基于暫態電壓原理監測雷電防護裝置

李勤偉　陳瑜杰

摘要：針對低壓電器中的雷電防護裝置產生擊穿的問題，通過對雷電流作用下，雷電防護裝置擊穿時內部產生的暫態過電壓的理論進行分析。通過組合波發生器模擬雷電流，對常用雷電防護器件進行沖擊試驗，提出了利用暫態電壓原理進行監測的方法。試驗結果得出：傳感器感應電壓隨沖擊電流的增大而線性增加；沖擊電壓相同時，壓敏電阻的感應電壓大于氣體放電管；測試器件相同的情況下，表面尺寸小的傳感器響應速率快，感應電壓范圍廣。

關鍵詞：雷電防護 雷電流 暫態電壓 壓敏電阻 氣體放電管

中圖分類號：TM83 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0159-04

伴隨著科學技術的不斷延伸與發展，電子電氣設備已經被廣泛運用于工業與工程的各個領域。由于集成化密度的不斷增加及大量微電子元件的使用，儀器設備承受過電壓的能力相應大幅降低。當作用于設備內部的過電壓超過耐受電壓時，會影響其正常運行甚至造成一定程度的損壞。為了最大程度地限制雷電過電壓及靜電感應對相關儀器的損壞，可以通過安裝雷電防護裝置以保障儀器設備的安全運行。雷電防護裝置不僅能夠有效地降低過電流損壞儀器設備的可能性，還可以針對設備運行過程中產生的操作過電流進行一定程度的抑制。然而，作為安全器件，雷電防護設備的損耗及毀壞難以避免。為了保證儀器設備持續穩定的運行，需要對雷電防護裝置進行嚴格的狀態監測。

目前，防雷從業人員主要采用磁鋼剩磁法、羅氏線圈法對雷電防護設備進行狀態監測。磁鋼式剩磁法采用具有較好剩磁特性的新型材料制作成磁鋼棒，再通過高斯算法計算出磁鋼棒剩磁，實現雷電流的監測。羅氏線圈法則通過設計出的傳感器測量得到雷電流[5]。上述方法均為監測防雷裝置提供了有力依據。然而，暫態電壓監測法在上述監測方法的基礎上還具有安全系數高、響應速率快、操作靈活性強、適用范圍廣等優點。

該文對氣體放電管、壓敏電阻進行沖擊試驗，采用表面尺寸分為60 cm×50 cm、50 cm×40 cm、40 cm×30cm的傳感器進行感應測試。通過試驗證明了利用暫態電壓原理實現雷電防護裝置監測的可行性，為理論后續的實踐運用提供了可行性依據。

1 暫態電壓的理論分析

如圖1所示，R為雷電防護設備內部的ZnO壓敏電阻。當設備內部發生擊穿時，放電源周圍的感應電磁場使傳感器產生暫態電壓。

如圖2所示，媒質Ⅰ為雷電防護設備發生擊穿時的等效放電源，媒質Ⅱ為傳感器外表面的金屬銅皮，中間為分界層。

H+為入射電磁波，H-為反射電磁波，E+為入射波電場強度，E-為反射波電場強度。

2 試驗方案及結果分析

2.1 試驗方案

沖擊試驗原理如圖5所示，采用組合波發生器（、）模擬雷電流侵入雷電防護裝置。將測試器件與組合波發生器連接后放置在傳感器表面，再通過示波器得到相應的感應電壓波形。通過對氣體放電管和壓敏電阻先后進行沖擊，測量出不同尺寸傳感器所得感應電壓。研究傳感器兩端的感應電壓隨沖擊電流的變化關系，對監測方法進行驗證并比較不同尺寸的傳感器分別對氣體放電管和壓敏電阻的感應效果。傳感器表面尺寸為60 cm×50 cm、50 cm×40 cm、40 cm×30 cm。所用最大沖擊電流為5 kA，步長為500 A。

2.2 實驗結果及數據分析

圖6為傳感器在1 kA的沖擊電流作用下，兩端感應電壓波形圖。測試器件為氣體放電管時，傳感器在3μs內將瞬態感應電壓箝位在3.2 V以內，隨后逐漸遞減。測試壓敏電阻時，感應電壓峰值為4.7 V。根據U2，能夠判斷SPD的擊穿情況。

2.2.1 不同表面尺寸的傳感器的試驗數據

如圖7所示，表面尺寸為60 cm×50 cm的傳感器先后對壓敏電阻、氣體放電管進行感應測試，所得感應電壓隨沖擊電流呈正相關均勻線性分布。沖擊電流相同時，壓敏電阻的感應電壓大于氣體放電管的感應電壓。測試壓敏電阻時，感應電壓范圍為14.2～33.6V。測試壓敏電阻時，感應電壓由8.4 V線性增至23.1 V。氣體放電管的感應電壓隨沖擊電壓的變化趨勢較壓敏電阻相對平緩。

如圖8所示，表面尺寸為50 cm×40 cm的傳感器測試壓敏電阻時，感應電壓由10.4 V線性增長至28.5 V。測試氣體放電管時，感應電壓由7.2 V逐漸升至20.6 V。在相同的沖擊電壓下作用下，氣體放電管的感應電壓小于壓敏電阻，測試器件為壓敏電阻時，感應電壓隨沖擊電壓的變化曲線較氣體放電管時相對陡峭。

如圖9所示，表面尺寸為40 cm×30 cm的傳感器測試壓敏電阻，感應電壓由8.8 V線性升至25.8 V。測試氣體放電管時，感應電壓范圍為6.6～18.4V。沖擊電壓相同的情況下，傳感器測試壓敏電阻時的感應電壓大于氣體放電管。

2.2.2 不同測試器件的實驗數據分析

測試壓敏電阻時，不同表面尺寸的傳感器兩端的感應電壓隨沖擊電壓的變化趨勢相同。在沖擊電壓相同的情況下，表面尺寸為40 cm×30 cm的傳感器兩端的感應明顯大于表面尺寸為60 cm×50 cm和50 cm×40 cm。

測試器件為氣體放電管時，不同表面尺寸的傳感器兩端的感應電壓隨沖擊電壓的變化趨勢相同。在沖擊電壓相同的情況下，表面尺寸為40 cm×30 cm的傳感器測兩端的感應電壓較表面尺寸為60 cm×50 cm時和50 cm×40 cm時低，說明其響應速率快，能夠更加及時地監測雷電流的擊穿動作。

3 結語

通過組合波沖擊實驗得到了不同表面尺寸的傳感器測試不同器件時的感應電壓隨沖擊電流的變化關系，并通過對比相應的實驗數據，得出如下結論：

（1）在0～5 kA的沖擊電流作用下，傳感器兩端的感應電壓隨著沖擊電流的增大而線性增加。

（2）相同沖擊電流下作用下，測試壓敏電阻時所得感應電壓明顯大于氣體放電管，與防護器件的殘壓特性相符。

（3）測試相同器件時，表面尺寸小的傳感器感應電壓小。

參考文獻

[1] 徐真，傅正財.剩磁法在雷電流幅值檢測中的應用研究[J].電氣技術，2011（4）：6-9.

[2] 馬儀，周文俊，孫偉忠，等.雷電流傳感器羅氏線圈的研制及測試[J].南方電網技術，2011（6）：39-42.

[3] 王有元，李寅偉，陸國俊，等.開關柜局部放電暫態對地電壓傳播特性的仿真分析[J].高電壓技術，2011（7）：1683-1688.