一次觸發(fā)閃電引起的SPD接地線電流特征分析（電力）
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一次觸發(fā)閃電引起的SPD接地線電流特征分析（電力）
曹雪芬1，陳紹東1，顏旭1，張勇2，謝智勇2
(1．廣東省防雷中心，廠東廠州 510080;2．廠州市防雷減災(zāi)管理辦公室，廠東廣州 510080)
摘要：基于一次人工觸發(fā)閃電，對(duì)架空配電線路上氧化鋅避雷器( surge protective device，SPD)的接地線電流特征進(jìn)行了分析，在分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，近距離閃電發(fā)生時(shí)，架空線路耦合產(chǎn)生過電壓引起的SPD接地線電流峰值達(dá)到-961.0A，平均10%～90%上升時(shí)問為17.5 
，平均半峰值時(shí)間為68.1 ，與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形自+較大的差異 另外，僅由于雷電電磁脈沖產(chǎn)生感應(yīng)過電壓的沖擊，SPD是不容易被損壞的。經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，回?fù)粢?/font>SPD接地線電流參數(shù)與觸發(fā)閃電10%～90%上升時(shí)間對(duì)應(yīng)陡度有密切的關(guān)系．SPD接地線電流峰值、半峰值時(shí)間、巾和電量以及單位電阻能量都與其有較好的線性相關(guān)，擬合優(yōu)度R2分別為0.83、0.83、0.90及0.94
關(guān)鍵詞：SPD；人工觸發(fā)閃電；¨擊電流；配電線路：接地線電流
中圖分類號(hào)：TM862 DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.05.049.04
0引言
隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，設(shè)備的雷電電磁脈沖(lightning electromagnetic pulse， LEMP)防護(hù)已經(jīng)成為雷電防護(hù)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。臨近自然閃電產(chǎn)生的LEMP通過導(dǎo)線耦合方式在配電線路上產(chǎn)生瞬態(tài)感應(yīng)過電壓，并通過線路傳人設(shè)備．直接影響與線路相連弱電設(shè)備的正常運(yùn)行．甚至被損壞。安裝在配電線路上的氧化鋅避雷器(SPD)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，把瞬態(tài)電壓限制在較低水平，并把配電線路上感應(yīng)過電壓產(chǎn)生的能量經(jīng)由接地線泄放至大地，從而保護(hù)后端電子設(shè)備。因此，研究低壓配電線路SPD接地線上電流特征很有意義。
通過將人工觸發(fā)的閃電直接引到低壓架空線路上來(lái)研究SPD在線路不同位置上的分流作用及相關(guān)的電流特征。通過觀測(cè)和模型分析線路感應(yīng)過電壓對(duì)SPD的影響。對(duì)低壓SPD在線路巾的保護(hù)距離和級(jí)問配合進(jìn)行了分析和討論。觀測(cè)和分析了自然閃電下氧化鋅避雷器的殘壓特征。本文主要是基于人工觸發(fā)閃電，分析了近距離閃電引起架空配電線路SPD接地線的電流特征，為輸電線路的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)用以及SPD的應(yīng)用提供參考。
1 試驗(yàn)布置和測(cè)量?jī)x器
1.1 配電線路布置
雷電野外試驗(yàn)場(chǎng)有一配電線路，其額定電壓220 V,高3m，南木桿支撐，根據(jù)GPS顯示支撐桿間的距離在49～73 m之問不等。圖1所示的配電線路總長(zhǎng)約1.3 km，一端起始于一個(gè)密封變壓器的低壓側(cè)，變壓器的額定容量50 kV．A,高壓側(cè)10 kV,低壓側(cè)400 V。配電線路的末端給農(nóng)房供電。試驗(yàn)SPD安裝在線路的末端，引流桿距離配電線路最近的距離是29.6 m。
1.2測(cè)量?jī)x器
圖2是SPD殘壓和接地線電流測(cè)量布置示意．殘壓測(cè)量經(jīng)沖擊分壓器（分壓比為203:1）和衰減器后接入采集器，接地線電流的測(cè)量采用皮爾森線圈。皮爾森線圈帶寬為I50 Hz～150 MHz。沖擊分壓器為純電容式，電容為300 pF。采樣率5 M/s，采樣長(zhǎng)度0.8 s。
1.3 SPD安裝性能參數(shù)
義中SPD是限壓型氧化鋅電阻式的浪涌保護(hù)器．SPD標(biāo)稱放電電流(In)為20 kA，最大放電電流(
)為40 kA,電壓保護(hù)水平(Up)為1 750V。試驗(yàn)前測(cè)試了氧化鋅SPD的伏安特性曲線．直流1mA測(cè)量的壓敏電壓大約為640 V。SPD安裝在農(nóng)房處，垂直角鋼做接地極，垂直角鋼規(guī)格40 mmx40 mmx4 mm,埋深2m，接地電阻14.1 n，與試驗(yàn)場(chǎng)最近地網(wǎng)距離約30 m。SPD接地線直徑2.5mm.長(zhǎng)度0.3m，試驗(yàn)巾SPD都是安裝在低壓配電線路的火線(L)上。
2數(shù)據(jù)分析
2.1 觸發(fā)閃電情況
2014-06-20T15:05:06觸發(fā)閃電（簡(jiǎn)稱T201404）成功．T201404由11次回?fù)?/font>(return stroke，RS)和13次M分量組成，觸發(fā)閃電電流波形如圖3所示。1 1次觸發(fā)閃電電流的范圍是-7.4 kA--25.8 kA，AM值為-16.0 kA。10%～90%上升時(shí)間內(nèi)的平均陡度為9.9～93.0 kA/
，AM值陡度為34.8 kA/。T201404的其他具體特征參數(shù)如表1所示。
2.2 SPD接地線電流特征
圖4是觸發(fā)閃電引起SPD接地線電流波形，對(duì)應(yīng)1 1次回?fù)?/font>SPD接地線_上都有明顯的電流通過。由圖4可知，除了回?fù)敉猓?/font>M分量也引起了SPD的動(dòng)作，在接地線上有明顯的電流經(jīng)過，M分量引起的接地線電流特征另文描述。圖5是11次同擊引起架空線路SPD動(dòng)作后流經(jīng)接地線電流的放大波形圖，由圖5可見，SPD接地線電流基本上呈現(xiàn)負(fù)極性，在負(fù)極性電流之前有微弱的正極性電流。通過對(duì)比感應(yīng)過電壓變化曲線可知，SPD接地線微弱正極性電流的存在與閃電先導(dǎo)向地面的發(fā)展過程有一定的關(guān)系。當(dāng)閃電的先導(dǎo)頭部接近地面時(shí)，架空線路上也會(huì)耦合產(chǎn)生較大的感應(yīng)過電壓，當(dāng)其超過SPD壓敏電壓時(shí)．SPD就會(huì)動(dòng)作．SPD接地線上自然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電流。另一方面，先導(dǎo)頭部引起線路過電壓超過壓敏電壓的時(shí)間非常短暫，由于壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間很快．流過SPD接地線的電流也應(yīng)該是短暫的，但根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在過電壓低于壓敏電壓的情況下仍然有一些極弱的接地線電流存在，這可能是因?yàn)橛^測(cè)系統(tǒng)的誤差造成的，主要是由閃電電磁脈沖耦合測(cè)量系統(tǒng)本身所引起的。
分析SPD接地線電流放大波形可知，T201404各次回?fù)魧?duì)應(yīng)SPD接地線上的電流峰值范圍為-198.3 A--961.0 A, AM值為-506.0 A,最大值沒有超過1kA,出現(xiàn)在RS11。10%～90%的上升時(shí)間范圍為10.1～23.8 ，AM值上升時(shí)間為17.5;半峰值時(shí)間為44.1～94.2，AM值半峰值時(shí)間為68.1。SPD接地線電流上升時(shí)間要明顯快于下降時(shí)問，但與觸發(fā)閃電相比，其上升時(shí)間要緩很多，其波形與閃電過程中的M分量類似。流經(jīng)SPD接地線上的電流與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)雷電流波的波形有一定的差異，流經(jīng)SPD接地線上的電流其波頭時(shí)間和波尾時(shí)間都要遠(yuǎn)大于8/20波形，其波頭時(shí)間與10/350時(shí)間比較接近，但是其波尾時(shí)間要比10/350的短。近距離閃電發(fā)生時(shí)，由于閃電電磁脈沖與架空線路耦合產(chǎn)生的過電壓對(duì)線路上SPD產(chǎn)生沖擊，由于電流都比較小，其電量和單位電阻的能量都要比標(biāo)準(zhǔn)的小很多，只要通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的SPD都能夠承受相應(yīng)的沖擊，本文的試驗(yàn)也充分地說明了這一點(diǎn)。T201404共有11次同擊和13次M分量使得SPD動(dòng)作，試驗(yàn)結(jié)束后，SPD并沒有損壞。接地線電流的其他特征參數(shù)如表2所示。
2.3流經(jīng)SPD電流與觸發(fā)閃電電流之間的關(guān)系
架空配電線路上安裝SPD．當(dāng)閃電發(fā)生時(shí)．其接地線七的電流主要取決于SPD受到線路感應(yīng)過電壓沖擊之前其兩端的電壓，而此時(shí)SPD兩端的電壓主要與線路上的感應(yīng)過電壓和接地端的地電位有關(guān)。本文SPD接地與觸發(fā)閃電距離較遠(yuǎn)．回?fù)舭l(fā)生時(shí)地電位相比感應(yīng)過電壓是比較小的．其作用可以基本不考慮。這樣SPD兩端的電壓基本取決于架空線路感應(yīng)過電壓，感應(yīng)過電壓與閃電的特征參數(shù)、線路的特征參數(shù)以及回?fù)舻哪Ｊ降榷加胁煌潭鹊年P(guān)系。通過計(jì)算．SPD電流峰值與觸發(fā)閃電電流峰值有較好的線性相關(guān)．?dāng)M合優(yōu)度R2達(dá)0.85，SPD電流峰值還與觸發(fā)閃電電流的10%~90%陡度存在較好的線性相關(guān)，擬合優(yōu)度R2為0.83。SPD電流的半峰值時(shí)間與觸發(fā)閃電的半峰值時(shí)間沒有線性相關(guān)。SPD電流的半峰值時(shí)間、電量和單位電阻能量都與觸發(fā)閃電10%～90%陡度有較好的線性相關(guān)，擬合優(yōu)度分別達(dá)0.83、0.90和0.94，線性擬合如圖6所示。由此可見．SPD接地線上電流波形與觸發(fā)閃電10%～90%陡度的關(guān)系最為密切。當(dāng)陡度較大時(shí)，除了上升時(shí)間外，其電流峰值、半峰值時(shí)間、電量和單位電阻能量都比較大。對(duì)于SPD接地線上的電流特征參數(shù)而言，觸發(fā)閃電電流10%～90%上升時(shí)間對(duì)應(yīng)陡度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。
3結(jié)論
文中分析了一次近距離觸發(fā)閃電發(fā)生時(shí)．由于線路感應(yīng)耦合流過SPD電流的波形特征，主要得出如下結(jié)論。
(1) 11次同擊對(duì)應(yīng)SPD接地線I二的電流峰值范圍為-198.3 A--961.0 A，AM值為-506．OA；
10%～90%的上升時(shí)間和半峰值時(shí)間幾何平均值分別為16.8
和67.1。
(2)對(duì)于SPD接地線r二電流特征參數(shù)而言，閃電同擊電流10%～90%上升時(shí)問對(duì)應(yīng)陡度是一個(gè)非常重要的參量．SPD接地線電流峰值、半峰值時(shí)間、電量及單位電阻能量與其都有較好的線性相關(guān)．?dāng)M合優(yōu)度R2分別是0.83、0.83、0.90及0.94。
(3)近距離雷擊引起的架空線路上的感應(yīng)過電壓不易造成SPD的損壞，多重回?fù)粢草^難損壞實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過的SPD。
由于雷電電磁脈沖產(chǎn)生感應(yīng)過電壓對(duì)于線路和設(shè)備的損壞是非常普遍的，概率要比閃電直接擊巾線路大許多，但是通過本文的分析發(fā)現(xiàn)，LEMP的效應(yīng)也是有限的，不能無(wú)限地放大，當(dāng)線路不安裝SPD時(shí)，其后端設(shè)備的電氣絕緣可能很容易被損壞，但是安裝了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的SPD后，其能量抑制的效果較好。如果還有地電位的反擊，情況可能會(huì)相對(duì)復(fù)雜，當(dāng)SPD接地線離閃電泄入的地網(wǎng)很近時(shí)，地電位的反擊反而可能會(huì)直接損壞SPD．這有待進(jìn)一步研究。
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