一次触发闪电引起的SPD接地线电流特征分析（电力）

 一次触发闪电引起的SPD接地线电流特征分析（电力）

                   曹雪芬¹，陈绍东¹，颜旭¹，张勇²，谢智勇²

 (1．广东省防雷中心，厂东厂州  510080;2．厂州市防雷减灾管理办公室，厂东广州  510080)

摘要：基于一次人工触发闪电，对架空配电线路上氧化锌避雷器( surge protective device，SPD)的接地线电流特征进行了分析，在分析时发现，近距离闪电发生时，架空线路耦合产生过电压引起的SPD接地线电流峰值达到-961.0A，平均10%～90%上升时问为17.5 ，平均半峰值时间为68.1 ，与实验室标准测试波形自+较大的差异  另外，仅由于雷电电磁脉冲产生感应过电压的冲击，SPD是不容易被损坏的。经相关性分析发现，回击引起SPD接地线电流参数与触发闪电10%～90%上升时间对应陡度有密切的关系．SPD接地线电流峰值、半峰值时间、巾和电量以及单位电阻能量都与其有较好的线性相关，拟合优度R2分别为0.83、0.83、0.90及0.94

关键词：SPD；人工触发闪电；¨击电流；配电线路：接地线电流

中图分类号：TM862  DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.05.049.04

 0引言

    随着微电子技术飞速发展，设备的雷电电磁脉冲(lightning electromagnetic pulse，  LEMP)防护已经成为雷电防护研究领域的焦点。临近自然闪电产生的LEMP通过导线耦合方式在配电线路上产生瞬态感应过电压，并通过线路传人设备．直接影响与线路相连弱电设备的正常运行．甚至被损坏。安装在配电线路上的氧化锌避雷器(SPD)能够在极短的时间内导通，把瞬态电压限制在较低水平，并把配电线路上感应过电压产生的能量经由接地线泄放至大地，从而保护后端电子设备。因此，研究低压配电线路SPD接地线上电流特征很有意义。

   通过将人工触发的闪电直接引到低压架空线路上来研究SPD在线路不同位置上的分流作用及相关的电流特征。通过观测和模型分析线路感应过电压对SPD的影响。对低压SPD在线路巾的保护距离和级问配合进行了分析和讨论。观测和分析了自然闪电下氧化锌避雷器的残压特征。本文主要是基于人工触发闪电，分析了近距离闪电引起架空配电线路SPD接地线的电流特征，为输电线路的防雷设计应用以及SPD的应用提供参考。

1  试验布置和测量仪器

1.1  配电线路布置

    雷电野外试验场有一配电线路，其额定电压220 V,高3m，南木杆支撑，根据GPS显示支撑杆间的距离在49～73 m之问不等。图1所示的配电线路总长约1.3 km，一端起始于一个密封变压器的低压侧，变压器的额定容量50 kV．A,高压侧10 kV,低压侧400 V。配电线路的末端给农房供电。试验SPD安装在线路的末端，引流杆距离配电线路最近的距离是29.6 m。

1.2测量仪器

    图2是SPD残压和接地线电流测量布置示意．残压测量经冲击分压器（分压比为203:1）和衰减器后接入采集器，接地线电流的测量采用皮尔森线圈。皮尔森线圈带宽为I50 Hz～150 MHz。冲击分压器为纯电容式，电容为300 pF。采样率5 M/s，采样长度0.8 s。

1.3 SPD安装性能参数

    义中SPD是限压型氧化锌电阻式的浪涌保护器．SPD标称放电电流(I_n)为20 kA，最大放电电流()为40 kA,电压保护水平(U_p)为1 750V。试验前测试了氧化锌SPD的伏安特性曲线．直流1mA测量的压敏电压大约为640 V。SPD安装在农房处，垂直角钢做接地极，垂直角钢规格40 mmx40 mmx4 mm,埋深2m，接地电阻14.1 n，与试验场最近地网距离约30 m。SPD接地线直径2.5mm.长度0.3m，试验巾SPD都是安装在低压配电线路的火线(L)上。

2数据分析

2.1  触发闪电情况

    2014-06-20T15:05:06触发闪电（简称T201404）成功．T201404由11次回击(return stroke，RS)和13次M分量组成，触发闪电电流波形如图3所示。1 1次触发闪电电流的范围是-7.4 kA--25.8 kA，AM值为-16.0 kA。10%～90%上升时间内的平均陡度为9.9～93.0 kA/，AM值陡度为34.8 kA/。T201404的其他具体特征参数如表1所示。

2.2 SPD接地线电流特征

    图4是触发闪电引起SPD接地线电流波形，对应1 1次回击SPD接地线_上都有明显的电流通过。由图4可知，除了回击外，M分量也引起了SPD的动作，在接地线上有明显的电流经过，M分量引起的接地线电流特征另文描述。图5是11次同击引起架空线路SPD动作后流经接地线电流的放大波形图，由图5可见，SPD接地线电流基本上呈现负极性，在负极性电流之前有微弱的正极性电流。通过对比感应过电压变化曲线可知，SPD接地线微弱正极性电流的存在与闪电先导向地面的发展过程有一定的关系。当闪电的先导头部接近地面时，架空线路上也会耦合产生较大的感应过电压，当其超过SPD压敏电压时．SPD就会动作．SPD接地线上自然会产生相应的电流。另一方面，先导头部引起线路过电压超过压敏电压的时间非常短暂，由于压敏电阻的响应时间很快．流过SPD接地线的电流也应该是短暂的，但根据观测数据发现在过电压低于压敏电压的情况下仍然有一些极弱的接地线电流存在，这可能是因为观测系统的误差造成的，主要是由闪电电磁脉冲耦合测量系统本身所引起的。

    分析SPD接地线电流放大波形可知，T201404各次回击对应SPD接地线上的电流峰值范围为-198.3 A--961.0 A, AM值为-506.0 A,最大值没有超过1kA,出现在RS11。10%～90%的上升时间范围为10.1～23.8 ，AM值上升时间为17.5;半峰值时间为44.1～94.2，AM值半峰值时间为68.1。SPD接地线电流上升时间要明显快于下降时问，但与触发闪电相比，其上升时间要缓很多，其波形与闪电过程中的M分量类似。流经SPD接地线上的电流与实验室标准雷电流波的波形有一定的差异，流经SPD接地线上的电流其波头时间和波尾时间都要远大于8/20波形，其波头时间与10/350时间比较接近，但是其波尾时间要比10/350的短。近距离闪电发生时，由于闪电电磁脉冲与架空线路耦合产生的过电压对线路上SPD产生冲击，由于电流都比较小，其电量和单位电阻的能量都要比标准的小很多，只要通过标准测试的SPD都能够承受相应的冲击，本文的试验也充分地说明了这一点。T201404共有11次同击和13次M分量使得SPD动作，试验结束后，SPD并没有损坏。接地线电流的其他特征参数如表2所示。

2.3流经SPD电流与触发闪电电流之间的关系

    架空配电线路上安装SPD．当闪电发生时．其接地线七的电流主要取决于SPD受到线路感应过电压冲击之前其两端的电压，而此时SPD两端的电压主要与线路上的感应过电压和接地端的地电位有关。本文SPD接地与触发闪电距离较远．回击发生时地电位相比感应过电压是比较小的．其作用可以基本不考虑。这样SPD两端的电压基本取决于架空线路感应过电压，感应过电压与闪电的特征参数、线路的特征参数以及回击的模式等都有不同程度的关系。通过计算．SPD电流峰值与触发闪电电流峰值有较好的线性相关．拟合优度R²达0.85，SPD电流峰值还与触发闪电电流的10%~90%陡度存在较好的线性相关，拟合优度R²为0.83。SPD电流的半峰值时间与触发闪电的半峰值时间没有线性相关。SPD电流的半峰值时间、电量和单位电阻能量都与触发闪电10%～90%陡度有较好的线性相关，拟合优度分别达0.83、0.90和0.94，线性拟合如图6所示。由此可见．SPD接地线上电流波形与触发闪电10%～90%陡度的关系最为密切。当陡度较大时，除了上升时间外，其电流峰值、半峰值时间、电量和单位电阻能量都比较大。对于SPD接地线上的电流特征参数而言，触发闪电电流10%～90%上升时间对应陡度是一个非常重要的参数。

3结论

    文中分析了一次近距离触发闪电发生时．由于线路感应耦合流过SPD电流的波形特征，主要得出如下结论。

    (1) 11次同击对应SPD接地线I二的电流峰值范围为-198.3 A--961.0 A，AM值为-506．OA；

10%～90%的上升时间和半峰值时间几何平均值分别为16.8和67.1。

    (2)对于SPD接地线r二电流特征参数而言，闪电同击电流10%～90%上升时问对应陡度是一个非常重要的参量．SPD接地线电流峰值、半峰值时间、电量及单位电阻能量与其都有较好的线性相关．拟合优度R²分别是0.83、0.83、0.90及0.94。

    (3)近距离雷击引起的架空线路上的感应过电压不易造成SPD的损坏，多重回击也较难损坏实验室标准测试过的SPD。

    由于雷电电磁脉冲产生感应过电压对于线路和设备的损坏是非常普遍的，概率要比闪电直接击巾线路大许多，但是通过本文的分析发现，LEMP的效应也是有限的，不能无限地放大，当线路不安装SPD时，其后端设备的电气绝缘可能很容易被损坏，但是安装了标准测试的SPD后，其能量抑制的效果较好。如果还有地电位的反击，情况可能会相对复杂，当SPD接地线离闪电泄入的地网很近时，地电位的反击反而可能会直接损坏SPD．这有待进一步研究。