關于I級分類試驗的10/350us波形研究分析

周昕煒+吳利強+吳丹

摘 要：通過著重論述10/350 us波形在工程應用中的不足，對此波形的出處和其合理性進行了仔細的研究和分析，認為在實際的工程應用中，應摒棄基于10/350 us波形理論制造的放電間隙避雷器的使用。

關鍵詞：10/350 us波形；雷電參數；正極性地閃；防雷

中圖分類號：TU895 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.103

文章編號：2095-6835（2016）11-0103-02

隨著科技的進步和人們在生產中的實踐，通過慢慢積累的經驗發現，很多按照10/350 us波形設計的避雷器在很多場合并不能達到人們預期的防護效果，有的時候甚至起到了相反的作用：①在2005年，中國的一項研究（包括上萬個根據10/350-LPZ理論保護的電信基站）顯示超過7%的基站受到雷擊的破壞。這比IEC61312-1標準所預測的超出了不止700%.②2003年以前，MSA（中國海事安全管理局）的基站年損壞率是30%，而這些基站都在以10/350 us波形為基礎的標準防雷設施的保護下，有些基站每年都會遭到破壞。后來，MSA拆除了所有的火花間隙，并安裝上了MOV技術的電涌保護器。在接下來的10年里，這些基站里的設備均未再受到雷擊的破壞。③2008年，受過10/350 us波形專業訓練的一些防雷專家指出，只有充分理解及應用10/350 us波形、雷電保護區域以及火花間隙防雷器，才有可能使鐵路的信號機控制系統免遭雷電的破壞。然而，采用了按10/350 us波形設計的避雷器后，卻發生了7.23動車事故。在2012-12月，在北京舉辦的第一屆國際車聯網研討展覽會上，有人提出了一個觀點，就是簡單而有效的雷電防護不是建立在受到10/350 us波形控制的標準上的，中國動車事故本可避免。這樣的例子數不勝數，越來越多的人開始質疑10/350 us波形的合理性和真實性。那么10/350波形是怎么由來的呢？我們必須究其根源。

1 10/350 us波形的由來

10/350 us波形最早采納的依據是CIGRE（國際大電網會議）在電氣雜志發表的兩篇文章：①1980年發表的第69號文章，題目為《閃電參數在工程中的應用》，作者為R.B.Anderson和A.J.Erikson；②另一篇是1975年發表的第41號文章，題目為《閃電參數》，作者為瑞士科學家Karl.Berger博士。在第一篇文章中，作者主要關注的是雷電流的波頭特性對于工程系統的影響研究，而不是主要關注雷電流的波尾。在文章中作者也一直強調：對于雷電流波尾持續時間還不能很好地進行評估。所以說，第一篇文章關于雷電流的持續沖擊時間是沒有任何幫助的。那么，我們主要討論的就是第二篇文章。這也是許多采用10/350 us波形作為測試試驗波形的重要依據。本文作者Karl.Berger博士花了超過15年時間在阿爾卑斯山上的高塔引雷，并分析雷電流特征，最后總結了10種類型的閃電。在IEC61312-1中，主要關注的是Karl.Berger博士關于正極性地閃首次雷擊的參數，因為正極性地閃首次雷擊的參數具有更長的持續時間和更大的電流、電荷量和能量。因此，10/350 us波形的采用主要參考了Karl.Berger博士關于正極性首次雷擊的參數。

2 對于Karl.Berger博士的質疑

那么，這個研究結果到底有沒有參考性呢？筆者翻閱了大量的資料，并分析了10/350 us波形的特征，認為10/350 us波形在規范中的采用具有牽強性，具體闡述如下。

2.1 采樣樣本不足

Berger博士關于正極性首次地閃的采樣樣本不足，其總共的樣本數只有可憐的26個。這么少的樣本數，連Berger博士本人都覺得是有不足的。在如此之少的樣本面前，這個結論未免會讓人產生懷疑。到了1980年，Berger連續的研究已經使他確信那26次閃電實際上不是正極性的閃電，而是上行閃電。眾所周知，電流的方向是與正電荷的運動方向相一致的，與負電荷的運動方向相反的。因此，這26次閃電實際上是高塔上面的負電荷向雷雨云中釋放地面的負電荷的過程，而非雷雨云向地面釋放正電荷的過程。隨后在1984年，Berger博士和Garbagnati博士將所觀察到的所謂的正極性閃電都歸為了上行閃電。其實，事實也正是如此，通過大量的觀察和分析，科學家們越來越確信，隨著建筑物或金屬物的增高，此建筑物或金屬物上發生上行閃電的概率就會大大增加。在2010年，Diendorfer編目了對閃電的直接測量，取樣地點為美國、意大利、俄羅斯、南非、加拿大、德國、日本、瑞士、奧地利和巴西，研究者們在高塔安裝了儀器。他們的結論是，從大多數的研究看來，高塔上面主要經受的是上行閃電。其實，上行閃電在自然界中是非常罕見的，上行閃電一般只能引發在高于100 m的塔處。如果沒有塔，則幾乎不可能發生上行閃電。在2010—2011，Carlos.Romero在瑞士的阿爾卑斯山上，就是靠近Berger博士引雷的高塔不到200 km的地方，記錄到了30個正極性雷擊。所有的這30個正極性雷擊都是上行雷擊。那么，Berger博士的研究結果關于正極性閃電的參數實際是非常值得懷疑的。

2.2 其波形可能是M-組合的結果

Berger博士所觀察到的上行閃電電流波形有很大的峰值（超過100kA），這可能是M-組合的結果（連續電流上的額外電涌），且這些上行閃電具有很長的持續時間，主要是由于在微妙級的波形看來，可以看作是一個連續的電流，但是毫秒級的波形則代表附加的電涌或連續電流中的M-組合。通俗地說，這些波形可能是由很多后續的雷擊組成了一個看似連續的雷擊。

2.3 該種雷擊閃電在自然界幾乎不存在

200 kA的10/350 us的正極性雷擊閃電在自然界中幾乎不存在：①在巴西，M.M.F.Saba博士組測量了3 000次地閃，其中100次為正極性地閃。在正極性地閃中，只有2次的電流高達100 kA。②A.Hussein博士用高速照相機在多倫多的CN塔測量閃電超過10年，他記錄了200次閃電。其中，只有2次是正極性閃電，兩次的最大峰值電流不到20 kA。③中國廣東叢化引雷實驗基地主任介紹說，還沒有成功引到正極性閃電。④在巴西的東南部，建造于1985年的MCS塔測量正極性地閃。由于數量小，平均峰值電流在統計上不顯著。⑤在Camp Blanding，在Florida的雷電研究和測試國際中心17年的積極努力中，300次閃電中只有3次是正極性閃電。這三次的峰值電流只有幾十千安。越來越多的實驗表明，在自然界中，200 kA的10/350 us的正極性雷擊閃電幾乎是不存在的。

3 具體應用中存在的問題及分析

按照10/350 us波形制作的避雷器主要是開關型避雷器。其中，開關型避雷器中最主要的是放電間隙避雷器。然而，在實際的工程應用中，放電間隙避雷器除了能承受較大的沖擊電流以外，貌似找不出更好的使用這種避雷器的理由了。此種避雷器的反應時間對于絕大多數的設備來說都是無法承受的，因此，這種避雷器必須要和MOV這種限壓型避雷器組合使用，在很多情況下，往往是后一級避雷器已經損壞，而第一級避雷器還沒有工作。因此，此種避雷器的保護效率可想而知有多么的低效率。此外，這種類型的避雷器讓源自電源系統的電流通過，從而導致避雷器退化，并縮短了它們的壽命；這種設計還讓更多的電涌流入到被保護的設備。電涌前端的尖峰對被保護的變壓器的沖擊更有壓力。不容置疑的是，這一代避雷器存在著更高的電涌尖峰。對于一個纏繞了線圈的金屬物體，由于線圈間及每一線圈與金屬內核之間存在分布電容，電壓的分布是不均勻的。頭幾圈的線圈很容易就承受了總電壓的30%～50%，因此，這些線圈比其他的要承受更多的壓力。對于變壓器或馬達，無論大小，一個相當幅度的波形就會導致這種分布不平衡的電壓產生，加在頭幾圈的線圈上。為了減輕這種危害，一般會并聯安裝一個電容，以確保這種入侵的電涌被排除掉。這是一個可行的策略，以確保不會被不平衡的分布電壓的入侵。然而，在馬達或變壓器的端子上使用放電間隙性電涌保護器來達到增加電容量防護電涌電壓的做法有些荒謬。所進入的電涌，會被線間阻抗及并聯電容所慢慢的傾斜，然后突然間轉變成一個急劇的電壓變化，在頭幾圈的線圈里形成一個不平衡的分布電壓。當電涌足夠大的時候，放電間隙放電導通然后電壓就會暴跌。電壓的這個暴跌與急劇上升沒有區別，要緊的不是電壓的下降，而是電壓的急劇變化。因為分布是不均勻的，因此將避雷器安裝在此，它的點火抵消了在此安裝電容器的作用。換句話說，將避雷器與電容器安裝在一起的做法，無異于在馬達的旁邊建造并安裝了一個電涌發生器。無論它暴跌或上升，都是電壓差，會導致馬達線圈的損壞——因為將一個高速電涌發生器安置在了它的旁邊。這就解釋了為什么許多遭到損壞的設備本來是不應該遭到損壞的——如果安裝的是非開關型的保護器。

4 結束語

本文初步對10/350 us波形的出處和合理性進行了分析研究。筆者認為，在實際的工程應用中應摒棄10/350 us波形，特別是要摒棄基于10/350 us波形理論制造的放電間隙避雷器的使用。

參考文獻

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〔編輯：胡雪飛〕