直擊雷作用下氧化鋅電涌保護器能量配合的研究

陳 偉，朱 江，楊 洋

（江蘇省太倉市防雷中心，江蘇 蘇州 215400）

直擊雷作用下氧化鋅電涌保護器能量配合的研究

陳 偉，朱 江，楊 洋

（江蘇省太倉市防雷中心，江蘇 蘇州 215400）

在直擊雷作用下多級浪涌保護器能量配合對提高浪涌保護器的保護能力有著重要的作用。通過沖擊實驗平臺，采用了2種方案研究了在直接雷作用下，兩級限壓型SPD之間不同距離下能量變化的情況。研究發(fā)現(xiàn)，當前側(cè)SPD1變阻器電壓高于后側(cè)SPD2變阻器電壓時，且兩級SPD之間通過小浪涌電流和短距離的條件下，兩級SPD之間的能量配合不能有效實現(xiàn)；當沖擊電流逐漸變大且兩級SPD之間距離變大時，兩級SPD能夠很好地實現(xiàn)對能量的配合。該研究結(jié)果對SPD的選型、安裝以及SPD的沖擊實驗均具有一定的科學指導意義。

直擊雷；SPD；能量配合；過電壓

隨著半導體元件技術(shù)的高速發(fā)展，信息和通信系統(tǒng)的使用正在廣泛普及。據(jù)通信部門統(tǒng)計，由雷擊引起的電纜故障大約占了總故障的30%左右，雷電過電壓損失也居水災、火災等災害之首。在實際使用中，如果各級浪涌保護器能量配合存在較大的缺陷，易發(fā)生事故。因此，在直擊雷作用下，多級浪涌保護器能量配合關(guān)系的分析對提高浪涌保護器的保護能力有著重要的作用。

目前，國內(nèi)外的學者也對這方面的內(nèi)容進行了研究，李祥超等通過開路電壓波（1.2/50 μs、8/20 μs）和組合波（1.2/50 μs、8/20 μs）對多級氣體放電管和ZnO壓敏電阻并聯(lián)后進行沖擊試驗，得出并聯(lián)后，能加快GDT管放電速度的結(jié)論，提出組合器件的匹配方法；張棟主要研究了低壓配電系統(tǒng)中SPD保護和配合，研究表明，在SPD配合中，線路電阻對后級SPD的分流具有一定的影響；李祥超等研究了氣體放電管與壓敏電阻的能量配合，研究表明，氣體放電管與壓敏電阻級聯(lián)時，在沖擊電壓相同的情況下，連接導線越長，壓敏電阻的電流分比越小，能量配合效果越好；還有很多學者對不同類型下電涌保護器之間的能量配合進行了研究。為了避免由于直接閃電所引起的浪涌電流對電子設(shè)備造成的影響，應充分地協(xié)調(diào)SPD之間的能量共享，通過SPD的殘余電壓應處于要保護的電子設(shè)備的承受范圍內(nèi)。

SPD之間能量配合與SPD等級、安裝位置和安裝方法具有密切聯(lián)系。為了研究SPD系統(tǒng)的保護性能，本文研究了基于直接閃電作用下，兩級限壓型SPD系統(tǒng)中的剩余電壓和能量配合問題。

1 實驗設(shè)置及理論計算

本試驗采用沖擊電流發(fā)生器ICGS來模擬雷電流，將產(chǎn)生的10/350 μs模擬沖擊電流波形，ICGS沖擊平臺則用于儲存和采集模擬的雷電流波形，進行雷電流的頻譜分析。在實驗中，選擇了最廣泛使用的用于雷電浪涌保護的限壓型SPD。圖1為兩級級聯(lián)SPD系統(tǒng)的實驗電路，實驗電路與橫截面積為6 mm2的絕緣電纜連接，并通過具有50 MHz的頻率帶寬的有源差分電壓測量SPD的殘余電壓，還通過穿透型電流探針測量測試電流。表1為實驗方案設(shè)置，采用2種方案，改變兩級SPD之間的距離，分別對改變前、后進行了測試。

圖1 實驗示意圖

表1 實驗方案設(shè)置

當直擊雷產(chǎn)生的浪涌電流進過前側(cè)SPD時，如果兩個SPD之間的距離較短，且雷電流的前陡度較大，前側(cè)SPD可以先開始放電，則前側(cè)SPD的端電壓U1等于后側(cè)SPD的端電壓U2和由連接兩側(cè)SPD引線的電感感應電壓降的和，計算公式為：

式（1）中：L為兩級SPD之間的水平距離，并且兩個并聯(lián)引線的電感約為0.5～1 μH/m。

當沖擊浪涌電壓超過前側(cè)SPD1的變阻器電壓時，前側(cè)SPD1開始放電，電流流入前側(cè)SPD1。由于進過后側(cè)SPD2的電流被兩級SPD之間的引線本身的電感所抑制，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)兩級SPD之間能量的配合。當最大持續(xù)過電壓為320 kV時，前側(cè)SPD1所能承受的最大能量值為3 840 J，后側(cè)SPD2能承受的最大能量值為640 J；當最大持續(xù)過電壓為275 kV時，前側(cè)SPD1所能承受的最大能量值為3 300 J，后側(cè)SPD2能承受的最大能量值為550 J。

2 實驗結(jié)果

使用浪涌發(fā)生器產(chǎn)生10/350 μs的直接雷電流，分別對兩級SPD之間不同距離進行了沖擊實驗。圖2為方案1中，前后側(cè)SPD之間不同距離情況下的測試結(jié)果。當兩個SPD之間的距離為3 m時，后側(cè)SPD開始放電，當雷擊電流小于2 kA時，后側(cè)SPD的能量要略大于前側(cè)SPD的能量。在12.5 kA的沖擊電流下，后側(cè)SPD的最大共享能量為900 J，該值超過后側(cè)SPD所能承受的能量值。因此，兩級SPD之間的能量配合是無效的。然而，當兩級SPD間的距離為50 m時，能量集中到前側(cè)SPD上。因此，對于方案1，兩級SPD之間的距離對能量配合具有顯著性的作用。從圖2（a）中還可以看出，隨著沖擊電流的增大，后側(cè)SPD2能量值的變化幅度相對較小，而前側(cè)SPD1能量值遞增幅度較大。

圖2 方案1情況下，兩級SPD不同距離下能量隨沖擊電流變化結(jié)果

圖3 為在方案2中隨著沖擊電流的增加，前后側(cè)SPD貢獻能量的變化情況。從圖3中可以看出，當兩級SPD之間的距離為3 m，且沖擊電流的大小為1 kA時，后側(cè)SPD2的能量值占總能量值的40%；當兩級SPD之間的距離為50 m時，隨著沖擊電流的增加，后側(cè)SPD2共享能量的速率迅速降低。從圖3中可以看出，隨著沖擊電流的增大，后側(cè)SPD2能量值的變化變化幅度相對較小，而前側(cè)SPD1能量值遞增幅度較大。

圖3 方案2情況下，兩級SPD不同距離下能量隨沖擊電流變化結(jié)果

綜合圖2與圖3可以看出，如果前側(cè)SPD1的變阻器電壓高于后側(cè)SPD2的變阻器電壓時，則在SPD之間的距離短的情況下，后側(cè)SPD2可以先開始放電；如果前側(cè)SPD1的變阻器電壓等于后側(cè)SPD2的變阻器電壓時，則在SPD之間的距離短的情況下，前側(cè)SPD1可以先開始放電。如果兩級SPD之間沒有專用退耦元件，則兩級SPD能量配合應通過它們的I-V特性曲線來協(xié)調(diào)實現(xiàn)。當不采用附加的退耦元件時，通過連接兩個限壓SPD的線路本身所具有的自然阻抗來充當退耦元件的角色。

3 結(jié)論

兩級限壓型SPD系統(tǒng)的保護效率取決于SPD的型號以及安裝位置。在沒有專用退耦元件的SPD系統(tǒng)中，連接兩個SPD的線路本省所具有的自然阻抗對電壓限制型SPD之間能量配合具有決定性的作用。本文通過沖擊實驗平臺，研究了在直接雷作用、兩級限壓型SPD之間不同距離的前提下能量的變化情況。研究得出，如果前側(cè)SPD1變阻器電壓高于后側(cè)SPD2變阻器電壓，則在兩個SPD之間的小浪涌電流和短距離的條件下，兩個SPD之間的能量配合不能有效實現(xiàn)；當沖擊電流變大且兩級SPD之間距離變大時，兩級SPD能夠很好地實現(xiàn)對能量的配合。

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TM862

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.005

2095－6835（2017）20－0005－03

陳偉，男，現(xiàn)主要從事防雷檢測、防護等方面的工作。

〔編輯：張思楠〕