絕對防雷的電源——披露“三不連接防雷”的專利技術(shù)

1概述

在世界上一切稱之為絕緣體的物質(zhì)，在不斷上升的電場下都會(huì)電離成導(dǎo)體，因此絕對防雷一詞似乎是不科學(xué)的提法，然而人們希望有這種防雷器件的出現(xiàn)，以解決當(dāng)今飛速發(fā)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(wěn)壓電源”專利技術(shù)號稱絕對防雷，僅此特點(diǎn)就區(qū)別于其它的防雷器件。

現(xiàn)將中國專利報(bào)92年刊登我的一項(xiàng)專利技術(shù)“防雷式交流穩(wěn)壓電源簡介”摘要如下：

“……本型在網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，具有絕對防雷和超級穩(wěn)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(hù)微電子設(shè)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(dá)到上述效果，是采用電網(wǎng)與用戶設(shè)備之間不發(fā)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(wěn)壓的功能，能在電網(wǎng)上承受數(shù)以千計(jì)的異常電沖擊，而輸出端不會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)值4％（包括瞬間脈沖峰值），因此它是難得的防雷、穩(wěn)壓、電源凈化為一體的佳品，也是國內(nèi)外僅有一種新型防雷電源……”。

雷電危害微電子設(shè)備概括為二個(gè)方面：一是雷電通過金屬導(dǎo)體直接引入；二是雷電通過諸于變壓器之類的電磁感應(yīng)進(jìn)入。

眾所周知，微電子設(shè)備所用的能源是電力網(wǎng)供給的，用金屬導(dǎo)線和變壓器直接或間接傳輸時(shí)，上述兩種導(dǎo)雷的情況均存在，如果能做到既用電力網(wǎng)的電能而不直接用它的電，使之不發(fā)生電與磁的連接，則可達(dá)到上述兩項(xiàng)要求，要做到這一點(diǎn)，只能是用特殊的電動(dòng)機(jī)——發(fā)電機(jī)組，由發(fā)電機(jī)供電給微電子設(shè)備，即所謂二次發(fā)電，這就是本型的基本構(gòu)想。

這種方法為什么能防雷呢？前面已經(jīng)說過，世界上任何物質(zhì)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(wǎng)（3?380V4線）上運(yùn)行，低壓電網(wǎng)對地是不絕緣的，同時(shí)網(wǎng)上的低壓元件，如網(wǎng)絡(luò)支撐的絕緣子、變壓器、進(jìn)戶導(dǎo)線外層絕緣，網(wǎng)上運(yùn)行的所有低壓電器絕緣性能都是相對于電網(wǎng)工頻電壓值安全系數(shù)設(shè)計(jì)的。就是說：當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)遭受雷電襲擊時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)上的電器和電網(wǎng)下地線會(huì)全面地導(dǎo)入雷電，此時(shí)雷電勢不會(huì)無限上升到不可估量的程度，即雷電在網(wǎng)上的電壓值是有限的，不過這個(gè)值大大地超過低壓電器絕緣水平。

如果我們把電動(dòng)機(jī)殼體對地絕緣及對發(fā)電機(jī)傳動(dòng)裝置的絕緣做到遠(yuǎn)大于家用電器絕緣及雷電閃落的距離，此時(shí)本型相對于雷電是一種關(guān)門型的裝置，不是常規(guī)的雷電引導(dǎo)型裝置，這就是“三不連接”絕對防雷的理論依據(jù)之一。

交流電動(dòng)機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)速的高低決定于電網(wǎng)的頻率和定子繞組的結(jié)構(gòu)，而與供給它的電壓無關(guān)（電壓的高低只影響轉(zhuǎn)矩）。當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和負(fù)載一定時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓的高低僅決定于轉(zhuǎn)速，這個(gè)轉(zhuǎn)速就是電動(dòng)機(jī)牽引的速度。對于三相交流電動(dòng)機(jī)而言，只有在轉(zhuǎn)子和定子氣隙中建立旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)轉(zhuǎn)子才能獲得轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(gè)磁場（單相電機(jī)使用補(bǔ)償相位繞組及與電容器配合可實(shí)現(xiàn)），因此不管雷電勢多高，流入電動(dòng)機(jī)雷電流多大，它不能使交流電動(dòng)機(jī)加速（包括瞬間），相反，實(shí)踐證明只能使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)（使電動(dòng)機(jī)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場混亂而制動(dòng)），所以在雷擊過程中，發(fā)電機(jī)輸出電壓絕不會(huì)升高，相反輸出電壓會(huì)瞬間降低。

假設(shè)電網(wǎng)電壓異常上升，不管上升值多大，此值雖然使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩加強(qiáng)，但不會(huì)提高其轉(zhuǎn)速，則發(fā)電機(jī)輸出電壓不會(huì)有很大的變化，所以在中國專利報(bào)刊登出的專利簡介中有這樣一段話“能承受數(shù)以千伏計(jì)過電壓沖擊，而輸出端不會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)值的4％（含峰值），”理論和實(shí)際都證明了這一點(diǎn)，只有這樣才能真正的談得上絕對防雷，這是本型理論依據(jù)之二。

由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)輸出電壓僅受負(fù)載和勵(lì)磁的影響，所以很容易獲得精度極高的穩(wěn)定的電壓輸出，如果我們以發(fā)電機(jī)輸出電壓的額定值為基準(zhǔn)，用現(xiàn)代電力電子技術(shù)去控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁量就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。本型提出4％（上升值）這是很苛刻的指標(biāo)，如果以進(jìn)線電壓與輸出電壓之比來求得這個(gè)比值，要達(dá)到上升值不超過4％，當(dāng)今世界上無任何器件能做到，因?yàn)槔讚魰r(shí)進(jìn)線電壓是以數(shù)千伏計(jì)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(nèi)外還沒有任何一種方法有這種效果的說法（指用電網(wǎng)供電）是實(shí)事求是的。

然而世界上的事物總是一分為二的，本型也有嚴(yán)重的缺陷，由于使用的方法是二次發(fā)電，是一種機(jī)械旋轉(zhuǎn)和機(jī)械傳動(dòng)的過程，所以當(dāng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)可靠性不及靜態(tài)設(shè)備，噪聲及體積大，電能的利用率低，這是本型的致命弱點(diǎn)。但它能絕對防雷這一點(diǎn)目前尚無第二種方法可代替，這對于微電子設(shè)備集中的控制中心：諸如電信程控式交換機(jī)房；電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算中心；航空航天、鐵路調(diào)度中心；高山無線中轉(zhuǎn)、照排系統(tǒng)、醫(yī)療微電子設(shè)備檢測中心等無疑帶來福音。因?yàn)檫@些地方一受雷擊會(huì)造成災(zāi)害性的損失，在這里特別指出的是：這套設(shè)備旨在于防雷，因此不必常年運(yùn)行，可以說運(yùn)行的時(shí)間是短暫的，但就在這短暫的時(shí)間內(nèi)卻能挽回?cái)?shù)以億計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。

2具體實(shí)施中應(yīng)注意的若干問題

（1）電動(dòng)機(jī)的選配

本型用電動(dòng)機(jī)吸收電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再用這個(gè)機(jī)械能牽引發(fā)電機(jī)進(jìn)行二次發(fā)電，因此對電動(dòng)機(jī)的選型必須依據(jù)下列要求：

①電網(wǎng)電壓波動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不能有較強(qiáng)的變化；

②必須考慮發(fā)電機(jī)所發(fā)的工頻電流；

③電動(dòng)機(jī)容量的確定。

直流電動(dòng)機(jī)除本身的結(jié)構(gòu)外，它自身轉(zhuǎn)速變化與供電電壓以及勵(lì)磁電壓大小相關(guān)，在這兩個(gè)參數(shù)中，其中一個(gè)變化將引起自身轉(zhuǎn)速較大的變化，因此當(dāng)電網(wǎng)遭受雷擊或異常電沖擊時(shí)，電機(jī)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(wěn)定，所以不能選用直流電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)選用異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須考慮轉(zhuǎn)速問題，由于異步電動(dòng)機(jī)要獲得轉(zhuǎn)矩，其自身轉(zhuǎn)速總是低于電網(wǎng)頻率對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速，如果我們將異步電動(dòng)機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接起來，盡管使用同磁極數(shù)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，而發(fā)電機(jī)所發(fā)出電能的頻率總是低于電網(wǎng)頻率，這個(gè)電源是不能使用的。眾所周知：我國以及國際電網(wǎng)的頻率標(biāo)準(zhǔn)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(guān)電源，當(dāng)供電電源頻率過低時(shí)，這些電源輸出的直流分量所含的雜音就會(huì)增加，降低了電源的雜音水準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)使此電源不能使用，而且機(jī)內(nèi)變壓器及散熱風(fēng)扇（使用交流電）因頻率過低而過熱，但是，適當(dāng)?shù)靥岣唠娫摧敵鲱l率，實(shí)踐證明有利而無害（以電網(wǎng)電源驅(qū)動(dòng)并與掃描同步的復(fù)印機(jī)除外），由于異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，選擇它還是可取的，但它與發(fā)電機(jī)不能用同軸的方法進(jìn)行聯(lián)接，必須使用增速裝置進(jìn)行聯(lián)接。

為了使發(fā)電機(jī)輸出頻率與電網(wǎng)工頻同步，必須使用同步電動(dòng)機(jī)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)應(yīng)與發(fā)電機(jī)有相同的磁極數(shù)，并使用同軸聯(lián)接，此時(shí)整機(jī)結(jié)構(gòu)比異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)簡潔穩(wěn)定，但是同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)造價(jià)高得多，同時(shí)起動(dòng)程序也比較繁瑣，它要完成由異步起動(dòng)再進(jìn)入同步運(yùn)行這樣一個(gè)過程。

（2）機(jī)體結(jié)構(gòu)的絕緣

機(jī)體結(jié)構(gòu)的絕緣是指電動(dòng)機(jī)殼體對地及對發(fā)電機(jī)傳動(dòng)部分的絕緣。本型電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電網(wǎng)上，當(dāng)雷電襲擊電網(wǎng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)殼的雷電勢幾乎等于電網(wǎng)上的雷電勢，如果殼體與地不絕緣，雷電將擊穿電動(dòng)機(jī)繞組與殼體間的絕緣而對地放電，電動(dòng)機(jī)將損壞，雖然不會(huì)造成發(fā)電機(jī)超速，但是為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)，以及避免對發(fā)電機(jī)端閃雷造成強(qiáng)大的電磁感應(yīng)，影響和破壞微電子設(shè)備，因此電動(dòng)機(jī)殼體與機(jī)架必須絕緣，而且這種絕緣不單純考慮絕緣的強(qiáng)度。因電動(dòng)機(jī)是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的，電動(dòng)機(jī)整體不可能像其它靜態(tài)電器那樣使用絕緣材料密封，所以就必須考慮運(yùn)行地點(diǎn)的環(huán)境狀況，諸如溫度、相對濕度、海拔高度等，當(dāng)雷電襲擊時(shí)還得考慮雷電有一個(gè)閃落距離。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的繞組在雷電導(dǎo)入的情況下，電場會(huì)通過電動(dòng)機(jī)的殼體與發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)部分進(jìn)入發(fā)電機(jī)繞組，使發(fā)電機(jī)輸出雷電流，所以本型電動(dòng)機(jī)不僅考慮殼體對機(jī)架（地）的絕緣，還須考慮電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)傳動(dòng)聯(lián)接間的絕緣，即傳動(dòng)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(qiáng)度，還須考慮雷電的閃落距離，因此當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)進(jìn)行同軸聯(lián)接時(shí)，建議使用環(huán)氧材料作法蘭，使用環(huán)氧棒作軸，其長度應(yīng)超過20cm以上，這樣既有絕緣強(qiáng)度又有閃落距離。當(dāng)使用異步電動(dòng)機(jī)牽引發(fā)電機(jī)增速發(fā)電時(shí)，傳動(dòng)帶長度盡可能拉長一些，以增加絕緣距離，同時(shí)要求皮帶具有較高的絕緣強(qiáng)度和拉力，而且皮帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能帶有金屬導(dǎo)體。

（3）設(shè)備安裝

本型設(shè)備宗旨是防雷，所以對于設(shè)備的現(xiàn)場安裝及其相關(guān)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(jié)運(yùn)行，這樣就引出了一個(gè)電網(wǎng)電源與發(fā)電機(jī)電源的交換問題，實(shí)踐證明電源交換開關(guān)不能使用市面的交換開關(guān)，因?yàn)檫@些開關(guān)絕緣性能和絕緣距離都不夠，因此建議使用電力系統(tǒng)用于高壓的隔離開關(guān)，更可靠的方法是將電源用人工進(jìn)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(wǎng)電源的進(jìn)線，因電纜的外層絕緣強(qiáng)度不高，在機(jī)房內(nèi)鋪設(shè)容易向墻體和地板放電，這種雷電近距離閃落將引起強(qiáng)大的雷電磁場干擾機(jī)房的配線，使微電子設(shè)備間接地受到破壞，因此進(jìn)入機(jī)房的電源線（包括零線），需要用高壓絕緣子支撐，包括電動(dòng)機(jī)控制盤也要用這種絕緣。

電動(dòng)機(jī)電源配電盤按常規(guī)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(wǎng)上的電壓安全系數(shù)而設(shè)計(jì)的，絕緣強(qiáng)度不高，閃落距離不夠。如果按上述安裝要求則包括電動(dòng)機(jī)連接線在內(nèi)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(shí)裝在電動(dòng)機(jī)殼體的底盤上，由于電動(dòng)機(jī)機(jī)座與地（機(jī)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(dòng)機(jī)及主配電盤，在運(yùn)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(wǎng)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(dòng)機(jī)配電盤作了上述處理，所以不能再進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控（需遠(yuǎn)程監(jiān)控可用電子轉(zhuǎn)化數(shù)字處理），因此電動(dòng)機(jī)自保的二次系統(tǒng)必須完善，比如過流、缺相這類保護(hù)相對要齊全。但發(fā)電機(jī)配電盤不必按上述要求去做，此盤可以與機(jī)房配電裝置共用。

對于大規(guī)模電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算中心，一般都配備動(dòng)力電源，如果把本型電源再疊加進(jìn)去發(fā)電機(jī)就有兩臺，不但資源浪費(fèi)，而且擺布面積增加，交換電源也麻煩，造成整體設(shè)計(jì)不合理，為此應(yīng)該使電動(dòng)機(jī)和機(jī)械動(dòng)力可分別帶動(dòng)同一臺發(fā)電機(jī)，因此傳動(dòng)、離合、配電就得綜合設(shè)計(jì)。

在這里特別要指出的是：機(jī)房配電線不能同時(shí)使用電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)電源，造成這種現(xiàn)象往往是想減輕發(fā)電機(jī)負(fù)載而將空調(diào)、照明等負(fù)載分給電網(wǎng)電源，然而這種方法是不可取的，因?yàn)椋?dāng)電網(wǎng)電源同時(shí)進(jìn)入機(jī)房以后，此網(wǎng)絡(luò)及在其上運(yùn)行的設(shè)備在雷電襲擊時(shí)，有可能引雷于機(jī)房放電，產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電流的電磁感應(yīng)會(huì)破壞傳輸線絕緣而進(jìn)入設(shè)備，所以機(jī)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(rèn)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(jī)是不適用的，而下列微電子設(shè)備，諸如電信程控交換機(jī)房；電子計(jì)費(fèi)機(jī)運(yùn)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(shè)備，引入雷電不單純是電網(wǎng)引雷，還有傳輸網(wǎng)絡(luò)和室外單元引雷問題。我在《電源技術(shù)應(yīng)用》雜志2000年第9期寫了一篇“雷電與防雷誤區(qū)”文章，其中用了相當(dāng)篇幅講了大電流和微電流網(wǎng)絡(luò)的防雷問題，從中可知微電流網(wǎng)絡(luò)的防雷是容易解決的，關(guān)鍵的因素是微電流網(wǎng)絡(luò)可提高網(wǎng)絡(luò)本身低頻段的內(nèi)阻。對于高頻傳輸網(wǎng)絡(luò)而言，做法十分簡單即串聯(lián)高耐壓值電容即可做到，而插入損失可以認(rèn)為是零值，對低頻傳輸網(wǎng)絡(luò)可以提高輸送電平來彌補(bǔ)插入損失，而且可使用放大器進(jìn)行彌補(bǔ)，但電網(wǎng)電源就不能用提高內(nèi)阻的辦法，因?yàn)樗鼤?huì)造成電源質(zhì)量下降和不穩(wěn)定，而且電源的損失不可彌補(bǔ)。

因此室外單元和傳輸網(wǎng)絡(luò)的引雷問題，諸如無線電收發(fā)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(nèi)阻和使用瞬態(tài)箝位器件配合就可解決問題，所以，當(dāng)今微電子防雷主要在電網(wǎng)引雷上，這是防雷問題主要矛盾，只要解決電網(wǎng)的引雷，其它方面的引雷就迎刃而解了。