陳 偉，朱 江，楊 洋

（江蘇省太倉(cāng)市防雷中心，江蘇 蘇州 215400）

直擊雷作用下氧化鋅電涌保護(hù)器能量配合的研究

陳 偉，朱 江，楊 洋

（江蘇省太倉(cāng)市防雷中心，江蘇 蘇州 215400）

在直擊雷作用下多級(jí)浪涌保護(hù)器能量配合對(duì)提高浪涌保護(hù)器的保護(hù)能力有著重要的作用。通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用了2種方案研究了在直接雷作用下，兩級(jí)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(dāng)前側(cè)SPD1變阻器電壓高于后側(cè)SPD2變阻器電壓時(shí)，且兩級(jí)SPD之間通過(guò)小浪涌電流和短距離的條件下，兩級(jí)SPD之間的能量配合不能有效實(shí)現(xiàn)；當(dāng)沖擊電流逐漸變大且兩級(jí)SPD之間距離變大時(shí)，兩級(jí)SPD能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的配合。該研究結(jié)果對(duì)SPD的選型、安裝以及SPD的沖擊實(shí)驗(yàn)均具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。

直擊雷；SPD；能量配合；過(guò)電壓

隨著半導(dǎo)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(mén)統(tǒng)計(jì)，由雷擊引起的電纜故障大約占了總故障的30%左右，雷電過(guò)電壓損失也居水災(zāi)、火災(zāi)等災(zāi)害之首。在實(shí)際使用中，如果各級(jí)浪涌保護(hù)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(jí)浪涌保護(hù)器能量配合關(guān)系的分析對(duì)提高浪涌保護(hù)器的保護(hù)能力有著重要的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也對(duì)這方面的內(nèi)容進(jìn)行了研究，李祥超等通過(guò)開(kāi)路電壓波（1.2/50 μs、8/20 μs）和組合波（1.2/50 μs、8/20 μs）對(duì)多級(jí)氣體放電管和ZnO壓敏電阻并聯(lián)后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，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(hù)和配合，研究表明，在SPD配合中，線路電阻對(duì)后級(jí)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(jí)聯(lián)時(shí)，在沖擊電壓相同的情況下，連接導(dǎo)線越長(zhǎng)，壓敏電阻的電流分比越小，能量配合效果越好；還有很多學(xué)者對(duì)不同類型下電涌保護(hù)器之間的能量配合進(jìn)行了研究。為了避免由于直接閃電所引起的浪涌電流對(duì)電子設(shè)備造成的影響，應(yīng)充分地協(xié)調(diào)SPD之間的能量共享，通過(guò)SPD的殘余電壓應(yīng)處于要保護(hù)的電子設(shè)備的承受范圍內(nèi)。

SPD之間能量配合與SPD等級(jí)、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(hù)性能，本文研究了基于直接閃電作用下，兩級(jí)限壓型SPD系統(tǒng)中的剩余電壓和能量配合問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及理論計(jì)算

本試驗(yàn)采用沖擊電流發(fā)生器ICGS來(lái)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(tái)則用于儲(chǔ)存和采集模擬的雷電流波形，進(jìn)行雷電流的頻譜分析。在實(shí)驗(yàn)中，選擇了最廣泛使用的用于雷電浪涌保護(hù)的限壓型SPD。圖1為兩級(jí)級(jí)聯(lián)SPD系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)電路與橫截面積為6 mm2的絕緣電纜連接，并通過(guò)具有50 MHz的頻率帶寬的有源差分電壓測(cè)量SPD的殘余電壓，還通過(guò)穿透型電流探針測(cè)量測(cè)試電流。表1為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置，采用2種方案，改變兩級(jí)SPD之間的距離，分別對(duì)改變前、后進(jìn)行了測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置

當(dāng)直擊雷產(chǎn)生的浪涌電流進(jìn)過(guò)前側(cè)SPD時(shí)，如果兩個(gè)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(kāi)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(yīng)電壓降的和，計(jì)算公式為：

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

當(dāng)沖擊浪涌電壓超過(guò)前側(cè)SPD1的變阻器電壓時(shí)，前側(cè)SPD1開(kāi)始放電，電流流入前側(cè)SPD1。由于進(jìn)過(guò)后側(cè)SPD2的電流被兩級(jí)SPD之間的引線本身的電感所抑制，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)兩級(jí)SPD之間能量的配合。當(dāng)最大持續(xù)過(guò)電壓為320 kV時(shí)，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(dāng)最大持續(xù)過(guò)電壓為275 kV時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(duì)兩級(jí)SPD之間不同距離進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)。圖2為方案1中，前后側(cè)SPD之間不同距離情況下的測(cè)試結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)SPD之間的距離為3 m時(shí)，后側(cè)SPD開(kāi)始放電，當(dāng)雷擊電流小于2 kA時(shí)，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(guò)后側(cè)SPD所能承受的能量值。因此，兩級(jí)SPD之間的能量配合是無(wú)效的。然而，當(dāng)兩級(jí)SPD間的距離為50 m時(shí)，能量集中到前側(cè)SPD上。因此，對(duì)于方案1，兩級(jí)SPD之間的距離對(duì)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(duì)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(jí)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(xiàn)能量的變化情況。從圖3中可以看出，當(dāng)兩級(jí)SPD之間的距離為3 m，且沖擊電流的大小為1 kA時(shí)，后側(cè)SPD2的能量值占總能量值的40%；當(dāng)兩級(jí)SPD之間的距離為50 m時(shí)，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(duì)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(jí)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(shí)，則在SPD之間的距離短的情況下，后側(cè)SPD2可以先開(kāi)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(shí)，則在SPD之間的距離短的情況下，前側(cè)SPD1可以先開(kāi)始放電。如果兩級(jí)SPD之間沒(méi)有專用退耦元件，則兩級(jí)SPD能量配合應(yīng)通過(guò)它們的I-V特性曲線來(lái)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)不采用附加的退耦元件時(shí)，通過(guò)連接兩個(gè)限壓SPD的線路本身所具有的自然阻抗來(lái)充當(dāng)退耦元件的角色。

3 結(jié)論

兩級(jí)限壓型SPD系統(tǒng)的保護(hù)效率取決于SPD的型號(hào)以及安裝位置。在沒(méi)有專用退耦元件的SPD系統(tǒng)中，連接兩個(gè)SPD的線路本省所具有的自然阻抗對(duì)電壓限制型SPD之間能量配合具有決定性的作用。本文通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了在直接雷作用、兩級(jí)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(gè)SPD之間的小浪涌電流和短距離的條件下，兩個(gè)SPD之間的能量配合不能有效實(shí)現(xiàn)；當(dāng)沖擊電流變大且兩級(jí)SPD之間距離變大時(shí)，兩級(jí)SPD能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)、防護(hù)等方面的工作。

〔編輯：張思楠〕