人類(lèi)對(duì)雷電及瞬態(tài)過(guò)電壓的認(rèn)識(shí)和發(fā)展
雷電是一門(mén)古老而神秘的科學(xué),自有人類(lèi)歷史以來(lái),各個(gè)時(shí)期都記錄著人們與雷電斗爭(zhēng)的歷史,并作出過(guò)巨大的犧牲,然而卻是卓有成效的。自富蘭克林以后由于工業(yè)的發(fā)展,尤其是在俄國(guó)工程師勃羅沃利斯基(1862-1919)制造出三相感應(yīng)電機(jī)和變壓器,并完成電能的遠(yuǎn)程傳輸以及美國(guó)發(fā)明家貝爾(BELL,1847-1922)發(fā)明了電話(huà)以后,人類(lèi)很快進(jìn)入了電氣化時(shí)代。雷電災(zāi)害問(wèn)題由過(guò)去的雷電直擊地面上的人和物為主發(fā)展成為以通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)傳輸?shù)睦纂姴橹?。?jīng)過(guò)多年的研究,人們建立了雷電雷電感應(yīng)和高壓反擊的理論,弄清了高壓雷電波在金屬導(dǎo)線(xiàn)上的傳輸規(guī)律。1890年發(fā)明了間隙串聯(lián)熔斷器的避雷器;1922年美國(guó)西屋公司制成了碳化硅避雷器;1972年日本制成了配電用無(wú)間隙氧化鋅避雷器;1984年美國(guó)EFI公司首次推出模塊化瞬態(tài)過(guò)電壓浪涌抑制器(TVSS);在隨后的幾年里又相繼推出正弦波跟蹤技術(shù)(1985年)、多級(jí)混合并聯(lián)技術(shù)(1986年)、熱熔斷技術(shù)(1988年)等。在防雷技術(shù)方面,先進(jìn)的國(guó)家都制定了自己的國(guó)家防雷規(guī)范,防雷納入了國(guó)家技術(shù)管理和監(jiān)督的范疇。使防雷科學(xué)技術(shù)得到了很大的發(fā)展,并已成為比較完整和有效的技術(shù)。至此,防雷產(chǎn)品的生產(chǎn)制造已形成比較完整的工業(yè)領(lǐng)域。
但是,七十年代以來(lái),由于半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展和完善,使之能夠滲透到幾乎所有的科技領(lǐng)域。由于半導(dǎo)體集成電路不能承受過(guò)電壓和電流沖擊,凡是使用這些元器件的設(shè)備,如電子計(jì)算機(jī)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)等設(shè)備的雷害事故顯著增加。尤其是八十年代以來(lái),各類(lèi)高層建筑如雨后春筍,郵電通信,辦公自動(dòng)化等隨著大規(guī)模集成電路一起飛速發(fā)展。九十年代末的今天,電力已成為我們現(xiàn)代生活的推動(dòng)力,微電子技術(shù)早已充斥到人們生活的各個(gè)角落。我們生活在微電子產(chǎn)品消費(fèi)“爆炸”的時(shí)代。從大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)到家庭生活;無(wú)論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、郵電通信、航空航天、金融證券、國(guó)防軍工,還是電視機(jī)、洗衣機(jī)、微波爐都是由電力驅(qū)動(dòng)的。不幸的是,電力已不是“純凈”的;電力所攜帶的干擾時(shí)刻威脅著我們的電器設(shè)備,如:電腦及網(wǎng)絡(luò)死機(jī)、通訊傳輸中斷或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤重試,等等。電器故障來(lái)源于雷電直擊、雷電感應(yīng)、設(shè)備啟停和電力線(xiàn)路切換所產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓。但80%的電路瞬態(tài)過(guò)電壓是由于普通的設(shè)備如電梯、空調(diào)或大功率設(shè)備運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。至此,我們的現(xiàn)代生活所賴(lài)以生存的、不可間斷運(yùn)行的微電子設(shè)備對(duì)我們提出了更高的要求。不但要加裝UPS以保證供電持續(xù)穩(wěn)定,而且要保證不因任何干擾而造成其間斷運(yùn)行。試想,從郵電通訊、廣播電視、金融證券、國(guó)防軍工到商業(yè)、信息、醫(yī)療,我們能承受哪一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行停頓所造成的損失呢?甚至一個(gè)普通的傳真機(jī)的錯(cuò)誤都會(huì)使您損失一單大生意。
雷電及雷電電磁脈沖的危害實(shí)例
1992年6月20日20:05中國(guó)氣象局氣象中心大樓落雷,避雷裝置和建筑物完好,但大型計(jì)算機(jī)和小型機(jī)網(wǎng)絡(luò)中斷,6條北京同步線(xiàn)路被擊斷,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作中斷6小時(shí),不僅經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十萬(wàn)元,還造成中央電視臺(tái)氣象預(yù)報(bào)成為空白。其影響很大。
1993年7月5日和8月13日北京氣象臺(tái)兩次被雷擊,情況嚴(yán)重。
1994年5月廣州區(qū)域氣象中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)被雷擊。
1994年7月5日和17日兩天,四川省氣象局業(yè)務(wù)系統(tǒng)連遭雷擊。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、氣象雷達(dá)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等電子設(shè)備損毀。
1992年4月27日南昌江西醫(yī)科大學(xué)160門(mén)程控電話(huà)因感應(yīng)雷被擊毀120門(mén),而同一時(shí)刻,江西財(cái)經(jīng)干部學(xué)院的200門(mén)程控電話(huà)全部毀于感應(yīng)雷。
1992年5月1日,長(zhǎng)沙湖南廣播電視大學(xué)200門(mén)程控電話(huà)、6臺(tái)大型計(jì)算機(jī)、多部彩色電視機(jī)毀于感應(yīng)雷,損失100多萬(wàn)元。
1997年,深圳市龍崗新生郵電局由于雷擊造成通訊中斷2天。
1987年3月26日下午4時(shí)22分,美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)的大力神/半人馬座從卡納維拉爾角基地升空,由于當(dāng)時(shí)火箭距地面僅4700M,地面指揮部不得不用無(wú)線(xiàn)電指令引爆。這一火箭是NASA僅存的二枚之一,被認(rèn)為是最可靠的運(yùn)載火箭?;鸺盎鸺d人造衛(wèi)星被毀的損失高達(dá)2億美元。事后從收集的火箭殘骸考察,發(fā)現(xiàn)火箭的前錐部玻璃釬維板上有明顯的燒焦痕跡,并發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)針眼大的穿孔,證實(shí)是雷電火花擊穿所致。在這一事件后兩個(gè)月,6月9日,KSC(肯尼迪航天中心)發(fā)射場(chǎng)上三枚小型火箭正待發(fā)射,突然雷電來(lái)臨,一聲雷響之后,這三枚火箭突然自行點(diǎn)火,升空而去。
什么是雷電現(xiàn)象?
每到春末夏初,人們都能看到閃電,聽(tīng)到雷鳴。那么,什么是雷電?它又是怎樣產(chǎn)生的?
雷電是發(fā)生在大氣層中的聲、光、電并發(fā)的一種物理現(xiàn)象,通常是指帶電的云層對(duì)大地之間的放電現(xiàn)象。這個(gè)放電的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電和巨大的聲響,即人們常說(shuō)的“電閃雷鳴”。凡空氣中導(dǎo)電微粒較多、地面高聳、地面和地下的電阻率較小的地帶都易落雷而遭雷擊。
根據(jù)科學(xué)家的研究,雷擊的形式主要有三種。第一種是直擊雷。它是指雷電直接擊到建筑物或其它物體上,產(chǎn)生巨大的電、熱效應(yīng),沖擊波效應(yīng)和機(jī)械作用,從而對(duì)物體及人蓄造成傷害。第二種是雷電感應(yīng),也叫感應(yīng)雷。它是指雷電放電時(shí)在附近的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng),從而使金屬部件之間產(chǎn)生火花,引發(fā)易燃易爆物品發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故。第三種是雷電波侵入。它是指雷電對(duì)架空線(xiàn)路或金屬管道產(chǎn)生作用,所以生成的過(guò)電壓波沿著這些管道侵入室內(nèi),造成設(shè)備損壞,危及人身安全。
在雷電交加的雷雨天氣里,偶爾還會(huì)出現(xiàn)紫色、殷紅色、灰紅色、藍(lán)色的“火球”在空中漂移。它就是人們常說(shuō)的“球形雷”。它能在幾秒到幾分鐘內(nèi)通過(guò)煙囪、開(kāi)啟的窗戶(hù)、門(mén)或縫隙進(jìn)入室內(nèi),碰到人蓄會(huì)造成嚴(yán)重的燒傷和死亡事故,也會(huì)對(duì)建筑物造成嚴(yán)重破壞。1992年,我市曾發(fā)生過(guò)兩起“球形雷”入室事件:一起是南山區(qū)某花園一單元住宅,雷雨天時(shí)一球形雷從衛(wèi)生間窗口飛入室內(nèi)并發(fā)生爆炸;另一起是沙河某小學(xué)師生發(fā)現(xiàn)教室內(nèi)有一“火球”在飄動(dòng),隨后自行消失。此事令師生驚詫不已,幸無(wú)人員傷亡。