在避雷器的发展历程中，试述避雷器的性能及灭弧能力是如何改进的？

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。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
上世纪90年代初期，ETomsom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。
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 *** 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 *** 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15～35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、随着电子产业的发展，低压配电系统和信息系统的防雷得到广泛发展，用得最普遍的是压敏电阻为主要元件的避雷器，之后，气体放电管、瞬态二级管也被设计者采用，各种混合型和复合型避雷器相继诞生。
电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。
一、SPD的分类：
1．按工作原理分：
（1）开关型：其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。
（2）限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。
（3）分流型或扼流型
分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。
扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。
用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。
2．按用途分：
（1）电源保护器：交流电源保护器、直流电源保护器、开关电源保护器等。
（2）信号保护器：低频信号保护器、高频信号保护器、天馈保护器等。

二、SPD的基本元器件及其工作原理：

1．放电间隙(又称保护间隙)：

它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线(PE)相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整，结构较简单，其缺点时灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它的灭弧功能较前者为好，它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。

2．气体放电管：

它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体(Ar)的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的，

气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc;冲击放电电压Up(一般情况下Up≈(2～3)Udc;工频而授电流In;冲击而授电流Ip；绝缘电阻R(>109Ω)；极间电容(1-5PF)

气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Udc分别如下：在直流条件下使用：Udc≥18U0（U0为线路正常工作的直流电压）

在交流条件下使用：U dc≥144Un(Un为线路正常工作的交流电压有效值)

3．压敏电阻：

它是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα中的非线性系数α），通流容量大（～2KA/cm2），常态泄漏电流小（10-7～10-6A），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快（～10-8s），无续流。

压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关电压）UN，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K(K=Ures/UN)；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。

压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN≥[（√2×12）/07]U0（U0为工频电源额定电压）

最小参考电压：Ulma≥（18～2）Uac (直流条件下使用)
Ulma≥（22～25）Uac（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）

压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即(Ulma)max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。
4．抑制二极管：
抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7。
抑制二极管的技术参数主要有
（1）额定击穿电压，它是指在指定反向击穿电流（常为lma）下的击穿电压，这于齐纳二极管额定击穿电压一般在29V～47V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在56V～200V范围内。
（2）最大箝位电压：它是指管子在通过规定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。
（3）脉冲功率：它是指在规定的电流波形（如10/1000μs）下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。
（4）反向变位电压：它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。
（5）最大泄漏电流：它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。
（6）响应时间：10～11s
5．扼流线圈：扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号（如雷电干扰），而对线路正常传输的差模信号无影响。
这种扼流线圈在制作时应满足以下要求：
（1）绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。
（2）当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和。
（3）线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。
（4）线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的而授能力。
6． 1/4波长短路器
1/4波长短路器是根据雷电波的频谱分析和天馈线的驻波理论所制作的微波信号电涌保护器，这种保护器中的金属短路棒长度是根据工作信号频率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波长的大小来确定的。此并联的短路棒长度对于该工作信号频率来说，其阻抗无穷大，相当于开路，不影响该信号的传输，但对于雷电波来说，由于雷电能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒对于雷电波阻抗很小，相当于短路，雷电能量级被泄放入地。
由于1/4波长短路棒的直径一般为几毫米，因此耐冲击电流性能好，可达到30KA（8/20μs）以上，而且残压很小，此残压主要是由短路棒的自身电感所引起的，其不足之处是工频带较窄，带宽约为2％～20％左右，另一个缺点是不能对天馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。
三、SPD的基本电路
电涌保护器的电路根据不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介绍的几种，一个技术精通的防雷产品研究工作者，可设计出五花八门的电路，好似一盒积木可搭出不同的结构图案。研制出既有效又性能价格比好的产品，是防雷工作者的重任

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