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(zāi)害是全球十大自然災(zāi)害之一,全世界每年因雷電引起的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡不計(jì)其數(shù)。特別是隨著社會(huì)科技的進(jìn)步,微電子技術(shù)飛速發(fā)展,電子設(shè)備集成程度越來(lái)越高以及網(wǎng)絡(luò)的大范圍普及,雷電電磁脈沖(Lightning electromagnetic pulse,LEMP)引起的瞬態(tài)感應(yīng)過(guò)電壓以導(dǎo)線傳輸、空間傳輸以及復(fù)合傳輸方式[1-4],耦合到線路上形成的瞬態(tài)過(guò)電壓通過(guò)網(wǎng)線傳入網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備,對(duì)網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備以及設(shè)備操作人員的安全造成極大威脅?，F(xiàn)階段,LEMP防護(hù)已經(jīng)成為雷電防護(hù)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)[5]。當(dāng)前對(duì)于LEMP的研究主要集中在理論研究或是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)過(guò)電壓一些特性進(jìn)行研究[6],利用2011年在廣州采集到的自然閃電和人工觸發(fā)閃電條件下架空網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓數(shù)據(jù),對(duì)其波形特征進(jìn)行分析研究,希望能對(duì)網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備在防護(hù)因LEMP沿網(wǎng)線傳輸或耦合到網(wǎng)線上的過(guò)電壓侵入提供一些參考。

1 試驗(yàn)布置

2011年,在廣州野外雷電試驗(yàn)基地開(kāi)展了人工觸發(fā)閃電和自然閃電條件下架空網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓觀測(cè)試驗(yàn)。圖1是測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)布置圖,在試驗(yàn)場(chǎng)引流桿西面布置100m五類(lèi)雙絞八芯架空網(wǎng)線,架空高度為4.0m,網(wǎng)線南端懸空沒(méi)有接地,北端直接接入MODEN,MODEN沒(méi)有接地。感應(yīng)過(guò)電壓測(cè)試采集系統(tǒng)安裝在北端,如圖1所示,由網(wǎng)線芯線直接接入200倍分壓器,分壓后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)100倍衰減器接入采集器,測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)IP地址由光纖傳至引雷控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)。采樣頻率為5MHz,采樣時(shí)間為8s。

圖1 網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2 數(shù)據(jù)分析

網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓測(cè)試試驗(yàn)期間,共采集3次人工觸發(fā)閃電和15次自然閃電的感應(yīng)過(guò)電壓數(shù)據(jù)。采集的人工觸發(fā)閃電數(shù)據(jù)都是只有連續(xù)電流過(guò)程,沒(méi)有回?fù)?分別為7月16日兩次,記為T(mén)182302(T代表觸發(fā),182302代表觸發(fā)時(shí)刻為18點(diǎn)23分02秒,以下類(lèi)同)和T182551,7月30日的一次記為T(mén)180026。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(fā)時(shí)刻為18點(diǎn)08分50秒,以下類(lèi)同),7月17日采集到8次數(shù)據(jù),7月18日采集到3次數(shù)據(jù),7月31日采集到3次數(shù)據(jù);通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)15次自然閃電引起網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓特征都較為類(lèi)似,同樣,人工觸發(fā)閃電引起的感應(yīng)過(guò)電壓波形特征[7-8]也較為類(lèi)似,就觸發(fā)閃電和自然閃電分別選取一個(gè)具有代表性的例子進(jìn)行分析。

2.1 人工觸發(fā)閃電T182302網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓情況

圖2是人工觸發(fā)閃電T182302的初始連續(xù)電流引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓總波形圖,由圖可見(jiàn),近距離觸發(fā)閃電在網(wǎng)線上的感應(yīng)過(guò)電壓波形較復(fù)雜,在過(guò)電壓波形主脈沖之前就有較多小脈沖,這應(yīng)該是觸發(fā)閃電先導(dǎo)形成之前的“引導(dǎo)先導(dǎo)”放電過(guò)程[9-10]。由圖3(a)可見(jiàn),在-4.3314ms時(shí)波形有個(gè)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(xiàn)很多脈沖,主電壓區(qū)還是在0～4ms。感應(yīng)電壓達(dá)到峰值后緩慢下降,下降的過(guò)程比較長(zhǎng),其原因是在布置100m網(wǎng)線的時(shí)候,網(wǎng)線沒(méi)有進(jìn)行接地處理,所以波形出現(xiàn)脈沖后沒(méi)有立刻消失,而是呈緩慢的衰減過(guò)程。在之后60ms和95ms左右出現(xiàn)兩次明顯的脈沖,脈沖極性以負(fù)極性為主,如圖3(b)所示。整個(gè)過(guò)程大部分為正極性感應(yīng)過(guò)電壓,正極性感應(yīng)過(guò)電壓幅值達(dá) 3.59kV,負(fù)極性感應(yīng)過(guò)電壓幅值為0.89kV,總持續(xù)時(shí)間為454.43ms,感應(yīng)的過(guò)電壓幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于網(wǎng)線連接的微電子設(shè)備耐擊穿水平,且過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),在這種情況下,設(shè)備很容易被損壞[11-12]。

圖2 T182302初始連續(xù)電流引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓總波形圖

圖3 T182302初始連續(xù)電流引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓放大波形

表1列出了3次人工觸發(fā)閃電對(duì)應(yīng)的雷電流幅值、持續(xù)時(shí)間及對(duì)應(yīng)的網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓幅值和持續(xù)時(shí)間,由表可見(jiàn),近距離人工觸發(fā)閃電在網(wǎng)線上的感應(yīng)過(guò)電壓較大,都能到達(dá)幾千伏,且持續(xù)時(shí)間都在幾百毫秒,感應(yīng)過(guò)電壓幅值和持續(xù)時(shí)間與雷電流大小并沒(méi)有很好的相關(guān)性。由于T180026電流較小,相應(yīng)的網(wǎng)線的感應(yīng)過(guò)電壓也較小,T182302和T182551兩者連續(xù)電流持續(xù)時(shí)間相當(dāng),對(duì)應(yīng)過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間也差不多。波形表現(xiàn)出以正極性感應(yīng)電壓為主,負(fù)極性感應(yīng)電壓只占少部分。

表1 3次觸發(fā)閃電初始連續(xù)電流階段感應(yīng)過(guò)電壓參數(shù)

2.2 自然閃電試驗(yàn)情況

自然閃電在試驗(yàn)期間共成功采集到15次數(shù)據(jù),其中網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)應(yīng)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(gè)事件。6個(gè)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(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓事件對(duì)應(yīng)參數(shù)表

由表2和圖5可見(jiàn),測(cè)量到有感應(yīng)過(guò)電壓數(shù)據(jù)的閃電都在3～8km,電流幅值-7.5～-84kA,由于閃電回?fù)粢鸬木W(wǎng)線過(guò)電壓變化最大值為560.3V,最小值為95V。通過(guò)16次回?fù)粢鸬倪^(guò)電壓變化和對(duì)應(yīng)回?fù)綦娏髋c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(guān)系,擬合曲線為y=20.13x+92.04,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.801。由于網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓的大小不僅與回?fù)綦娏鳌⒒負(fù)艟嚯x有關(guān),而且與閃電的位置,也就是閃電磁場(chǎng)與線路的入射角有較大的關(guān)系,所以考慮這些因素,并不完全是線性的關(guān)系。

圖5 16次回?fù)艟W(wǎng)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(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓曲線

2.3 舉例分析

通過(guò)對(duì)采集到的15次自然閃電在網(wǎng)線上的感應(yīng)過(guò)電壓波形發(fā)現(xiàn),所有數(shù)據(jù)表現(xiàn)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(jìn)行分析,通過(guò)閃電定位資料確定該閃電發(fā)生于網(wǎng)線布置點(diǎn)正北約3km處。

圖7 7月16日N180856回?fù)粢鸬?00m網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓放大曲線圖

圖6是7月16日自然閃電N180856引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓圖,該次閃電有3次回?fù)?前面兩次回?fù)糨^為明顯,第3次回?fù)暨^(guò)程很小,發(fā)生在約210ms。首次回?fù)?網(wǎng)線上感應(yīng)過(guò)電壓199V,第2次回?fù)?網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓約72V,第3次感應(yīng)過(guò)電壓較小,只有47V。從總體波形看,網(wǎng)線由于沒(méi)有接地,在首次回?fù)羟坝捎谙葘?dǎo)等放電過(guò)程,會(huì)產(chǎn)生較小的電壓波動(dòng),這種電壓波動(dòng)不會(huì)立刻消失,呈緩慢衰減的趨勢(shì),回?fù)舢a(chǎn)生后過(guò)電壓迅速上升,到最高幅值后緩慢衰減,這種衰減在整個(gè)回?fù)糸g隔持續(xù),下次回?fù)舭l(fā)生時(shí),過(guò)電壓才會(huì)有明顯的突變,然后又繼續(xù)緩慢衰減,在衰減的過(guò)程中如果遇到較小的回?fù)?如圖5(c)所示,回?fù)綦妷鹤兓瘯?huì)疊加在總體衰減的趨勢(shì)上。由放大波形圖7可見(jiàn),回?fù)舭l(fā)生瞬間會(huì)有瞬間的電壓變化,然后會(huì)有較小的駝峰,之后會(huì)緩慢上升,基本所有的網(wǎng)線過(guò)電壓都有這樣的情況。15次自然閃電共計(jì)28次回?fù)舻木W(wǎng)線上感應(yīng)過(guò)電壓如表3所示,最大的一次自然閃電感應(yīng)過(guò)電壓是N171201,正峰值為205.1V,負(fù)峰值為630.3V,網(wǎng)線正、負(fù)電壓平均值都約為120V。

表3 自然閃電引起網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓

對(duì)比近距離觸發(fā)閃電和自然閃電條件下的網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓波形變化,發(fā)現(xiàn)兩者整體變化趨勢(shì)相似,都是在較短時(shí)間內(nèi)感應(yīng)過(guò)電壓迅速升高,到達(dá)峰值,然后呈緩慢衰減趨勢(shì),不同的是,由于閃電發(fā)生位置的不同,近距離觸發(fā)閃電在網(wǎng)線上的過(guò)電壓幅值較高,持續(xù)時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng),且在近距離觸發(fā)閃電時(shí),過(guò)電壓波形成分較多,有較多小脈沖,這是由“引導(dǎo)先導(dǎo)”放電過(guò)程引起的,較遠(yuǎn)處的自然閃電對(duì)這種現(xiàn)象表現(xiàn)得不是很明顯。遺憾的是,近距離觸發(fā)閃電沒(méi)有回?fù)?所以回?fù)粢鸬母袘?yīng)過(guò)電壓幅值及波形上升陡度等特征沒(méi)有觀測(cè)到,其與連續(xù)電流引起的過(guò)電壓特征會(huì)有一定的區(qū)別,在將來(lái)的試驗(yàn)會(huì)進(jìn)一步觀測(cè)。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)分析主要得出以下的結(jié)論:

(1)近距離觸發(fā)閃電時(shí),網(wǎng)線上的感應(yīng)過(guò)電壓峰值較大,3次觸發(fā)閃電平均過(guò)電壓峰值約4.7kV;(2)自然閃電引起的網(wǎng)線過(guò)電壓峰值能達(dá)到幾百伏,28次回?fù)粽?fù)過(guò)電壓平均值都為120V左右;(3)通過(guò)研究有閃電定位資料的自然閃電發(fā)現(xiàn),引起的過(guò)電壓變化和對(duì)應(yīng)回?fù)綦娏髋c距離的比值(I/d)的線性擬合度較好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.801,但影響網(wǎng)線感應(yīng)過(guò)電壓大小的因素較多,所以并不完全是線性關(guān)系;(4)由于近距離閃電靜電場(chǎng)、感應(yīng)場(chǎng)和輻射場(chǎng)的共同作用,近距離閃電引起的網(wǎng)線過(guò)電壓波形相對(duì)比較復(fù)雜,持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

過(guò)電壓波形的峰值變化代表?yè)舸╇妷?波形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)代表發(fā)熱多,所以網(wǎng)線在近距離觸發(fā)閃電條件下,受到過(guò)電壓的威脅非常大。更為重要的是,過(guò)電壓通過(guò)線路傳導(dǎo)進(jìn)入交換機(jī)等設(shè)備,現(xiàn)代電子設(shè)備的耐沖擊水平普遍比較低,所以在近距離閃電發(fā)生時(shí),設(shè)備很容易就被過(guò)電壓擊穿或者發(fā)熱燒壞[15]。另外,通過(guò)多年的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)LEMP通過(guò)線路的耦合,過(guò)電壓衰減比較明顯,在3～8km的自然閃電能感應(yīng)出幾十伏甚至幾百伏以上的過(guò)電壓,10km里以外的閃電其過(guò)電壓幅值較小。3～8km的自然閃電也是網(wǎng)線過(guò)電壓防護(hù)值得關(guān)注的區(qū)域。

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