【学员问题】防雷器的基本组成及用途？

　　【解答】防雷器中使用的元器件

　　电源避雷器中的雷电能量吸收，主要是氧化锌压敏电阻和气体放电管。

　　氧化锌压敏电阻是限压型保护器件，没有脉冲电压时呈现高阻状态，一旦响应脉冲电压，立即将电压限制到一定值，其阻抗突变为低阻状态。与气体放电管比较，它最大的优点是当它吸收脉冲电压时因残压高于工作电压，不会造成电源的瞬间短路，也不会产生续流。氧化锌压敏电阻的响应时间比气体放电管快。气体放电管的击穿电压对脉冲电压的上升速率十分敏感，电压上升速率越快，点火电压越高，响应时间越快。能够正确选择压敏电阻和气体放电管这二类元器件，并利用它们各自的优点进行组合的电源避雷器，其整机性能相对较好。电源避雷器中要求氧化锌压敏电阻，具有优良的能量耐受特性，而能量耐受特性主要用额定雷电冲击电流、最大雷电冲击电流和能量耐量三大指标来描述，这些特性与氧化锌压敏电阻的表面积有关，和元件的散热条件有关。同一种规格的压敏电阻，由于不同厂家的制造工艺、原料配方不同，其能量耐受能力会相差很大。

　　气体放电管具有很强的承受大能量冲击的能力，但在具体使用时，由于气体放电管在放电时残压极低，近似于短路状态，因此不能单独在电源避雷器中使用，气体放电管的耐流能力与管径有关，管径越大，耐流能力越好。气体放电管的质量问题主要表现为慢性漏气，长时间使用的可靠性问题（即遭受多次雷电冲击后，直流击穿电压值发生偏移），光敏效应和离散性较大。虽然近年来国产的气体放电管有了较大的改进，质量在逐步提高，但整体质量问题仍然存在，特别是可靠性问题和慢性漏气问题。因此电源避雷器中选择进口名牌气体放电管的产品应作为首选，且气体放电管的管径在Ф8㎜以上为好。

　　电源避雷器中的电容器和热熔保险丝的选择也很重要。电源避雷器长期工作在电网中，由于电容器的质量问题造成电源避雷器整机损坏的事例很多，因此，电容器的耐压选择很重要，特别是耐受脉冲高电压的冲击能力。相比之下，国外产品好于国内产品，日立公司，OKAYA公司的电容器质量为上好。电源避雷器中的热熔保险丝的作用是当雷电流超过电源避雷器最大承受能力时，由于过流作用，可使保险丝断开，同时由于过截使氧化锌压敏电阻温度上升亦可使保险丝断开，起到过流和温度双重保护作用。由于电源避雷器常态工作条件下，电流非常小，只是在雷电冲击或脉冲电压冲击时，在瞬态条件下起保护作用，因此与常规热熔保险丝的使用条件有所区别，所以，电源避雷器中的热熔保险丝应有独特性能，即在瞬态条件下的熔断特性。

　　先进的设计方案

　　避雷器的设计方案有了良好的元器件，先进的设计方案是确保电源避雷器质量的必要条件。根据对国内外产品的分析比较，在设计电源避雷器时应充分考虑以下几个方面问题。电源避雷器耐雷电电流冲击等级的合理定位，即电源避雷器额定浪涌电流值和最大浪涌电流值的确定。现在市场上有些电源避雷器的厂商，为了广告宣传和产品竞争等商业行为，随意提高耐雷电电流冲击的等级，这是一种对用户极不负责的态度。雷击灾害对现代电子设备具有极大的破坏性。某一地区雷电电流的大小，由于地理环境、气象条件和电子设备电源接线方式等诸多不确定因素，很难用一个数字量来确定，因此，厂家对电源避雷器的设计应有较大的余量。一般浪涌电流的设计应是该电源避雷器最大浪涌电流值的一倍，而最大浪涌电流值又应是该电源避雷器额定浪涌电流值的一倍，这样的设计余量才是对用户负责的态度。在厂家设计的具体线路中，应采用多路浪涌电流吸收的冗余式电路结构，即当某一路浪涌电流吸收回路由于某元器件损坏，自动退出电源避雷器的整机电路，不影响整个电源避雷器的正常工作。由于采用上述的设计余量，即使出现一路、甚至二路吸收回路退出整体电路，也不影响整个电源避雷器的防雷能力。这种冗余设计方案将大大地提高电源避雷器的可靠性，是多雷区电源线路防雷的首选防护设备。

　　生产工艺和质量管理体系方面

　　合理科学的生产工艺是确保电源避雷器质量的保证条件。在电源避雷器的生产工艺上，生产厂家应注意以下几个方面的问题。湿热一直是压敏电阻失效的一个重要原因，其表现出来的现象是压敏电阻在受长期潮湿环境的影响下，其泄露电流明显上升，压敏电压值明显下降。对于整个电源避雷器来讲，由于潮湿环境的影响，一旦电网中出现瞬态过电压或雷电电流的冲击，很可能造成局部短路而损坏的现象。由于雷雨季

　　节往往是一个湿热的气象环境条件，因此电源避雷器的防湿热工艺显得非常重要。通常厂家采用环氧树脂灌封的生产工艺。有些厂家能在环氧树脂灌封的过程中进行真空抽气，则效果更好。因此，在选择电源避雷器时，除观看厂家的元器件的选择，设计方案和生产工艺外，质量管理方面也很重要。这包括元器件采购、保管、检验、组装、老化、残压和泄露电流的测试制度、安全制度等方面。

　　综上，选择质量优良的电源避雷器，不能只停留在厂家的广告宣传上，还应到厂家针对上述几个方面去看一看，特别是关键元器件的选择、设计方案、生产工艺是了解的重点。除此之外，当地的气象条件、年雷暴日数和雷暴造成财产损失的情况也应和选择电源避雷器的防护级别进行综合考虑。

　　编辑本段

　　设计原理

　　针对现在市场上出现了各种各样的防雷器，质量参差不齐，有一些甚至闻所未问（如：不用接地的避雷器，到现在为止，都弄不明白它的工作原理），因此，通过介绍避雷器的工作原理及组成，对客户甄别真假、优劣，有所帮助。

　　防雷器元件从响应特性看，有软硬两种。属于硬响应特性的放电元件有火花间隙（基于斩弧技术的角型火花隙和同轴放电火花隙）和气体放电管，属于软响应特性的放电元件有金属氧化物压敏电阻和瞬态抑制二极管。这些元件的区别在于放电能力、响应特性和残压，避雷器就是利用它们不同的优缺点，扬长避短，组合成各种避雷器，保护电路。

　　火花间隙（Arc chopping）

　　1、放电间隙：原理是两个如牛角现状的电极，距离很短，用绝缘材料分开，当两个电极间的电场强度达到击穿强度时，电极之间形成电流通路。当雷电波来到的时候首先在间隙处击穿，使间隙的空气电离，形成短路，雷电流通过间隙流入大地，而此时间隙两端的电压很低，从而达到保护线路的目的。电场强度低于击穿间隙时，放电间隙型避雷器又恢复绝缘状态。常用于高压线路的避雷防护中。在低压系统，常用于电源的前级保护。

　　火花间隙型避雷器产品的优劣，在于制成电极的材料、间隙距离及绝缘材料。

　　优点：具有很强放电能力、通流量大，10/350μs脉冲波形能够疏导50KA的脉冲电流，用于8/20μs脉冲电流，可以大于100KA，很高的绝缘电阻以及很小的寄生电容，漏电流小。对正常工作的设备不会带来任何有害影响。

　　缺点：残压高（2.5~3.5KV），反应时间长（≦100ns），动作电压精度较低，有工频续流，因此在保护电路中应串联一个熔断器，使得工频续流迅速被切断。

　　注：由于两只放电管分别装在一个回路的两根导线上，有时会不同时放电，使两导线之间出现电位差，为了使两根导线上的放电管能接近统一时间放电，减少两线之间的电位差，又研制了三级放电管。可以看作是由两只二级放电管合并在一起构成的。三级放电管中间的一级作为公共地线，另两级分别接在回路的两条导线上。

　　2、气体放电管（Gas discharge tube，GDT）：是一种陶瓷或玻璃封装，管内再充以一定压力的惰性气体（如氩气），开关型的保护元件，有二电极和三电极两种结构。当电场强度达到击穿惰性气体强度时，就引起间隙放电，从而限制极间的电压。8/20μs脉冲电流能够疏导10KA.放电电压不稳定，当电压大于12V、电流电压100mA时，会产生后续电流。通常用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路中。

　　金属氧化物压敏电阻

　　金属氧化物压敏电阻（Metal oxide varistor，MOV）

　　以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当加在电阻两端的电压小于压敏电压时，压敏电阻呈高阻状态，如果并联在电路上，该阀片呈断路状态；当加在压敏电阻两端的电压大于压敏电压时，压敏电阻就会击穿，呈现低阻值，甚至接近短路状态。压敏电阻这种被击穿状态是可以恢复的，当高于压敏电压的电压被撤销以后，它又恢复高阻状态。当电力线被雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电力线上的类电压被钳制在安全范围内。

　　氧化锌压敏电阻避雷器，现在市场上流通很多，我国在20世纪80年代末才大批生产，被认为目前最新型、技术最先进，会做专题详细介绍。现在我国的输电线路的避雷器，都采用氧化锌避雷器。

　　优点：开关电压范围宽：6V~1.5KV，反应速度快（25ns），残压低（可以达到终端设备的安全工作电压），通流量大（2KA/c㎡），无续流，寿命长。

　　缺点：容易老化，动作几次后，漏电流会增大，从而导致压敏电阻过热，最终导致老化失效。

　　电容较大，许多情况下不在高频、超高频系统中使用。该电容又与导线电容构成一个低通。该低通会造成信号的严重衰减。但在频率低于30KHZ时，这种衰减可以忽略。

　　瞬态抑制式二极管

　　瞬态抑制式二极管（Transient voltage suppressor，TVS）：

　　1、二极放电管：有两种形式：一是齐纳型（为单向雪崩击穿），二是双向的硅压敏电阻。性能类似开关二极管等。在规定的反向电压作用下，两端电压大于门限电压时，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流通过，并将两端电压钳制在很低的水平，从而有效地保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率，并把电压钳制在预定水平。适用于交流电路。

　　优点：动作时间极快，达到皮秒级。限制电压低，击穿电压低，应用于各种电子领域。

　　缺点：电流负荷量小，电容相当高，一般在20pF以下，现在的陶瓷放电管能够做到3~5pF.

　　电子信息系统所需的浪涌保护系统一般采用两级或三级组成。采用气体放电管、压敏电阻和抑制二极管，并利用各种浪涌抑制器的特点，实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端作为一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流，属于泄流型器件。二级保护器件采用压敏电阻，可在极短时间内（ns）将浪涌电压限制在较低的水平。对于高度灵敏的电子电路，可采用抑制二极管作为三级保护。在更短的时间内将浪涌电压限制在末端电子设备的绝缘水平以内。如图，当雷电等浪涌到来时，抑制二极管首先导通，把瞬间过电压精确地控制在一定的水平，如果浪涌电流较大，则压敏电阻启动并泄放一定的浪涌电流，这时压敏电阻两端的电压会有所升高，直至推动前级气体放电管放电，把大电流泄放到地。当三种器件在线路中的距离较远时，导通顺序会从气体放电管开始，依次导通。

　　避雷器的工作，是从反应时间最快、设备的最末端开始的，然后逐级往前端启动的。

　　单纯用气体放电管保护后端的设备会出现下列问题：导通时间过长，残压过大，有可能超过后端设备的耐压水平。放电后，会产生工频续流。为避免上述问题，采用另外一种电路（图三）。为了解决产生工频续流的问题，同时也避免压敏电阻因漏电流过大而发热自爆或老化，我们在气体放电管上串联一个压敏电阻，这样就可避免产生工频续流，又可以防止压敏电阻因漏电流而自爆、老化。但新的问题又产生了，这样避雷器的动作时间为气体放电管的导通时间和压敏电阻导通时间的总和。假设气体放电管的导通时间为100ns，压敏电阻的导通时间为25ns，则它们总的反应时间为125ns.为了减小反应时间，在电路中并入一个压敏电阻，这样可使总的反应时间为25ns.

　　：当过电压出现时，抑制二极管作为动作最快的元件首先动作，线路设计为，在抑制二极管可能毁坏之前，放电电流即随着幅值的上升转换到前置的放电路径上，即充气式放电路上。

　　Us+△u≥Ug

　　Us：抑制二极管上的电压

　　△u：去耦感应线圈上的电压

　　Ug：气体放电管的动作电压

　　如果放电电流小于该值，则充气放电管不动作。采用这种线路不仅可以在低保护水平的条件下利用放电器动作迅速的优点，同时还可以达到很高的放电电容。这样就可以消除抑制二极管过载一级熔断器在出现电源续流时频繁切断电路的缺点。

　　频率较高的线路也可以采用欧姆式电阻作为去耦元件，与低电容桥接线路共同使用。

　　2、三极放电管：在两根的导线上，安装两个二极放电管，会出现电位差，因此就有三极放电管，多了一极做公共接地，可以减少时间差（0.15~0.2μs），及由此产生的横向雷电压幅值。

　　市场上普通电源避雷器器件一般采用压敏电阻，用于一级、二级和三级电源。这种组合方式在距离大于5米时，导通时间从第一级开始逐级向后导通。

　　若第一级采用气体放电管，二级和三级采用压敏电阻，则必须满足第一级与第二级满足大于十米的距离，第二级与第三级满足大于5米的距离，这样才能保证前一级先动作。否则可能导致第一级不动作的现象，而二级和三级避雷器又没有那么大的通流量，导致避雷器无法切实保护设备。这点在工程设计中一定要引起注意。

　　防雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。防雷器的类型主要有保护间隙、阀型防雷器和氧化锌防雷器。保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。阀型防雷器与氧化锌防雷器用于变电所和发电厂的保护，在500KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。

　　以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。