絕對防雷的電源——披露“三不連接防雷”的專利技術

1概述

在世界上一切稱之為絕緣體的物質，在不斷上升的電場下都會電離成導體，因此絕對防雷一詞似乎是不科學的提法，然而人們希望有這種防雷器件的出現，以解決當今飛速發展的高度集成和集中的微電子器件的防雷問題。“防雷式交流穩壓電源”專利技術號稱絕對防雷，僅此特點就區別于其它的防雷器件。

現將中國專利報92年刊登我的一項專利技術“防雷式交流穩壓電源簡介”摘要如下：

“……本型在網上運行時，具有絕對防雷和超級穩壓之功能，它輸出為正弦波，可完全隔離干擾電場，無需考慮電源凈化問題，是迄今保護微電子設備免遭雷擊和異常電沖擊的佳品，是雷電和異常電沖擊的克星。本型之所以能達到上述效果，是采用電網與用戶設備之間不發生電與磁，甚至金屬性的連接，并巧妙地利用電氣特性和電子穩壓的功能，能在電網上承受數以千計的異常電沖擊，而輸出端不會超過標準值4％（包括瞬間脈沖峰值），因此它是難得的防雷、穩壓、電源凈化為一體的佳品，也是國內外僅有一種新型防雷電源……”。

雷電危害微電子設備概括為二個方面：一是雷電通過金屬導體直接引入；二是雷電通過諸于變壓器之類的電磁感應進入。

眾所周知，微電子設備所用的能源是電力網供給的，用金屬導線和變壓器直接或間接傳輸時，上述兩種導雷的情況均存在，如果能做到既用電力網的電能而不直接用它的電，使之不發生電與磁的連接，則可達到上述兩項要求，要做到這一點，只能是用特殊的電動機——發電機組，由發電機供電給微電子設備，即所謂二次發電，這就是本型的基本構想。

這種方法為什么能防雷呢？前面已經說過，世界上任何物質的絕緣性能都是相對于特定電場下才成立的，似乎這種方法也不能解決防雷問題，但由于本型是在低壓電網（3?380V4線）上運行，低壓電網對地是不絕緣的，同時網上的低壓元件，如網絡支撐的絕緣子、變壓器、進戶導線外層絕緣，網上運行的所有低壓電器絕緣性能都是相對于電網工頻電壓值安全系數設計的。就是說：當低壓電網遭受雷電襲擊時，由于網絡上的電器和電網下地線會全面地導入雷電，此時雷電勢不會無限上升到不可估量的程度，即雷電在網上的電壓值是有限的，不過這個值大大地超過低壓電器絕緣水平。

如果我們把電動機殼體對地絕緣及對發電機傳動裝置的絕緣做到遠大于家用電器絕緣及雷電閃落的距離，此時本型相對于雷電是一種關門型的裝置，不是常規的雷電引導型裝置，這就是“三不連接”絕對防雷的理論依據之一。

交流電動機（異步電動機、同步電動機）轉速的高低決定于電網的頻率和定子繞組的結構，而與供給它的電壓無關（電壓的高低只影響轉矩）。當發電機勵磁和負載一定時，發電機端電壓的高低僅決定于轉速，這個轉速就是電動機牽引的速度。對于三相交流電動機而言，只有在轉子和定子氣隙中建立旋轉磁場，電機轉子才能獲得轉矩而轉動，電動機結構本身確立了只有三相有序電流流入定子繞組才能建立這個磁場（單相電機使用補償相位繞組及與電容器配合可實現），因此不管雷電勢多高，流入電動機雷電流多大，它不能使交流電動機加速（包括瞬間），相反，實踐證明只能使電動機制動（使電動機氣隙旋轉磁場混亂而制動），所以在雷擊過程中，發電機輸出電壓絕不會升高，相反輸出電壓會瞬間降低。

假設電網電壓異常上升，不管上升值多大，此值雖然使電動機轉矩加強，但不會提高其轉速，則發電機輸出電壓不會有很大的變化，所以在中國專利報刊登出的專利簡介中有這樣一段話“能承受數以千伏計過電壓沖擊，而輸出端不會超過標準值的4％（含峰值），”理論和實際都證明了這一點，只有這樣才能真正的談得上絕對防雷，這是本型理論依據之二。

由于發電機轉速相對穩定，發電機輸出電壓僅受負載和勵磁的影響，所以很容易獲得精度極高的穩定的電壓輸出，如果我們以發電機輸出電壓的額定值為基準，用現代電力電子技術去控制發電機勵磁量就可實現穩壓。本型提出4％（上升值）這是很苛刻的指標，如果以進線電壓與輸出電壓之比來求得這個比值，要達到上升值不超過4％，當今世界上無任何器件能做到，因為雷擊時進線電壓是以數千伏計的，而輸出端升值不超過4％，只有本型能做到。所以專利簡介中指出了到目前為止，國內外還沒有任何一種方法有這種效果的說法（指用電網供電）是實事求是的。

然而世界上的事物總是一分為二的，本型也有嚴重的缺陷，由于使用的方法是二次發電，是一種機械旋轉和機械傳動的過程，所以當連續運行時可靠性不及靜態設備，噪聲及體積大，電能的利用率低，這是本型的致命弱點。但它能絕對防雷這一點目前尚無第二種方法可代替，這對于微電子設備集中的控制中心：諸如電信程控式交換機房；電子計算機運算中心；航空航天、鐵路調度中心；高山無線中轉、照排系統、醫療微電子設備檢測中心等無疑帶來福音。因為這些地方一受雷擊會造成災害性的損失，在這里特別指出的是：這套設備旨在于防雷，因此不必常年運行，可以說運行的時間是短暫的，但就在這短暫的時間內卻能挽回數以億計的經濟損失。

2具體實施中應注意的若干問題

（1）電動機的選配

本型用電動機吸收電網電能轉化成機械能，再用這個機械能牽引發電機進行二次發電，因此對電動機的選型必須依據下列要求：

①電網電壓波動電機轉速不能有較強的變化；

②必須考慮發電機所發的工頻電流；

③電動機容量的確定。

直流電動機除本身的結構外，它自身轉速變化與供電電壓以及勵磁電壓大小相關，在這兩個參數中，其中一個變化將引起自身轉速較大的變化，因此當電網遭受雷擊或異常電沖擊時，電機將增速到難以控制的地步，本型旨在于防雷擊和異常電壓沖擊以及輸出電壓穩定，所以不能選用直流電動機。

當選用異步電動機時，必須考慮轉速問題，由于異步電動機要獲得轉矩，其自身轉速總是低于電網頻率對應的同步轉速，如果我們將異步電動機與同步發電機同軸聯接起來，盡管使用同磁極數的電動機和發電機，而發電機所發出電能的頻率總是低于電網頻率，這個電源是不能使用的。眾所周知：我國以及國際電網的頻率標準不是50Hz便是60Hz，在電子電源供給電路上，不管使用晶閘管相控整流電源還是高頻開關電源，當供電電源頻率過低時，這些電源輸出的直流分量所含的雜音就會增加，降低了電源的雜音水準，嚴重時使此電源不能使用，而且機內變壓器及散熱風扇（使用交流電）因頻率過低而過熱，但是，適當地提高電源輸出頻率，實踐證明有利而無害（以電網電源驅動并與掃描同步的復印機除外），由于異步電動機結構簡單，運行可靠，選擇它還是可取的，但它與發電機不能用同軸的方法進行聯接，必須使用增速裝置進行聯接。

為了使發電機輸出頻率與電網工頻同步，必須使用同步電動機，此時電動機應與發電機有相同的磁極數，并使用同軸聯接，此時整機結構比異步電動機傳動簡潔穩定，但是同步電動機比異步電動機造價高得多，同時起動程序也比較繁瑣，它要完成由異步起動再進入同步運行這樣一個過程。

（2）機體結構的絕緣

機體結構的絕緣是指電動機殼體對地及對發電機傳動部分的絕緣。本型電動機運行在電網上，當雷電襲擊電網時，電動機殼的雷電勢幾乎等于電網上的雷電勢，如果殼體與地不絕緣，雷電將擊穿電動機繞組與殼體間的絕緣而對地放電，電動機將損壞，雖然不會造成發電機超速，但是為了保護電動機，以及避免對發電機端閃雷造成強大的電磁感應，影響和破壞微電子設備，因此電動機殼體與機架必須絕緣，而且這種絕緣不單純考慮絕緣的強度。因電動機是動態運行的，電動機整體不可能像其它靜態電器那樣使用絕緣材料密封，所以就必須考慮運行地點的環境狀況，諸如溫度、相對濕度、海拔高度等，當雷電襲擊時還得考慮雷電有一個閃落距離。同時，電動機的繞組在雷電導入的情況下，電場會通過電動機的殼體與發電機的傳動部分進入發電機繞組，使發電機輸出雷電流，所以本型電動機不僅考慮殼體對機架（地）的絕緣，還須考慮電動機與發電機傳動聯接間的絕緣，即傳動部分必須使用絕緣材料，而此絕緣材料不但具有足夠的絕緣強度，還須考慮雷電的閃落距離，因此當同步電動機與發電機進行同軸聯接時，建議使用環氧材料作法蘭，使用環氧棒作軸，其長度應超過20cm以上，這樣既有絕緣強度又有閃落距離。當使用異步電動機牽引發電機增速發電時，傳動帶長度盡可能拉長一些，以增加絕緣距離，同時要求皮帶具有較高的絕緣強度和拉力，而且皮帶內部結構不能帶有金屬導體。

（3）設備安裝

本型設備宗旨是防雷，所以對于設備的現場安裝及其相關的一些具體問題都必須圍繞防雷來考慮，下面提出如下見解。

本電源僅在雷電季節運行，這樣就引出了一個電網電源與發電機電源的交換問題，實踐證明電源交換開關不能使用市面的交換開關，因為這些開關絕緣性能和絕緣距離都不夠，因此建議使用電力系統用于高壓的隔離開關，更可靠的方法是將電源用人工進行異地改接，此法雖然麻煩，但由于絕對的隔離而顯得十分可靠。

對于電網電源的進線，因電纜的外層絕緣強度不高，在機房內鋪設容易向墻體和地板放電，這種雷電近距離閃落將引起強大的雷電磁場干擾機房的配線，使微電子設備間接地受到破壞，因此進入機房的電源線（包括零線），需要用高壓絕緣子支撐，包括電動機控制盤也要用這種絕緣。

電動機電源配電盤按常規是將盤安裝于墻上或者座地而立。眾所周知，配電盤上的所有低壓配件都是以低壓電網上的電壓安全系數而設計的，絕緣強度不高，閃落距離不夠。如果按上述安裝要求則包括電動機連接線在內都需再作絕緣處理，這勢必增加成本，而最理想的辦法是將配電盤同時裝在電動機殼體的底盤上，由于電動機機座與地（機架）已作絕緣處理，所以不必再考慮配電盤對地的絕緣問題。

由于作了這樣的絕緣處理，電動機及主配電盤，在運行中不是零電位，為了保證操作人員的人身安全，配電盤體必須接電網零線（不能另立地線），這樣就避免了靜電和漏電對人體的危害。由于電動機配電盤作了上述處理，所以不能再進行遠程監控（需遠程監控可用電子轉化數字處理），因此電動機自保的二次系統必須完善，比如過流、缺相這類保護相對要齊全。但發電機配電盤不必按上述要求去做，此盤可以與機房配電裝置共用。

對于大規模電子計算機運算中心，一般都配備動力電源，如果把本型電源再疊加進去發電機就有兩臺，不但資源浪費，而且擺布面積增加，交換電源也麻煩，造成整體設計不合理，為此應該使電動機和機械動力可分別帶動同一臺發電機，因此傳動、離合、配電就得綜合設計。

在這里特別要指出的是：機房配電線不能同時使用電網和發電機電源，造成這種現象往往是想減輕發電機負載而將空調、照明等負載分給電網電源，然而這種方法是不可取的，因為，當電網電源同時進入機房以后，此網絡及在其上運行的設備在雷電襲擊時，有可能引雷于機房放電，產生強大的雷電流的電磁感應會破壞傳輸線絕緣而進入設備，所以機房配電只能是一種電源。

（4）防雷主要矛盾是電源引雷

本型防雷性能自專利公告以來，信息反饋對防雷性能沒有非議，對于缺陷之處是共識的，我也認為這是一種過渡的辦法，但此法防雷效果絕對可靠，目前尚無第二種方法可代替，但是對于家用電器和家庭微機是不適用的，而下列微電子設備，諸如電信程控交換機房；電子計費機運算中心；鐵路、航空航天指揮中心；高山無線中繼站；照排中心；以至電子博彩處理中心等都是首選的防雷方法。

有人說：雷電破壞微電子設備，引入雷電不單純是電網引雷，還有傳輸網絡和室外單元引雷問題。我在《電源技術應用》雜志2000年第9期寫了一篇“雷電與防雷誤區”文章，其中用了相當篇幅講了大電流和微電流網絡的防雷問題，從中可知微電流網絡的防雷是容易解決的，關鍵的因素是微電流網絡可提高網絡本身低頻段的內阻。對于高頻傳輸網絡而言，做法十分簡單即串聯高耐壓值電容即可做到，而插入損失可以認為是零值，對低頻傳輸網絡可以提高輸送電平來彌補插入損失，而且可使用放大器進行彌補，但電網電源就不能用提高內阻的辦法，因為它會造成電源質量下降和不穩定，而且電源的損失不可彌補。

因此室外單元和傳輸網絡的引雷問題，諸如無線電收發天線；程控電話交換的用戶線；以及電纜電視的信號傳輸線等等，用提高低頻段內阻和使用瞬態箝位器件配合就可解決問題，所以，當今微電子防雷主要在電網引雷上，這是防雷問題主要矛盾，只要解決電網的引雷，其它方面的引雷就迎刃而解了。