防雷装置与器件

雷电防护装置是一个综合的防护系统，它包括外部防雷装置与内部防雷装置。为了加深技术与施工人员对防雷装置与器件的了解，本书从材料与器件的角度来详细介绍防雷工程中用到的材料、工艺、装置及各类防雷电子元器件。本书共8章，第1章防雷技术基础，为入门者提供雷电及雷电防护的基础知识；第2章防雷装置的材料与工艺，介绍了防雷工程中用到的金属与非金属材料；第3章介绍金属材料的加工与处理，让读者了解在加工防雷部件的过程中常用到的切削、防腐、连接、镀层等工艺；第4章介绍外部防雷装置的设计与制作方法、材料选择、安装应用等；第5章主要介绍过电压保护器的发展、种类及性能参数；第6章介绍应用于低压系统的防雷电子元件，从元件的结构、原理、性能指标、应用等方面进行详细描述；第7章介绍应用于低压系统的电涌保护器，如电源SPD、信号SPD及天馈线SPD的原理、结构、性能与安装应用等；第8章介绍三相串联型电源防雷箱的设计过程。
本书力求从新的角度来完善防雷工程与技术人员的知识结构，增加读者对防雷材料与器件性能的认识，从而提高防雷工程设计与施工水平。本书可作为高等院校防雷相关专业的教材，也可作为从事防雷工程设计、施工、检测、管理、建筑电气系统设计等人员的技术参考书或专业培训教材。

　　郭在华，男，副教授，生于1975年，中共党员。2004年获信号与信息处理专业硕士学位。现任大气探测学院雷电防护科学与技术专业教研室主任、雷电监测与防护技术研究所所长，兼任四川气象学会雷电分会副主任委员、四川省电子学会雷电与电磁脉冲专业委员会副主任委员、中国气象学会防雷电分会会员。研究方向为雷电科学与与技术、大气探测信息处理。

目录

绪论 1
第1章 防雷技术基础 3
1.1 概述 3
1.1.1 机械时代雷电防护技术 6
1.1.2 电气时代防雷技术 7
1.1.3 电子信息时代防雷技术 8
1.2 雷电流的特性 11
1.2.1 雷电流工程模型 11
1.2.2 雷电通道底部电流模型 14
1.2.3 闪电的电荷量 16
1.2.4 雷电波频谱 16
1.2.5 闪电的分类 16
1.3 雷电的气候特征参数 16
1.4 我国的雷电活动规律 17
1.4.1 我国的雷电分布特征 17
1.4.2 雷击的选择 18

1.5 雷电的危害 19
1.5.1 直击雷的破坏作用 20
1.5.2 雷电电磁脉冲的破坏作用 21
1.5.3 雷电危害的新变化 22
第2章 防雷装置的材料与工艺 23
2.1 材料的分类与性能 24
2.1.1 材料的分类 24
2.1.2 材料的性能 25
2.2 金属材料 25
2.2.1 金属的物理性能 26
2.2.2 金属的化学性能 29
2.2.3 金属的力学性能 30
2.2.4 金属的工艺性能 33
2.3 金属的相 36
2.3.1 金属的晶体结构 37
2.3.2 合金的结构及相图 38
2.4 防雷工程中的非金属材料 41
2.4.1 绝缘材料 41
2.4.2 常用绝缘材料 42
2.4.3 导线的绝缘 43
2.4.4 导线连接处的绝缘处理 44
2.4.5 常见的安装材料 46
第3章 金属材料的加工与处理 47
3.1 冷镀 47
3.2 热镀 50
3.3 连接 52
3.3.1 焊接 52
3.3.2 搭接 54
3.3.3 铆接 55
3.3.4 螺栓连接 55
3.3.5 螺纹连接 56
3.4 防腐处理 57
第4章 外部防雷装置 61
4.1 接闪器 61
4.1.1 接闪器工作原理 61
4.1.2 接闪器防护范围设计 62
4.2 接闪竿风荷载影响 68
4.3 接闪器制作 69
4.3.1 接闪器材料 69
4.3.2 接闪器规格要求 72
4.3.3 利用金属屋面与金属构件作接闪器 75
4.4 接闪竿制作与安装 76
4.4.1 接闪竿的分段设计 76
4.4.2 接闪竿的连接 78
4.4.3 接闪竿的安装 78
4.5 引下线及断接卡 83
4.5.1 引下线 83
4.5.2 引下线敷设 85
4.5.3 断接卡 87
4.6 均压环 88
4.6.1 雷电侧击及其防护 88
4.6.2 均压环及其安装 89
4.7 屏蔽体 91
4.7.1 屏蔽 91
4.7.2 屏蔽措施 95

4.8 等电位连接导体 98
4.8.1 等电位连接 98
4.8.2 等电位连接导体的材料 99
4.8.3 等电位连接实施 105
4.9 接地装置 106
4.9.1 接地电阻 106
4.9.2 接地体 106
4.9.3 均匀土壤中接地体的工频接地电阻计算 107
4.9.4 人工接地体的接地电阻 108
4.9.5 自然接地体 111
4.10 冲击接地电阻 111
4.10.1 接地的冲击效应 112
4.10.2 接地体的有效长度 112
4.10.3 冲击接地电阻的计算 112
4.10.4 接地体材料选择 113
4.10.5 接地装置设计 117
4.10.6 接地装置的安装 118
4.10.7 接地体的焊接 120
4.11 降阻剂 121
4.11.1 降阻剂的降阻机理 121
4.11.2 降阻剂的分类和应用 123
第5章 过电压保护器 125
5.1 工作原理 126
5.2 伏秒特性与工频续流 127
5.3 电力避雷器分类 127
5.3.1 保护间隙 128
5.3.2 排气式避雷器 128
5.3.3 阀式避雷器 129
5.3.4 特殊场所中使用的避雷器 130
5.3.5 直流避雷器 131
5.3.6 氧化锌避雷器 132
5.4 避雷器的电气性能 132
第6章 防雷元器件 134
6.1 放电间隙 135
6.2 陶瓷气体放电管 139
6.2.1 结构组成 139
6.2.2 响应特性 140
6.2.3 电气使用 142
6.3 玻璃放电管 143
6.4 金属氧化物压敏电阻器 144
6.4.1 氧化锌压敏电阻工作原理 147
6.4.2 压敏电阻的失效 148
6.4.3 氧化锌压敏电阻的主要技术参数 148
6.4.4 压敏电阻的优点 152
6.4.5 压敏电阻使用 152
6.5 导通型半导体避雷器件 153
6.5.1 工作原理 153
6.5.2 应用场合 154
6.6 稳压型半导体器件 155
6.6.1 基本原理 155
6.6.2 瞬态电压抑制二极管TVS 157
6.6.3 稳压型半导体器件的应用 159
6.6.4 TVS选型总结 161
6.7 熔断电阻 161
6.7.1 熔断电阻分类 162
6.7.2 保险管、熔断器 164
6.7.3 空气开关 164
6.8 自恢复保险丝（PPTC） 165
6.9 晶闸管 166
6.9.1 晶闸管的工作原理 167
6.9.2 晶闸管的种类 167
6.10 隔离变压器 167
6.10.1 基本原理 167
6.10.2 应用方法 168
6.11 光电耦合隔离器 169
6.12 去耦器 170
第7章 电涌保护器 171
7.1 电涌保护器的分类 173
7.2 SPD性能参数 176
7.3 SPD选用 178
7.3.1 SPD的选择 179
7.3.2 SPD失效时的安全性 180
7.4 SPD模块 181
7.4.1 外壳 181
7.4.2 接线端子 182
7.4.3 连接导体 182
7.4.4 SPD中的电动力问题 183
7.4.5 电气间隙和爬电距离 183
7.4.6 灌封材料 183
7.4.7 SPD结构的冲击验证试验 184
7.4.8 安全性 184
7.4.9 SPD 过热脱离器 184
7.4.10 SPD的状态指示 185
7.4.11 MOV漏电流持续增大的原因 186
7.5 防雷箱 186
7.6 信号网络的电涌保护器 188
7.6.1 信号SPD 188
7.6.2 信号SPD选择 189
7.7 电源SPD的分类 190
7.7.1 A级SPD 191
7.7.2 B级SPD 192
7.7.3 C级SPD 193
7.7.4 D级SPD 193
7.8 电源SPD保护模式 193
7.8.1 TN-S电力接地系统安装SPD 195
7.8.2 TN-C电力接地系统安装SPD 196
7.8.3 TN-C-S电力接地系统安装SPD 196
7.8.4 TT电力接地系统安装SPD 197
7.8.5 IT电力接地系统安装SPD 197
7.9 电源SPD保护模块的内部结构 198
7.9.1 压敏电阻模块 198
7.9.2 气体间隙模块 200
7.9.3 压敏电阻与间隙串联组合模块 201
7.9.4 压敏电阻与间隙并联组合模块 201
7.9.5 压敏电阻与半导体管并联组合模块 202
7.9.6 二次保护式压敏电阻模块 202
7.10 电源SPD组合结构 203
7.10.1 单级并联SPD 203
7.10.2 多级并联SPD 204
7.10.3 多级串联SPD 205
7.11 信号SPD模式及结构 206
7.11.1 信号SPD的保护模式 207
7.11.2 信号SPD的结构与电路设计 207
7.11.3 信号SPD的参数要求 211
7.12 天馈线SPD 213
7.12.1 天馈线SPD的设计要求 213
7.12.2 天馈线SPD的分类 215
7.13 低压电涌保护器SPD的安装 215
7.13.1 电源SPD的安装 215
7.13.2 信号SPD的安装 219
7.13.3 天馈线SPD的安装 221
第8章 三相串联型电源防雷箱的设计 222
8.1 热脱离机构原理 223
8.2 压敏电阻的选型及配置 224
8.2.1 两级通流容量的配置 224
8.2.2 压敏型号的选择 224
8.2.3 压敏芯片配对 224
8.3 热脱离机构设计 225
8.3.1 脱扣弹片材料的选择 225
8.3.2 脱扣弹片上的热传导分析 226
8.3.3 脱扣弹片结构设计 227
8.3.4 低温焊锡的选择 228
8.3.5 热脱离结构整体设计 229
8.4 去耦装置设计 230
8.5 防雷箱电路设计 230
8.5.1 主电路设计 230
8.5.2 辅助电路设计 231

前言

 

  雷电灾害已经成为电子信息社会的一大公害，随着电子与电气设备的广泛应用，全社会对雷电灾害的认识与应对能力得到了极大的提高，“防雷”已经被社会公众接受。在传统的雷电防护技术中，人类把注意力放在直接雷击防护上，认为雷电的防护只要安装一支避雷针（接闪竿）即可，这种方法在我国的历史文献中与古建筑上可以找到久远的佐证，即人类的直接雷击防护能力和水平在一千多年前已经不可小觑。富兰克林通过风筝试验及对雷电的认识，让这种雷击防护方法变成了一种可以规范的技术手段，让人类对雷电的认识上了一个新台阶，人类从此进入了富兰克林避雷针时代。

远程电力的输送使得雷电灾害出现了新的形式，即不以直接接闪伤害为特征的雷击事故开始出现。雷电在闪击过程中，以不同形式向周围三维空间泄放能量，电、磁、光、声、热等都是雷电能量的体现。由于闪电的瞬发性，各种形式的能量都在极短的时间内以的形式出现，因此几乎每种形式的能量泄放都会造成雷电灾害。我们通常遇到的雷电灾害仅是电流触及物体形成的，也就是所谓的直接雷击。因此，当雷电灾害的承受对象不断增加，并且对雷电各要素的敏感性发生变化时，多种多样的雷电灾害便出现了。例如，输电线路对雷电电磁场的感应电压不能忽视，此时雷电防护的手段与方法便不再局限于接闪器，而需要通过新的装置来完成雷电过电压的防护，因此，高压避雷器开始出现。

电子信息技术的发展，使得众多的电子系统进入千家万户、各行各业。全社会每年数以亿元计的雷电灾害损失来自低压电气系统与电子系统的雷电灾害损失。电子信息系统的雷电防护已经成为目前防雷领域为紧迫的任务之一，也促使防雷技术向精细化防护的方向发展。

另外，雷电防护技术总是与材料的进步和器件性能的提升紧密联系在一起的。不同的防护对象需要不同的防护方案，当技术方案确定时，选择和使用合适的防雷装置，就成为防护系统成败的关键。

本书从材料与器件的角度来描述在防雷工程中如何合理、正确地选择和使用各种防雷器件和材料，达到安全可靠、技术先进、经济合理的防护目的。由于编者水平限制，书中不妥之处甚至错误在所难免，敬请在阅读过程中批评指正。

 

 

作  者  

2017年3月