100m 架空網線感應過電壓特征分析

潘漢波, 顏 旭, 陳紹東

(1.從化市氣象局,廣東從化510925;2.廣東省防雷中心,廣東廣州510080)

0 引言

雷電災害是全球十大自然災害之一,全世界每年因雷電引起的財產損失和人員傷亡不計其數。特別是隨著社會科技的進步,微電子技術飛速發展,電子設備集成程度越來越高以及網絡的大范圍普及,雷電電磁脈沖(Lightning electromagnetic pulse,LEMP)引起的瞬態感應過電壓以導線傳輸、空間傳輸以及復合傳輸方式[1-4],耦合到線路上形成的瞬態過電壓通過網線傳入網絡電子設備,對網絡電子設備以及設備操作人員的安全造成極大威脅。現階段,LEMP防護已經成為雷電防護研究領域的焦點[5]。當前對于LEMP的研究主要集中在理論研究或是在實驗室條件下對過電壓一些特性進行研究[6],利用2011年在廣州采集到的自然閃電和人工觸發閃電條件下架空網線感應過電壓數據,對其波形特征進行分析研究,希望能對網絡電子設備在防護因LEMP沿網線傳輸或耦合到網線上的過電壓侵入提供一些參考。

1 試驗布置

2011年,在廣州野外雷電試驗基地開展了人工觸發閃電和自然閃電條件下架空網線感應過電壓觀測試驗。圖1是測試的現場布置圖,在試驗場引流桿西面布置100m五類雙絞八芯架空網線,架空高度為4.0m,網線南端懸空沒有接地,北端直接接入MODEN,MODEN沒有接地。感應過電壓測試采集系統安裝在北端,如圖1所示,由網線芯線直接接入200倍分壓器,分壓后的電壓信號經過100倍衰減器接入采集器,測量數據通過IP地址由光纖傳至引雷控制室內的計算機。采樣頻率為5MHz,采樣時間為8s。

圖1 網線感應過電壓測試試驗現場布置圖

2 數據分析

網線感應過電壓測試試驗期間,共采集3次人工觸發閃電和15次自然閃電的感應過電壓數據。采集的人工觸發閃電數據都是只有連續電流過程,沒有回擊,分別為7月16日兩次,記為T182302(T代表觸發,182302代表觸發時刻為18點23分02秒,以下類同)和T182551,7月30日的一次記為T180026。自然閃電7月16日采集到1次,記為N180850(N代表自然,180850代表觸發時刻為18點08分50秒,以下類同),7月17日采集到8次數據,7月18日采集到3次數據,7月31日采集到3次數據;通過分析發現15次自然閃電引起網線感應過電壓特征都較為類似,同樣,人工觸發閃電引起的感應過電壓波形特征[7-8]也較為類似,就觸發閃電和自然閃電分別選取一個具有代表性的例子進行分析。

2.1 人工觸發閃電T182302網線感應過電壓情況

圖2是人工觸發閃電T182302的初始連續電流引起的100m網線感應過電壓總波形圖,由圖可見,近距離觸發閃電在網線上的感應過電壓波形較復雜,在過電壓波形主脈沖之前就有較多小脈沖,這應該是觸發閃電先導形成之前的“引導先導”放電過程[9-10]。由圖3(a)可見,在-4.3314ms時波形有個突變,電壓有明顯的脈沖,之后電壓緩慢上升,到0ms左右電壓又出現很多脈沖,主電壓區還是在0～4ms。感應電壓達到峰值后緩慢下降,下降的過程比較長,其原因是在布置100m網線的時候,網線沒有進行接地處理,所以波形出現脈沖后沒有立刻消失,而是呈緩慢的衰減過程。在之后60ms和95ms左右出現兩次明顯的脈沖,脈沖極性以負極性為主,如圖3(b)所示。整個過程大部分為正極性感應過電壓,正極性感應過電壓幅值達 3.59kV,負極性感應過電壓幅值為0.89kV,總持續時間為454.43ms,感應的過電壓幅值遠遠高于網線連接的微電子設備耐擊穿水平,且過電壓持續時間較長,在這種情況下,設備很容易被損壞[11-12]。

圖2 T182302初始連續電流引起的100m網線感應過電壓總波形圖

圖3 T182302初始連續電流引起的100m網線感應過電壓放大波形

表1列出了3次人工觸發閃電對應的雷電流幅值、持續時間及對應的網線感應過電壓幅值和持續時間,由表可見,近距離人工觸發閃電在網線上的感應過電壓較大,都能到達幾千伏,且持續時間都在幾百毫秒,感應過電壓幅值和持續時間與雷電流大小并沒有很好的相關性。由于T180026電流較小,相應的網線的感應過電壓也較小,T182302和T182551兩者連續電流持續時間相當,對應過電壓持續時間也差不多。波形表現出以正極性感應電壓為主,負極性感應電壓只占少部分。

表1 3次觸發閃電初始連續電流階段感應過電壓參數

2.2 自然閃電試驗情況

自然閃電在試驗期間共成功采集到15次數據,其中網線感應過電壓對應有閃電定位資料的記錄有7月16日的N180856、7月17日的N182540、7月18日的N155032、7月31日的N171201、N171402、N172406共6個事件。6個事件的閃電定位位置和距離如圖4所示。

圖4 自然閃電定位位置和距離圖

表2 有閃電定位資料的網線感應過電壓事件對應參數表

由表2和圖5可見,測量到有感應過電壓數據的閃電都在3～8km,電流幅值-7.5～-84kA,由于閃電回擊引起的網線過電壓變化最大值為560.3V,最小值為95V。通過16次回擊引起的過電壓變化和對應回擊電流與距離的比值(I/d)的線性擬合曲線看[13-14],兩者有較好的線性關系,擬合曲線為y=20.13x+92.04,相關系數達到0.801。由于網線感應過電壓的大小不僅與回擊電流、回擊距離有關,而且與閃電的位置,也就是閃電磁場與線路的入射角有較大的關系,所以考慮這些因素,并不完全是線性的關系。

圖5 16次回擊網線電壓與電流和距離比值的線性擬合

圖6 7月16日N180856引起的100m網線感應過電壓曲線

2.3 舉例分析

通過對采集到的15次自然閃電在網線上的感應過電壓波形發現,所有數據表現的波形特征基本一致,文中選取2011年7月16日記錄的閃電N180856進行分析,通過閃電定位資料確定該閃電發生于網線布置點正北約3km處。

圖7 7月16日N180856回擊引起的100m網線感應過電壓放大曲線圖

圖6是7月16日自然閃電N180856引起的100m網線感應過電壓圖,該次閃電有3次回擊,前面兩次回擊較為明顯,第3次回擊過程很小,發生在約210ms。首次回擊,網線上感應過電壓199V,第2次回擊,網線感應過電壓約72V,第3次感應過電壓較小,只有47V。從總體波形看,網線由于沒有接地,在首次回擊前由于先導等放電過程,會產生較小的電壓波動,這種電壓波動不會立刻消失,呈緩慢衰減的趨勢,回擊產生后過電壓迅速上升,到最高幅值后緩慢衰減,這種衰減在整個回擊間隔持續,下次回擊發生時,過電壓才會有明顯的突變,然后又繼續緩慢衰減,在衰減的過程中如果遇到較小的回擊,如圖5(c)所示,回擊電壓變化會疊加在總體衰減的趨勢上。由放大波形圖7可見,回擊發生瞬間會有瞬間的電壓變化,然后會有較小的駝峰,之后會緩慢上升,基本所有的網線過電壓都有這樣的情況。15次自然閃電共計28次回擊的網線上感應過電壓如表3所示,最大的一次自然閃電感應過電壓是N171201,正峰值為205.1V,負峰值為630.3V,網線正、負電壓平均值都約為120V。

表3 自然閃電引起網線感應過電壓

對比近距離觸發閃電和自然閃電條件下的網線感應過電壓波形變化,發現兩者整體變化趨勢相似,都是在較短時間內感應過電壓迅速升高,到達峰值,然后呈緩慢衰減趨勢,不同的是,由于閃電發生位置的不同,近距離觸發閃電在網線上的過電壓幅值較高,持續時間相對更長,且在近距離觸發閃電時,過電壓波形成分較多,有較多小脈沖,這是由“引導先導”放電過程引起的,較遠處的自然閃電對這種現象表現得不是很明顯。遺憾的是,近距離觸發閃電沒有回擊,所以回擊引起的感應過電壓幅值及波形上升陡度等特征沒有觀測到,其與連續電流引起的過電壓特征會有一定的區別,在將來的試驗會進一步觀測。

3 結論與討論

通過分析主要得出以下的結論:

(1)近距離觸發閃電時,網線上的感應過電壓峰值較大,3次觸發閃電平均過電壓峰值約4.7kV;(2)自然閃電引起的網線過電壓峰值能達到幾百伏,28次回擊正負過電壓平均值都為120V左右;(3)通過研究有閃電定位資料的自然閃電發現,引起的過電壓變化和對應回擊電流與距離的比值(I/d)的線性擬合度較好,相關系數達到0.801,但影響網線感應過電壓大小的因素較多,所以并不完全是線性關系;(4)由于近距離閃電靜電場、感應場和輻射場的共同作用,近距離閃電引起的網線過電壓波形相對比較復雜,持續時間也相對較長。

過電壓波形的峰值變化代表擊穿電壓,波形持續時間長代表發熱多,所以網線在近距離觸發閃電條件下,受到過電壓的威脅非常大。更為重要的是,過電壓通過線路傳導進入交換機等設備,現代電子設備的耐沖擊水平普遍比較低,所以在近距離閃電發生時,設備很容易就被過電壓擊穿或者發熱燒壞[15]。另外,通過多年的觀測發現LEMP通過線路的耦合,過電壓衰減比較明顯,在3～8km的自然閃電能感應出幾十伏甚至幾百伏以上的過電壓,10km里以外的閃電其過電壓幅值較小。3～8km的自然閃電也是網線過電壓防護值得關注的區域。

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