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初始长连续电流引起的地电位抬升和SPD损坏

陈绍东 张义军 颜旭 杜赛 吕伟涛 张阳

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初始长连续电流引起的地电位抬升和SPD损坏

    通信作者: 陈绍东, 15035026@qq.com
  • 资助项目: 国家重点研究发展计划(2017YFC1501506),国家自然科学基金项目(41775007),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z003)

Ground Potential Rise and Surge Protective Device Damage Caused by Initial Long Continuous Current Process in Triggered Lightning

    Corresponding author: Chen Shaodong, 15035026@qq.com
  • 摘要: 在电子电气系统接地领域,地电位抬升对电子设备的破坏效应一直是人们关注的焦点。基于触发闪电技术,开展了地网地电位抬升冲击电涌保护器(surge protective device,SPD)的观测试验,重点分析了触发闪电初始长连续电流过程对SPD的冲击和损坏效应。结果发现,触发闪电注入地网后,闪电的初始长连续电流和继后回击的共同作用下很容易造成额定通流量的SPD损坏,当流经SPD的能量累积达到一定程度时仅初始长连续电流过程也会损坏SPD;冲击SPD的效应与初始长连续电流过程的不同的波形密切相关,当长连续电流过程叠加上升沿较快幅值较大的初始连续电流脉冲(ICCP,initial continuous current pulse)时,流经SPD的能量会迅速增加,是长连续电流过程中SPD损坏的最为关键因子。个例分析发现,当初始长连续电流过程持续时间和平均电流量级达到100 ms和200 A左右,泄放电量为25 C,流经SPD的能量达1000 J左右,易造成标称放电电流20 kA甚至更高的SPD损坏。
  • 图 1  地网GPR冲击SPD效应试验布置示意图

    Fig.1  The schematic diagram of GPR's impact on SPD effect

    图 2  T0702小量程触发闪电通道底部电流

    Fig.2  Small range triggered lightning channel bottom current of T0702

    图 3  T0702初始长连续电流对应的SPD残压(a)、触发闪电电流(b)和SPD接地线电流(c)波形

    Fig.3  The waveform of SPD residual voltage(a), triggered lightning current(b) and current flowing through SPD(c) due to the initial long continuous current of T0702

    图 4  T0726 SPD残压波形(a)和大量程触发闪电通道底部电流(b)

    Fig.4  SPD residual voltage(a) and large range triggered lightning channel bottom current(b) of T0726

    图 5  T0726初始长连续电流对应的SPD残压(a)、地电位抬升电压(b)和SPD接地线电流(c)波形

    Fig.5  The waveform of SPD residual voltage(a), GPR voltage(b) and current flowing through SPD(c) due to the initial long continuous current of T0726

    图 6  T0702和T0726流经SPD 0.5 ms能量值和时域能量累积曲线

    Fig.6  The energy accumulated in 0.5 ms and time domain of current flowing through SPD during T0702 and T0726

    图 7  T0702和T0725触发闪电0.5 ms电量和时域电量累积曲线

    Fig.7  The quantity in 0.5 ms and time domain quantity accumulation curves of triggered lightning current during T0702 and T0725

    表 1  初始长连续电流过程引起GPR冲击SPD的闪电过程

    Table 1.  Triggered lightning processes of GPR impulse to SPD caused by initial long continuous current processes

    触发闪电过程 回击次数及电流峰值 初始长连续电流特征 SPD损坏时刻前的初始连续电流特征 SPD标称放电电流/kA
    T0626 无回击 长连续电流长达480 ms,2 kA以上电流持续时间长达1.3 ms(只有小量程数据) 20
    T0702 1次回击,电流幅值为19.1 kA 持续时间为433.8 ms,峰值电流为718.5 A,平均电流为146.1 A,中和电量为63.4 C 持续时间为149.2 ms,期间平均电流为173.8 A,泄放电量为25.9 C 20
    T0725 4次回击,最大回击电流为26.1 kA 持续时间为313.6 ms,峰值电流为287.4 A,平均电流为106.8 A,中和的电量为33.5 C 初始连续电流期间未损坏,第1次回击出现异常 20
    T0726 4次回击,最大回击电流峰值大于28.7 kA 持续时间为183.3 ms,峰值电流为1079.2 A,平均电流为176.4 A,中和的电量为32.3 C 持续时间为110.1 ms,平均电流为238.3 A,泄放电量为26.2 C 40
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-08
  • 修回日期:  2020-01-17
  • 刊出日期:  2020-03-31

初始长连续电流引起的地电位抬升和SPD损坏

  • 1. 中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广州 510080
  • 2. 复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院, 上海 200438
  • 3. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室, 北京 100081
  • 通信作者: 陈绍东, 15035026@qq.com
资助项目: 国家重点研究发展计划(2017YFC1501506),国家自然科学基金项目(41775007),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z003)

摘要: 在电子电气系统接地领域,地电位抬升对电子设备的破坏效应一直是人们关注的焦点。基于触发闪电技术,开展了地网地电位抬升冲击电涌保护器(surge protective device,SPD)的观测试验,重点分析了触发闪电初始长连续电流过程对SPD的冲击和损坏效应。结果发现,触发闪电注入地网后,闪电的初始长连续电流和继后回击的共同作用下很容易造成额定通流量的SPD损坏,当流经SPD的能量累积达到一定程度时仅初始长连续电流过程也会损坏SPD;冲击SPD的效应与初始长连续电流过程的不同的波形密切相关,当长连续电流过程叠加上升沿较快幅值较大的初始连续电流脉冲(ICCP,initial continuous current pulse)时,流经SPD的能量会迅速增加,是长连续电流过程中SPD损坏的最为关键因子。个例分析发现,当初始长连续电流过程持续时间和平均电流量级达到100 ms和200 A左右,泄放电量为25 C,流经SPD的能量达1000 J左右,易造成标称放电电流20 kA甚至更高的SPD损坏。

English Abstract

    • 针对氧化锌阀片冲击能量耐受能力人们已开展了大量试验研究[1-4],SPD损害的4种主要途径国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)也进行了详细阐述,除耦合感应外,雷电直击线路和地电位抬升引起的加载到电涌保护器(surge protective device, SPD)两端的电压也是人们关注的焦点。无论哪种方式损坏SPD,在真实的雷电环境中都由闪电放电过程特征所决定。

      地闪的基本特征[5-8],除脉冲式的回击过程(电流峰值很高,但持续时间很短,高压实验室SPD的测试大多为脉冲式)外,回击后和回击间常伴随连续电流过程的发生,连续电流虽然强度不大,但其持续时间很长,且通常叠加多个幅值相对较小的电流脉冲,即M分量[9-11],长连续电流叠加M分量过程常造成SPD损害,但其机制与回击不同。

      SPD在高压实验室的测试已成熟,近年根据对雷电放电过程的观测引进了全雷电波的概念并开展多回击等测试[12-13],但仍无法完全模拟自然界的闪电,所以在实际系统运行中,由于闪电事件造成额定电流范围内的SPD损坏[14]难以避免。人工触发闪电是一种很好的在线测试方式[15-17],针对SPD的损坏机理已开展诸多的尝试性研究和测试[18-19]。但与自然闪电不同,触发闪电在开始阶段是长时间的连续电流,且幅值较大[20],这对SPD的性能是否有影响尚不清楚。另一方面,人工触发闪电的物理过程与高建筑物上的上行闪电一样,随着建筑物高度增加上行闪电的比例也增加,大量观测也发现,高建筑物不仅可以在一定的雷暴条件下自行激发产生上行闪电,还常常被其附近的其他闪电触发产生上行闪电[21-24],因此,研究这种闪电中持续时间长的初始连续电流对SPD的影响和损坏机制具有重要意义。DeCarlo等[25]在美国佛罗里达试验场开展雷击居民住宅楼与电源系统分流试验,Birkl等[26]在开展通信基站和电源系统分流试验中均发现初始长连续电流过程损坏SPD的现象,但由于缺乏数据,并没有深入讨论。基于触发闪电试验,前人已开展有关地电位抬升破坏效应的试验研究[27-28],为后人的研究奠定了基础。本文将利用触发闪电直击于地网,建立简单实用的模型,评估雷电流在入地同时初始长连续电流过程对SPD的损坏效应。

    • 本试验利用位于广州市从化区的中国气象局雷电野外科学试验基地人工引雷试验场开展。2018年开展的地电位抬升(ground potential rise,GPR)冲击SPD试验如图 1所示,触发闪电电流注入引流杆下地网,地网GPR电压通过SPD的接地线反击进入埋地电缆,电缆长度约120 m,在远端接地,工频接地电阻120 Ω。由于埋地电缆远端接地,GPR冲击SPD后形成电流,接地线电流由皮尔森线圈测量,其带宽为150 Hz~150 MHz。SPD两端残压测量利用阻容式分压器,分压比为4000:1,高压臂阻抗为300 pF,带宽为0~300 MHz。接地线电流和残压波形通过光、电转换由HBM高压隔离系统采集和记录,采样率为10 MS/s。引流杆地网由水平接地体和垂直接地体共同组成,地网规格为10 m×10 m,分4个网格(5 m×5 m),由规格为40 mm×4 mm的镀锌扁钢连接,埋深0.8 m,垂直接地体规格为40 mm×40 mm×4 mm,长2.5 m的镀锌角钢,每隔5 m均匀分布于地网的四周,测得地网的工频接地电阻为15.8 Ω。埋地电缆远端接地为一镀锌角钢,其规格和埋深同上述引流杆地网角钢。触发闪电电流波形由引流杆下同轴分流器进行采集,其采样带宽为0~20 MHz,之后通过HBM系统采集和记录,其采样率为100 MS/s。SPD标称放电电流(In)有20 kA和40 kA两种,对应最大放电电流(Imax)40 kA和80 kA,电压保护水平(Up)1750 V,直流1 mA测量的压敏电压大约为600 V,文中根据MOV的压敏电压判断残压的持续时间。

      图  1  地网GPR冲击SPD效应试验布置示意图

      Figure 1.  The schematic diagram of GPR's impact on SPD effect

    • 2018年夏季试验,共有9个雷暴过程27次触发闪电成功,其中4个雷暴过程试验后氧化锌SPD发生损坏,日期分别为6月26日,7月2日,7月25日和7月26日。6月26日,触发成功1次,记为T0626,由于触发阈值设置偏高,此过程只记录到触发闪电通道底部电流,为仅有长连续电流的触发闪电过程,连续电流长达480 ms,且电流幅值超过2 kA的持续时间约1.3 ms。7月2日触发成功3次,第1次过程SPD已经损坏,记为T0702。7月25日和7月26日均只有1次触发闪电成功,分别记为T0725和T0726。这3次过程均由初始长连续电流和之后的回击组成,其中T0702有1次继后回击,T0725和T0726各有4次继后回击。经分析发现,T0725在第1次回击过程中SPD出现明显异常,其余3次回击均在初始长连续电流过程中出现损坏。

      触发闪电成功后通道底部电流的测量(记为OB1测量系统)和地网电位抬升及SPD电流测量(记为OB2测量系统)是两个不同的测量系统,T0725成功后,由于各自的触发阈值设置不同,OB2对应的初始长连续电流的初始部分未能测量到。T0726触发成功后,第4次回击的电流过大(超过30 kA),野外观测的电力系统瞬间瘫痪,OB1测量故障,OB2测量由于系统采用了隔离变压器,数据测量正常,同时还测量到了由OB1经过BNC线分接过来第4次回击之前的通道底部电流数据。由此可见,数据最完整的过程为T0702,下面将重点分析。另外,T0726过程SPD的标称放电电流为40 kA,其余3个过程SPD标称放电电流均为20 kA。

    • 由触发闪电通道底部电流观测结果可知,T0702触发闪电初始长连续电流持续时间较长,为433.8 ms(如图 2所示),期间最大的峰值电流为718.5 A,是出现在36.5 ms的一次M分量过程,整个过程平均电流为146.1 A,中和电量为63.4 C。初始长连续电流过程之后有1次回击过程,电流幅值为19.1 kA。

      图  2  T0702小量程触发闪电通道底部电流

      Figure 2.  Small range triggered lightning channel bottom current of T0702

      T0702当触发闪电电流注入地网后,地网的电位瞬间抬升,由于SPD接地线与地网相连,GPR电压反过来冲击SPD形成明显残压,SPD起到保护后端设备的作用,整个过程的残压如图 3a所示。由残压和触发闪电电流波形曲线可知,随着注入闪电电流的波动,SPD的残压在整个初始长连续电流过程中也波动明显。当GPR电压较小时,SPD没有动作也就没有残压;SPD动作情况下,冲击电压不同时残压的表现形式也有区别,如图 3b中初始电流幅值较大的阶段,其残压相应也较大。以SPD压敏电压600 V为标准,初始连续电流(initial continuous current, ICC)过程出现3段较明显的残压,其持续时间分别为1.9 ms, 16.5 ms和109.1 ms,持续时间最长的第3段过程起始于-9.9 ms,结束为99.2 ms(也是SPD损坏的时刻)。由图 3a可知,期间平均电压为813.8 V,最大电压为969.0 V,是SPD损坏最为重要的阶段。

      图  3  T0702初始长连续电流对应的SPD残压(a)、触发闪电电流(b)和SPD接地线电流(c)波形

      Figure 3.  The waveform of SPD residual voltage(a), triggered lightning current(b) and current flowing through SPD(c) due to the initial long continuous current of T0702

      由于地电位抬升经地网流经SPD的电流,其幅值变化与触发闪电电流的变化趋势基本一致,如图 3b图 3c所示,流经SPD电流幅值较大的主要出现在两个阶段,ICC上升较快幅值较大的阶段和叠加在ICC上的M分量(图 3b)。分析发现,SPD接地线电流除与注入电流的幅值有关外,与电流的快速上升也存在明显的对应关系,由图 3b可见,M分量后有一段电流幅值较大过程,但其电流变化缓慢,对应的SPD电流则很小(图 3c),可能是GPR冲击SPD的过程中,当电流变化较慢时缺少电流耦合作用的缘故。对应前述残压的第3阶段,流经SPD接地线电流峰值达396.5 A,平均电流为23.6 A,是对应阶段触发闪电电流均值(220.4 A)的10.8%,电量为2.57 C,期间流经SPD电流50 A以上的持续时间达9.2 ms,有多个波峰和波谷,属振荡型。

      SPD残压曲线在99.2 ms出现了断崖式突变,SPD的箝位电压消失了(如图 3a所示),从正常SPD箝位电压减弱的对比和其他数据分析判断,此刻SPD已经损坏。残压突变出现时,触发闪电电流幅值为181.3 A,远大于出现残压初始时刻对应的电流幅值69.3 A,且突变之后还存在几百毫秒较大电流幅值的连续电流过程,说明此时并不是真的残压消失,而是SPD损坏,初始连续电流后的回击过程,SPD没有动作,进一步说明SPD损坏事实。SPD损坏时,触发闪电初始长连续电流持续时间为149.2 ms,期间峰值电流为718.5 A,平均电流为173.8 A,泄放电量为25.9 C。Mata等[18]利用人工触发闪电开展雷电直击不带电架空线路的试验发现,当初始长连续电流持续时间达100 ms、平均电流达100 A的量级时,线路上氧化锌避雷器出现损坏现象。值得关注的是,SPD损坏或出现异常后,由地网抬升引起的电流或者能量仍源源不断涌入低压系统,SPD损坏后的初始连续电流过程,有较微弱的电流流经SPD,第1次回击过程流经SPD的电流峰值达到4.6 kA,这可能是由于SPD氧化锌阀片内部的晶体结构虽已经损毁,但其仍能够传导电流的缘故。

    • T0726触发闪电过程由长初始连续电流和4次回击组成,初始长连续电流呈现明显残压(图 4a),而回击对应的残压呈饱和现象。前3次回击电流峰值分别是11.7 kA,21.9 kA和28.7 kA(图 4b),第4次回击闪电电流峰值更大,且造成OB1测量系统瘫痪。OB1测量系统瘫痪导致通道底部电流只记录了大量程波形。T0726初始长连续电流过程持续时间为183.3 ms,期间最大电流峰值为1079.2 A,整个过程的平均电流为176.4 A,中和电量为32.3 C。与T0702相比,其持续时间较短,但峰值电流和平均电流均较大,即长连续电流过程泄放电流更集中。

      图  4  T0726 SPD残压波形(a)和大量程触发闪电通道底部电流(b)

      Figure 4.  SPD residual voltage(a) and large range triggered lightning channel bottom current(b) of T0726

      T0726初始长连续电流过程造成标称放电电流为40 kA的氧化锌SPD损坏,发生损坏的时刻也为残压的突变点,对应的时间轴为29.9 ms(如图 5a所示)。由图 4a也可以看到,后面的回击过程SPD不再动作。由图 5b中GPR电压曲线可知,当GPR达到了SPD的动作电压后,SPD表现出明显的残压特征,以600 V为残压的起始点,首次出现残压的时刻为-48.3 ms。

      图  5  T0726初始长连续电流对应的SPD残压(a)、地电位抬升电压(b)和SPD接地线电流(c)波形

      Figure 5.  The waveform of SPD residual voltage(a), GPR voltage(b) and current flowing through SPD(c) due to the initial long continuous current of T0726

      将残压分为2个阶段,第1阶段由残压的起始点开始,此刻对应GPR幅值为-1.3 kV,之后GPR缓慢抬升,达到了第1次峰值电压-7.9 kV,之后又有所回落,期间残压也随之缓慢变化,在-29.4 ms左右,对应出现较大的初始连续电流脉冲(initial continuous current pulse, ICCP,上升沿小于20 μs),GPR电压出现突变(峰值电压-8.3 kV),SPD残压和流经的电流对应出现明显脉冲变化,幅值迅速上升(如图 5a图 5c所示)。突变之后残压为第2阶段,直至SPD损坏。值得关注的是,残压突变后,冲击SPD的GPR电压在缓慢下降的过程中,残压在较长时段内一直维持较高电压水平,这可能与氧化锌电阻片本身的特性有关。第1阶段残压持续时间为18.9 ms,平均值为660.1 V,虽然电位抬升电压较大,但流经SPD的电流非常小,经计算平均值仅为1.8 A;第2阶段残压持续时间约59.3 ms,平均值为796.7 V,流经SPD电流突变后迅速升高,峰值达392.7 A,波形呈单峰型缓慢下降,200 A以上的持续时间达到1 ms左右,50 A以上的持续时间达到6.6 ms,平均值19.7 A,明显大于第1阶段的电流幅值,占对应阶段触发闪电电流平均值(294.0 A)的6.7%,电量达1.17 C。SPD损坏时,电流出现明显拐点,之后仍有较弱的电流流经SPD, 且其幅值大于第1阶段。

      表 1是初始长连续电流过程引起GPR冲击SPD的4个闪电过程,表中给出对应闪电过程的电流峰值、回击数、闪电初始长连续电流的情况以及SPD损坏时刻之前初始连续电流的基本情况。T0725过程OB1测量系统触发时间滞后导致仅测量到部分初始连续电流的数据,从残压的波形看,SPD损坏发生在回击过程。

      表 1  初始长连续电流过程引起GPR冲击SPD的闪电过程

      Table 1.  Triggered lightning processes of GPR impulse to SPD caused by initial long continuous current processes

      触发闪电过程 回击次数及电流峰值 初始长连续电流特征 SPD损坏时刻前的初始连续电流特征 SPD标称放电电流/kA
      T0626 无回击 长连续电流长达480 ms,2 kA以上电流持续时间长达1.3 ms(只有小量程数据) 20
      T0702 1次回击,电流幅值为19.1 kA 持续时间为433.8 ms,峰值电流为718.5 A,平均电流为146.1 A,中和电量为63.4 C 持续时间为149.2 ms,期间平均电流为173.8 A,泄放电量为25.9 C 20
      T0725 4次回击,最大回击电流为26.1 kA 持续时间为313.6 ms,峰值电流为287.4 A,平均电流为106.8 A,中和的电量为33.5 C 初始连续电流期间未损坏,第1次回击出现异常 20
      T0726 4次回击,最大回击电流峰值大于28.7 kA 持续时间为183.3 ms,峰值电流为1079.2 A,平均电流为176.4 A,中和的电量为32.3 C 持续时间为110.1 ms,平均电流为238.3 A,泄放电量为26.2 C 40
    • 从以上结果可以看到,地网注入的初始连续电流波形不同,冲击SPD的效应差别很大。有多个方面的因素影响SPD效应,除了初始电流的幅值、释放的电量等重要因素外,电流上升沿的快速变化以及电量释放的缓慢程度等都有影响。由表 1可见,T0725初始电流阶段SPD没有损坏,可能是因为电流幅值比较小,但其释放电量并不小,甚至大于T0702过程的电量。而T0702和T0726 SPD损坏时,两者释放的电量差别不大,但前者造成20 kA的SPD损坏,后者造成40 kA的SPD损坏,起决定性作用的参数将从流经SPD的能量和触发闪电电量的变化曲线寻找。

      将SPD两端的残压和流经SPD电流的乘积在时间上的积分称为流经SPD的能量,表 1中的4个过程,初始连续电流过程只有T0702和T0726可以完整计算能量。图 6为两者SPD损坏之前0.5 ms时间内能量值和时域内能量累积曲线。由能量累积曲线可知,能量累积存在相对较快上升的阶段,在其前后的阶段能量累积变化较缓慢,这是流经SPD电流的主要阶段,其主要特点是电流幅值较大,持续时间较长。由前述分析可知,能量贡献的主要阶段正是初始长连续电流过程中上升沿较为快速且电流幅值较大的阶段,从这个角度讲,或许这是影响SPD能量最关键的因子。T0702过程在SPD损坏时,能量累积达到1169.9 J,T0726则为1037.5 J,后者累积的能量虽小,但造成的是40 kA SPD损坏,这可能是因为后者冲击的能量比前者更集中,分析发现,后者快速上升至1000 J的时间约为8 ms,而前者则为14 ms左右。由0.5 ms能量累积曲线同样可见,T0702最大值为71.0 J,且在能量主上升阶段出现了较多振荡,而T0726过程对应0.5 ms能量的最大值为143.1 J, 在能量主上升阶段呈单脉冲特征,也就是说T0726过程,冲击SPD的能量更快速、更猛烈,而T0702相对较缓和。

      图  6  T0702和T0726流经SPD 0.5 ms能量值和时域能量累积曲线

      Figure 6.  The energy accumulated in 0.5 ms and time domain of current flowing through SPD during T0702 and T0726

    • T0725由于触发阈值设置偏高,测量系统未能完整记录初始连续电流过程的数据,故其流经SPD的能量也无法计算,但可以从触发闪电电量的分布和累积解析不同波形的冲击效应,以下将初始电流过程SPD损坏的T0702和未损坏的T0725进行对比分析。由图 7可知,T0702当闪电电流累积到25.1 C时,SPD损坏,而T0725电量累积到33.5 C仍无损坏,对比可见,T0725整个过程电量累积值虽然较高,但其电量释放的时间比T0702长,前者为313.6 ms,而后者为109.1 ms。另外,0.5 ms内的电量累积值差别更大,T0702过程在0.1 C线以上的持续时间很长,最大值可达0.28 C,而T0725则小很多,0.1 C线以上的点很少,最大值仅为0.14 C,这表明T0725电量释放不集中,这也导致流经SPD的能量相对分散,最终造成两者冲击SPD完全不同的结果。

      图  7  T0702和T0725触发闪电0.5 ms电量和时域电量累积曲线

      Figure 7.  The quantity in 0.5 ms and time domain quantity accumulation curves of triggered lightning current during T0702 and T0725

    • 经过对夏季观测试验的分析,主要得到如下结论:

      1) 触发闪电注入地网后,地网GPR电压反击通过SPD接地线进入电源系统的能量较大,触发闪电的初始长连续电流和继后回击的共同作用易造成额定通流量的SPD损坏,而且仅有长连续电流过程,当流经SPD的能量累积达到一定程度也会损坏SPD。

      2) 波形不同的初始长连续电流,冲击SPD的效应存在很大差异。当长连续电流过程叠加上升沿快速、较大电流幅值的ICCP时,流经SPD的能量迅速增加,这是长连续电流过程中SPD损坏的最关键因子。

      3) 当初始长连续电流过程持续达到149.2 ms,期间平均电流达173.8 A,泄放电量量级为25.9 C,流经SPD的能量达1000 J左右,可造成标称放电电流20 kA的SPD损坏;当初始长连续电流过程持续达到110.1 ms,期间平均电流达238.3 A,泄放电量量级为26.2 C,流经SPD的能量达1000 J时,可造成标称放电电流40 kA SPD损坏。

      文中对触发闪电注入地网初始连续电流阶段GPR冲击SPD进行了试验和分析,闪电过程类似于地闪回击间的连续电流过程以及高建筑物上行闪电的初始连续电流过程。对于SPD的冲击损坏,目前更多研究关注高压实验室的电流或电压脉冲,而由地网GPR冲击SPD的研究相对较少。从试验观测看,当触发闪电注入到地网时,除了少数几个过程(只有长连续电流且电流非常小的过程)外,大部分过程都可造成20 kA SPD的损坏,且从外观上看,损坏异常严重,外壳大多炸裂,内部也有明显穿孔,表 1中4个个例,T0626过程造成SPD损坏相对较轻,其由单一的初始长连续电流过程引起,而T0702和T0726过程的SPD损坏严重,是由初始长连续电流和其后的回击过程共同作用的结果。SPD的损坏是闪电放电过程中多个子过程共同作用的结果,因此,无法给出初始连续电流过程对应SPD损坏的细节特征。虽然低压SPD的相关标准并未规定诸如方波(长连续电流波)的测试,但电力系统交流无间隙金属氧化物避雷器有相关规定,从本文的试验看,测试很有必要。标称放电电流为20 kA的氧化锌SPD在实验室测试波形为波前上升时间8 μs,半峰宽度为20 μs,假设电流全部流经SPD,其电量可达367.7 mC,按T0702过程中主要阶段的平均残压为813.8 V计算,一次冲击流经SPD的总能量约300 J;按上述标准波形40 kA计算,其电量为694.6 mC,T0726主要阶段平均残压796.7 V,一次冲击过程流经SPD的能量约为553 J。综合上述分析可见,T0702和T0726过程GPR损坏SPD时,实测流经SPD的能量远大于高压测试8/20波形的能量值,因为连续电流的能量累积相对较缓慢,但能量不断累积,达到极限时,SPD同样也会损坏,特别是在长时间连续电流过程上叠加上升沿较快速的脉冲(ICCP)时,SPD更易损坏,T0726就属于这种情况。本文仅基于观测结果得出上述定性结论,关于初始连续电流过程叠加ICCP的定量结果有待进一步研究。

参考文献 (28)

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