雷電實驗室的建立及常見故障分析

牛 萍，田德寶，吳明江，蔣煥宇

NIU Ping，TIAN Debao，WU Mingjiang，JIANG Huanyu

(嘉興市氣象局，浙江 嘉興314050)

雷電是一種劇烈的大氣現象，雷電閃擊過程中會產生強大的雷電流和高電位，雷電壓可高達數百萬伏特，瞬間電流可高達數百千安培。雷電不但對建筑物構成巨大的危害，而且對電力、信息系統等也造成了很大的干擾與破壞。因此，對雷電防護裝置的研究是一項刻不容緩的工作。

電涌保護器(SPD)作為限制暫態過電壓和分泄電涌電流的器件，在防雷減災工作中發揮著重要的作用。目前市場上的電涌保護器品種繁多，型號各異，劣質的電涌保護器不但起不到應有的防護效果，而且會形成一定的安全隱患。為了保證流入市場電涌保護器的質量，使建筑物所裝設的電涌保護器能夠起到預期的防護效果，對其進行重要的性能測試是一項非常必要的工作。

1 雷電沖擊大電流試驗平臺的組成及其原理

設備主要用于低壓配電系統SPD 的Ⅰ、Ⅱ類試驗和低壓電信系統SPD 的D 級試驗［1-6］，用于產生雷電沖擊電流對避雷器閥片、比例單元和電涌保護器等進行沖擊電流試驗及殘壓值的檢測。設備可以產生8/20 μs 標準雷電沖擊電流和10/350 μs 的沖擊電流波形。設備主要包括:沖擊電流發生器的本體充放電回路、控制系統及測量系統等幾個部分，見圖1。

圖1 沖擊大電流試驗設備組成框圖

1.1 設備相關額定參數

(1)額定充電電壓:電容器的額定充電電壓為18 kV或72 kV;

(2)發生器總電容量:MCF 18 -40 ×2 脈沖電容器8 臺，每2 臺為1 組安裝;

(3)總能量:103.68 kJ;

(4)輸出電流波形:±8/20 μs、±10/350 μs 沖擊電流;

(5)輸出電流幅值:±8/20 μs 沖擊電流幅值10～100 kA，±10/350 μs 沖擊電流幅值2～20 kA。

1.2 主體充放電回路及產生兩種雷電沖擊電流波形原理

沖擊電流發生器的本體包括可控硅、原邊充電電阻、充電變壓器、高壓硅整流器、直流電阻分壓器、保護電阻和自動接地裝置。

沖擊電流發生器的充電回路是利用可控硅移相觸發調壓的原理，通過直流高壓分壓器反饋的電壓信號實時控制移相觸發信號，達到精確控制電容器的電壓、輸出穩定脈沖電流。利用變壓器原邊繞組的不同的連接方法，達到兩種不同電流波形輸出所需要的充電電壓。充電方式采用橋式全波整流充電方式，充電變壓器容量20 kVA，充電極性通過電機旋轉自動調節。充電變壓器、高壓整流器和保護電阻放在金屬底盤上，變壓器采用低壓側雙線圈形式，可串可并，也可有效提高兩種不同電容量的充電時間和安全性。

沖擊電流發生器的放電回路是當自動接地裝置接地時，接地電阻泄放電容器上的剩余電荷，自動接地裝置采用電磁鐵分合結構，試驗結束后，接地裝置能自動接地。8/20 μs、10/350 μs 正負極性雷電沖擊電流發生器接線圖見圖2。

圖2 8/20 μs、10/350 μs 正負極性雷電沖擊電流發生器接線圖

1.3 沖擊電流發生器的測量系統和控制系統

雷電沖擊大電流試驗設備由“ATS 波形分析系統”測量，測量系統由TDS 示波器、工控機和打印機UPS、隔離電源、軟件等組成。波形分析系統安裝在操作臺的工控機內，根據要求連接波形分析系統的測量電纜，且將測量電纜的接地屏蔽做好。計算機通過光纖與TDS 系列數字示波器通訊，示波器采集并記錄沖擊發生器的輸出波形，計算機讀取示波器的數據，進行后續數據處理，得到符合標準定義的參數，如波前時間、半峰值時間、脈沖電流峰值、試品殘壓值、電荷量、W/R 等。

控制系統主要由計算機、可編程序控制器(PLC)、觸摸屏、可控硅調壓裝置、充電電壓測量裝置、觸發球隙控制裝置、點火脈沖放大器、接地裝置、PLC 控制柜和電氣柜等組成。計算機通過光纖與PLC 進行通訊，運用專業軟件編程設計成便于操作的控制工作界面，系統的運行參數及測量結果以數字量形式在界面上進行實時顯示。在顯示屏上可以完成沖擊發生器所有設定、運行、測量等參數，即可設定沖擊發生器的直流充電電壓、充電時間、觸發放電球距、觸發方式和極性自動換接等，并監控和測量其運行狀態。

2 嘉興市雷電實驗室建設情況

2.1 實驗室功能布局

該實驗室主要由試驗區、操作室、辦公區、倉儲間等部分組成，功能布局見圖3。

2.2 發生器本體

沖擊電流發生器本體由可控硅、原邊充電電阻、充電變壓器、高壓硅整流器、直流電阻分壓器、保護電阻和自動接地裝置等組成。見圖4。

圖3 嘉興市雷電實驗室功能布局

圖4 雷電沖擊大電流試驗設備本體

2.3 操作臺測量控制系統

測控系統的所有操作功能都集成在操作臺，人機界面設計比較友好，操作臺面板主要由LCD 液晶顯示器和各操作按鈕組成。見圖5。

圖5 雷電沖擊大電流試驗設備控制臺

2.4 實驗室建設要求

2.4.1 屏蔽措施

由于雷電實驗過程中會產生對人體有所損壞的電磁波，故應該對實驗設備所處的空間進行屏蔽處理。嘉興市雷電實驗室采取的是將實驗設備所處的空間采用0.15 mm 厚紫銅板進行六面屏蔽處理，其中所有觀察窗戶及設備大廳窗戶全部采用雙層密金屬網夾在三層鋼化玻璃的屏蔽方式，通風孔采用120 mm 厚度蜂窩式波導窗的連接方式。

2.4.2 電源隔離

為了設備操作人員的安全，一般將實驗的輸入電源采用1：1 的工頻變壓器與市電進行隔離，操作人員無論碰到線路中的哪一根線都不會有觸電的危險，因為隔離電源與大地是沒有連接的。要求兩個系統之間的電源地線隔離，如隔離地線噪聲、隔離高共模電壓等，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個電源之間隔開，使他們相互獨立。

2.4.3 接地系統

實驗室接地一般分為工作接地保護接地、特殊防護接地和防雷接地，其中工作接地包括為保證要求接地的儀器設備穩定工作而設置的接地以及為交流和直流電源系統提供的接地;保護接地是為保障人身及設備安全而設置的接地，在絕緣損壞或漏電等故障條件下才發揮作用;特殊防護接地是為防護靜電、防護電磁干擾等提供的接地;防雷接地是為保證建筑物防雷裝置可靠工作而設置的接地。

《電業安全工作規程(高壓試驗室部分)(DL 560—1995)》規定:高壓試驗室(場)必須有良好的接地系統，以保證高壓試驗測量準確度和人身安全，接地電阻不超過0.5 Ω。試驗設備的接地點與被試設備的接地點之間應有可靠的金屬性連接，試驗室(場)內所有的金屬架構，固定的金屬安全屏蔽遮(柵)欄均必須與接地網有牢固的連接，接地點應有明顯可見的標志。具體為實驗室、觀察室及實驗大廳沿墻應預留接地銅排作為設備接地用，可以選用5 mm ×50 mm 的紫銅排，離地高300 mm，離墻壁50 mm 的空間安裝;且每隔2 m 處預留接地固定樁;同時在沖擊大電流設備充電裝置附近設置一個接地點。

2.4.4 其他配套系統

(1)試驗室應保持光線充足，門窗嚴密，通風設施完備。通往試區的門與試驗電源應有聯鎖裝置，當通往試區的門打開時，應發出報警信號，并使試驗電源跳閘。戶外試驗場宜有電源開關緊急按鈕，以便在發生危急情況時可迅速切斷電源。

(2)試驗室(場)內地面平整，留有符合要求、標志清晰的通道。室內布置整潔，不允許隨意堆放雜物。試驗室周圍應有消防通道，并保證暢通無阻。

(3)高壓試驗室應按規定設置安全遮欄、標示牌、安全信號燈及警鈴，控制室應鋪橡膠絕緣墊。

(4)根據試驗室的性質和需要，配備相應的安全工器具，防毒、防射線、防燙傷的防護用品以及防爆和消防安全設施，配備應急照明電源。

3 設備易發生的主要故障及解決辦法

3.1 接地裝置無法正常接地

故障分析:在經過長時間的瞬時接地后，接地桿與接地電磁鐵軸的連接件有所松動，使得圖6 中所示的接地桿與放電板無法接觸。

解決辦法:(1)將接地裝置支撐下的四個固定螺絲松開;(2)將整個裝置向右平移至接地桿不碰到放電板的位置，然后將接地桿與電磁鐵間的連接件松動;(3)緊接著在限位檔板頂住接地限位的時候，將連接間的螺絲擰緊;(4)將接地裝置放回原處，安裝好固定螺絲;(5)適當調整限位檔板，使其能夠頂住接地限位。

日常維護建議:(1)為了使接地裝置正常工作，建議定期檢查，發現故障及時排除;(2)建議不要長時間連續使用接地桿。接地裝置部件見圖6。

圖6 接地裝置各部件

3.2 觸發球隙放電異常

故障分析:正常狀態下觸發球隙在接收到觸發指令后，球隙間的火花能夠在觸發球芯處看到火花并能在觸發球的外面聽到火花聲音;而非正常狀態下，火花不僅看不到而且火花的聲音是從觸發球的內部傳出來的。

解決辦法:(1)在設備安全接地的情況下，將觸發球從設備上撤除下來;(2)將觸發球芯從觸發球上拆下來;(3)將觸發球表面及球孔氧化部分用細砂紙打磨光亮(去掉氧化部分);(4)將取出的球芯部位包一層AB 膠，等膠牢固后，將球芯的頂部用砂紙將其露出來;(5)然后將其安裝回原位。

所涂的AB 膠不允許超過球孔的直徑;球芯處無須用砂紙打磨。

日常維護建議:在設備使用過多的情況下，放電球是最容易消耗的部件，建議備份一對。觸發球見圖7。

圖7 觸發球

3.3 脈沖觸發箱工作異常

故障分析:正常狀態下脈沖觸發箱是可以通過手動按鈕看到觸發球隙的火花并聽到火花聲音在觸發球外響;不正常狀態為脈沖觸發箱通過手動按鈕既看不到火花也聽不到聲音。

解決辦法:(1)在設備安全接地的情況下，將觸發箱的蓋子打開;(2)拔掉觸發箱外的高壓線;(3)用尖嘴鉗將觸發箱高壓輸出端的檢測電極距離觸發箱外殼約5 mm(圖8);(4)給觸發箱通電，通過手動按鈕觀察檢測電極處是否對觸發箱外殼放電;(5)判斷，如果放電說明觸發箱工作正常，如果不放電說明觸發箱工作不正常。

日常維護建議:建議備份一臺。

3.4 要定期對設備進行保養及修理

(1)要經常清理，避免灰塵，絕緣器件要保持干凈，打掃時不能用棉質或紙質的材料;

(2)閑置時要防止受潮;

(3)使用一段時間后，機械傳動部分要加潤滑油;

(4)各部件有漏油或異響時，要停止使用，等維修后才能使用;

(5)對某些易耗物品，如脈沖電容器、觸發球隙、脈沖觸發箱等進行備份。

圖8 觸發箱內部

4 結 語

雷電沖擊大電流試驗平臺的建立可以模擬雷暴發生時首次雷擊和后續雷擊時的電流波形，實現雷電危害性研究及防雷產品有關性能測試，填補了防雷技術服務機構在防雷產品標稱放電電流、最大放電電流及殘壓等性能測試這一領域的空白，可以進一步提升防雷技術服務的能力，提高防雷產品的社會監督管理力度，從源頭上消除防雷安全隱患。此外，通過雷電沖擊大電流試驗平臺的長期操作運行，總結了設備易發的故障和解決方法，可作為操作人員排除故障的參考，從而保障設備安全可靠運行。

［1]西安高壓電器研究院有限責任公司，國網電力科學研究院.GB/T 16927.1—2011 高電壓試驗技術第1 部分:一般定義及試驗要求［S］.北京:中國標準出版社，2012.

［2]西安高壓電器研究院有限責任公司，國網電力科學研究院.GB/T 16927.2—2013 高電壓試驗技術第2 部分:測量系統［S］.北京:中國標準出版社，2013.

［3]信息產業部電子工業標準化研究所. GB/T 17626.5—2008 電磁兼容試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗［S］. 北京:中國標準出版社，2008.

［4]西安電瓷研究所，國網電力科學研究院，中國電力科學研究院.GB 11032—2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.北京:中國標準出版社，2011.

［5]上海電器科學研究所(集團)有限公司，西安高壓電器研究院有限責任公司.GB 18802.1—2011 低壓電涌保護器(SPD)第1部分:低壓配電系統的電涌保護器性能要求和實驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2012.

［6]國家電力公司武漢高壓研究所.GB/T 18802.21—2004 低壓電涌保護器第21 部分:電信和信號網絡的電涌保護器(SPD)性能要求和試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2004.