绝对防雷的电源——披露“三不连接防雷”的专利技术

绝对防雷的电源——披露“三不连接防雷”的专利技术

1概述

在世界上一切称之为绝缘体的物质，在不断上升的电场下都会电离成导体，因此绝对防雷一词似乎是不科学的提法，然而人们希望有这种防雷器件的出现，以解决当今飞速发展的高度集成和集中的微电子器件的防雷问题。“防雷式交流稳压电源”专利技术号称绝对防雷，仅此特点就区别于其它的防雷器件。

现将中国专利报92年刊登我的一项专利技术“防雷式交流稳压电源简介”摘要如下：

“……本型在网上运行时，具有绝对防雷和超级稳压之功能，它输出为正弦波，可完全隔离干扰电场，无需考虑电源净化问题，是迄今保护微电子设备免遭雷击和异常电冲击的佳品，是雷电和异常电冲击的克星。本型之所以能达到上述效果，是采用电网与用户设备之间不发生电与磁，甚至金属性的连接，并巧妙地利用电气特性和电子稳压的功能，能在电网上承受数以千计的异常电冲击，而输出端不会超过标准值4％（包括瞬间脉冲峰值），因此它是难得的防雷、稳压、电源净化为一体的佳品，也是国内外仅有一种新型防雷电源……”。

雷电危害微电子设备概括为二个方面：一是雷电通过金属导体直接引入；二是雷电通过诸于变压器之类的电磁感应进入。

众所周知，微电子设备所用的能源是电力网供给的，用金属导线和变压器直接或间接传输时，上述两种导雷的情况均存在，如果能做到既用电力网的电能而不直接用它的电，使之不发生电与磁的连接，则可达到上述两项要求，要做到这一点，只能是用特殊的电动机——发电机组，由发电机供电给微电子设备，即所谓二次发电，这就是本型的基本构想。

这种方法为什么能防雷呢？前面已经说过，世界上任何物质的绝缘性能都是相对于特定电场下才成立的，似乎这种方法也不能解决防雷问题，但由于本型是在低压电网（3?380V4线）上运行，低压电网对地是不绝缘的，同时网上的低压元件，如网络支撑的绝缘子、变压器、进户导线外层绝缘，网上运行的所有低压电器绝缘性能都是相对于电网工频电压值安全系数设计的。就是说：当低压电网遭受雷电袭击时，由于网络上的电器和电网下地线会全面地导入雷电，此时雷电势不会无限上升到不可估量的程度，即雷电在网上的电压值是有限的，不过这个值大大地超过低压电器绝缘水平。

如果我们把电动机壳体对地绝缘及对发电机传动装置的绝缘做到远大于家用电器绝缘及雷电闪落的距离，此时本型相对于雷电是一种关门型的装置，不是常规的雷电引导型装置，这就是“三不连接”绝对防雷的理论依据之一。

交流电动机（异步电动机、同步电动机）转速的高低决定于电网的频率和定子绕组的结构，而与供给它的电压无关（电压的高低只影响转矩）。当发电机励磁和负载一定时，发电机端电压的高低仅决定于转速，这个转速就是电动机牵引的速度。对于三相交流电动机而言，只有在转子和定子气隙中建立旋转磁场，电机转子才能获得转矩而转动，电动机结构本身确立了只有三相有序电流流入定子绕组才能建立这个磁场（单相电机使用补偿相位绕组及与电容器配合可实现），因此不管雷电势多高，流入电动机雷电流多大，它不能使交流电动机加速（包括瞬间），相反，实践证明只能使电动机制动（使电动机气隙旋转磁场混乱而制动），所以在雷击过程中，发电机输出电压绝不会升高，相反输出电压会瞬间降低。

假设电网电压异常上升，不管上升值多大，此值虽然使电动机转矩加强，但不会提高其转速，则发电机输出电压不会有很大的变化，所以在中国专利报刊登出的专利简介中有这样一段话“能承受数以千伏计过电压冲击，而输出端不会超过标准值的4％（含峰值），”理论和实际都证明了这一点，只有这样才能真正的谈得上绝对防雷，这是本型理论依据之二。

由于发电机转速相对稳定，发电机输出电压仅受负载和励磁的影响，所以很容易获得精度极高的稳定的电压输出，如果我们以发电机输出电压的额定值为基准，用现代电力电子技术去控制发电机励磁量就可实现稳压。本型提出4％（上升值）这是很苛刻的指标，如果以进线电压与输出电压之比来求得这个比值，要达到上升值不超过4％，当今世界上无任何器件能做到，因为雷击时进线电压是以数千伏计的，而输出端升值不超过4％，只有本型能做到。所以专利简介中指出了到目前为止，国内外还没有任何一种方法有这种效果的说法（指用电网供电）是实事求是的。

然而世界上的事物总是一分为二的，本型也有严重的缺陷，由于使用的方法是二次发电，是一种机械旋转和机械传动的过程，所以当连续运行时可靠性不及静态设备，噪声及体积大，电能的利用率低，这是本型的致命弱点。但它能绝对防雷这一点目前尚无第二种方法可代替，这对于微电子设备集中的控制中心：诸如电信程控式交换机房；电子计算机运算中心；航空航天、铁路调度中心；高山无线中转、照排系统、医疗微电子设备检测中心等无疑带来福音。因为这些地方一受雷击会造成灾害性的损失，在这里特别指出的是：这套设备旨在于防雷，因此不必常年运行，可以说运行的时间是短暂的，但就在这短暂的时间内却能挽回数以亿计的经济损失。

2具体实施中应注意的若干问题

（1）电动机的选配

本型用电动机吸收电网电能转化成机械能，再用这个机械能牵引发电机进行二次发电，因此对电动机的选型必须依据下列要求：

①电网电压波动电机转速不能有较强的变化；

②必须考虑发电机所发的工频电流；

③电动机容量的确定。

直流电动机除本身的结构外，它自身转速变化与供电电压以及励磁电压大小相关，在这两个参数中，其中一个变化将引起自身转速较大的变化，因此当电网遭受雷击或异常电冲击时，电机将增速到难以控制的地步，本型旨在于防雷击和异常电压冲击以及输出电压稳定，所以不能选用直流电动机。

当选用异步电动机时，必须考虑转速问题，由于异步电动机要获得转矩，其自身转速总是低于电网频率对应的同步转速，如果我们将异步电动机与同步发电机同轴联接起来，尽管使用同磁极数的电动机和发电机，而发电机所发出电能的频率总是低于电网频率，这个电源是不能使用的。众所周知：我国以及国际电网的频率标准不是50Hz便是60Hz，在电子电源供给电路上，不管使用晶闸管相控整流电源还是高频开关电源，当供电电源频率过低时，这些电源输出的直流分量所含的杂音就会增加，降低了电源的杂音水准，严重时使此电源不能使用，而且机内变压器及散热风扇（使用交流电）因频率过低而过热，但是，适当地提高电源输出频率，实践证明有利而无害（以电网电源驱动并与扫描同步的复印机除外），由于异步电动机结构简单，运行可靠，选择它还是可取的，但它与发电机不能用同轴的方法进行联接，必须使用增速装置进行联接。

为了使发电机输出频率与电网工频同步，必须使用同步电动机，此时电动机应与发电机有相同的磁极数，并使用同轴联接，此时整机结构比异步电动机传动简洁稳定，但是同步电动机比异步电动机造价高得多，同时起动程序也比较繁琐，它要完成由异步起动再进入同步运行这样一个过程。

（2）机体结构的绝缘

机体结构的绝缘是指电动机壳体对地及对发电机传动部分的绝缘。本型电动机运行在电网上，当雷电袭击电网时，电动机壳的雷电势几乎等于电网上的雷电势，如果壳体与地不绝缘，雷电将击穿电动机绕组与壳体间的绝缘而对地放电，电动机将损坏，虽然不会造成发电机超速，但是为了保护电动机，以及避免对发电机端闪雷造成强大的电磁感应，影响和破坏微电子设备，因此电动机壳体与机架必须绝缘，而且这种绝缘不单纯考虑绝缘的强度。因电动机是动态运行的，电动机整体不可能像其它静态电器那样使用绝缘材料密封，所以就必须考虑运行地点的环境状况，诸如温度、相对湿度、海拔高度等，当雷电袭击时还得考虑雷电有一个闪落距离。同时，电动机的绕组在雷电导入的情况下，电场会通过电动机的壳体与发电机的传动部分进入发电机绕组，使发电机输出雷电流，所以本型电动机不仅考虑壳体对机架（地）的绝缘，还须考虑电动机与发电机传动联接间的绝缘，即传动部分必须使用绝缘材料，而此绝缘材料不但具有足够的绝缘强度，还须考虑雷电的闪落距离，因此当同步电动机与发电机进行同轴联接时，建议使用环氧材料作法兰，使用环氧棒作轴，其长度应超过20cm以上，这样既有绝缘强度又有闪落距离。当使用异步电动机牵引发电机增速发电时，传动带长度尽可能拉长一些，以增加绝缘距离，同时要求皮带具有较高的绝缘强度和拉力，而且皮带内部结构不能带有金属导体。

（3）设备安装

本型设备宗旨是防雷，所以对于设备的现场安装及其相关的一些具体问题都必须围绕防雷来考虑，下面提出如下见解。

本电源仅在雷电季节运行，这样就引出了一个电网电源与发电机电源的交换问题，实践证明电源交换开关不能使用市面的交换开关，因为这些开关绝缘性能和绝缘距离都不够，因此建议使用电力系统用于高压的隔离开关，更可靠的方法是将电源用人工进行异地改接，此法虽然麻烦，但由于绝对的隔离而显得十分可靠。

对于电网电源的进线，因电缆的外层绝缘强度不高，在机房内铺设容易向墙体和地板放电，这种雷电近距离闪落将引起强大的雷电磁场干扰机房的配线，使微电子设备间接地受到破坏，因此进入机房的电源线（包括零线），需要用高压绝缘子支撑，包括电动机控制盘也要用这种绝缘。

电动机电源配电盘按常规是将盘安装于墙上或者座地而立。众所周知，配电盘上的所有低压配件都是以低压电网上的电压安全系数而设计的，绝缘强度不高，闪落距离不够。如果按上述安装要求则包括电动机连接线在内都需再作绝缘处理，这势必增加成本，而最理想的办法是将配电盘同时装在电动机壳体的底盘上，由于电动机机座与地（机架）已作绝缘处理，所以不必再考虑配电盘对地的绝缘问题。

由于作了这样的绝缘处理，电动机及主配电盘，在运行中不是零电位，为了保证操作人员的人身安全，配电盘体必须接电网零线（不能另立地线），这样就避免了静电和漏电对人体的危害。由于电动机配电盘作了上述处理，所以不能再进行远程监控（需远程监控可用电子转化数字处理），因此电动机自保的二次系统必须完善，比如过流、缺相这类保护相对要齐全。但发电机配电盘不必按上述要求去做，此盘可以与机房配电装置共用。

对于大规模电子计算机运算中心，一般都配备动力电源，如果把本型电源再叠加进去发电机就有两台，不但资源浪费，而且摆布面积增加，交换电源也麻烦，造成整体设计不合理，为此应该使电动机和机械动力可分别带动同一台发电机，因此传动、离合、配电就得综合设计。

在这里特别要指出的是：机房配电线不能同时使用电网和发电机电源，造成这种现象往往是想减轻发电机负载而将空调、照明等负载分给电网电源，然而这种方法是不可取的，因为，当电网电源同时进入机房以后，此网络及在其上运行的设备在雷电袭击时，有可能引雷于机房放电，产生强大的雷电流的电磁感应会破坏传输线绝缘而进入设备，所以机房配电只能是一种电源。

（4）防雷主要矛盾是电源引雷

本型防雷性能自专利公告以来，信息反馈对防雷性能没有非议，对于缺陷之处是共识的，我也认为这是一种过渡的办法，但此法防雷效果绝对可靠，目前尚无第二种方法可代替，但是对于家用电器和家庭微机是不适用的，而下列微电子设备，诸如电信程控交换机房；电子计费机运算中心；铁路、航空航天指挥中心；高山无线中继站；照排中心；以至电子博彩处理中心等都是首选的防雷方法。

有人说：雷电破坏微电子设备，引入雷电不单纯是电网引雷，还有传输网络和室外单元引雷问题。我在《电源技术应用》杂志2000年第9期写了一篇“雷电与防雷误区”文章，其中用了相当篇幅讲了大电流和微电流网络的防雷问题，从中可知微电流网络的防雷是容易解决的，关键的因素是微电流网络可提高网络本身低频段的内阻。对于高频传输网络而言，做法十分简单即串联高耐压值电容即可做到，而插入损失可以认为是零值，对低频传输网络可以提高输送电平来弥补插入损失，而且可使用放大器进行弥补，但电网电源就不能用提高内阻的办法，因为它会造成电源质量下降和不稳定，而且电源的损失不可弥补。

因此室外单元和传输网络的引雷问题，诸如无线电收发天线；程控电话交换的用户线；以及电缆电视的信号传输线等等，用提高低频段内阻和使用瞬态箝位器件配合就可解决问题，所以，当今微电子防雷主要在电网引雷上，这是防雷问题主要矛盾，只要解决电网的引雷，其它方面的引雷就迎刃而解了。