹间隙保护直流电力设备,可以说是磁吹灭弧避雷器的前身。1901年德国制成串联线性电阻限流的角形间隙,则是阀型避雷器的前身。此后由于电力工业对绝缘研究的需要、 对高电压输电研究的需要,建立起高电压实验装置,这就为人工模拟雷电的研究创造了物质条件,防雷保护与过电压保护结合在一起,研究绝缘闪络和闪电过程也结合在一起,因此20 世纪以后防雷技术就从建筑领域转移到电力输送领域,所以防雷技术人员也就由电力系统来培养了。雷电科学发展的历史上物理学者原本是主角,自从电力系统利用强大的高电压实验技术力量抓住防雷工程的研究之后,研究大气电学的物理工作者就把研究的视线转移到其它方面,为其它高科技服务。因此雷电科学的发展主要偏重在工程技术方面,从高空转向地面。  在富兰克林时代,只注意直击雷的灾祸, 20 世纪之后,电力部门注意到感应雷或者叫雷电的二次效应的祸害。德国 W .Peterson( 1914 年)提出用接地避雷线防雷的理论,为的是降低绝缘上的感应过电压。后来美国 F .W .Peek,W .W .Lewis 也认为威胁线路绝缘的不仅是直击雷,还有感应雷, 架设避雷线首先是防感应雷。而 Atherton、 Simpson 等则认为感应雷对高压线路并无危险。30 年代末期大家取得比较一致的见解,认为 100kV 以上的输电线路避雷线是防直击雷的基本保护装置。至于建筑防雷方面,富兰克林尖端避雷针的形式也开始有了变化。1925—1926 年Peek 第一个在实验室内用 “人工雷” 研究避雷针的保护范围问题、 雷云极性对保护系数的影响。1934 年美国瓦斯和电力公司(AGE )开始用避雷针和避雷线保护变电所,由于避雷线的应用有效,又使建筑物的避雷装置出现避雷带。这种发展带有一定的必然趋势,因为现代高楼建筑普遍使用一些金属构件,有的是用于装饰,因此广泛利用建筑物的部件作为避雷装置可以降低造价。它的进一步发展就是 50 年代以后迅速流行的笼式避雷网,几乎所有新建的现代化钢筋混凝土楼房都采用它。早在 1877 年英国防雷协会的年会上,电磁场理论的创立者麦克斯韦( James Clerk Maxwell , 1831—1879 年)提倡使用 “法拉第笼” 的原理来代替普通的避雷针,并举雷击火药库为例,雷击到金属笼壳上可以保证不出事故。在 19 世纪实行这一方案还不太现实。到了 20 世纪 50 年代,现代的钢结构和钢筋混凝土建筑物已十分接近法拉第笼的条件,只要施工中对钢筋采取焊接方法就可以很轻易地实现笼式避雷网了,这可以说是到目前为止,建筑物防雷技术最完善的形式了。  但是即使这种建筑物避雷装置也不能不考虑到电力线和电讯线上过电压波的入侵,因此出现了各种避雷器来把雷电过电压波分流入地,阻止雷电流侵入建筑物内部造成灾害。1907 年美国出现铝电解电容避雷器, 1908 年瑞士 Mosciki 提出用高压电容器作防雷元件, 1922 年美国西屋公司制成自动阀型避雷器, 1927 年美国开始采用非游离气体以遮断工频续流的管型避雷器,50 年代初,磁吹阀型避雷器问世。1968 年日本大阪松下电气公司研制出新一代的“无间隙避雷器” ,它实质上是一种金属氧化物非线性电阻,现在它已成为避雷器的主流了。  70 年代后,防雷工程情况突变,迄今尚未引起人们的普遍重视。首先频频遭到雷害的是航天部门,它是尖端科技最集中的部门,损失严重。而后各行各业,凡是新技术普及之处,随即雷灾频繁,损失惊人,一时里竟缺乏防雷良策,众说纷纭,甚至对二百多年来,被人们公认不疑的富兰克林避雷针都发生了疑虑甚至予以否定。雷灾的突然变得广泛而严重,不仅使素不关心也用不着了解雷电科学的人们困惑,惊慌不安,同样也使长期从事防雷工程技术的行家里手、 一般的防雷工作人员缺乏良策。产生这种新情况的原因,是由于  防雷技术已不适应近年来科技的迅猛发展,特别是微电子技术的普遍应用。闪电与二百多年前相同,并未发生变异,只不过它的某些物理效应在新技术产品上发生作用,而在这些产品面世之前人们是看不到也决不会想到的。所以说雷电科学的发展必然与人类社会科学技术的发展相适应,因而防雷工程技术也会在学术理论上出现新的研究成果。