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一次触发闪电地电位抬升引发的氧化锌电涌保护

更新时间:2022-01-13

  深圳实现公交行业“零排放” 公交站点。原标题:一次触发闪电地电位抬升引发的氧化锌电涌保护器损坏事件分析(摘录)

  (1. 中国气象局广州热带海洋气象研究所;2. 复旦大学;3. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室)

  基于触发闪电开展了电流注入地网后地电位抬升反击氧化锌电涌保护器的试验研究。结合真实雷电环境下测量的电涌保护器两端残压和流经电流的数据,对一次触发闪电引发的氧化锌电涌保护器损坏事件进行了分析。分析发现,电流注入地网后,回击过程瞬间的大能量和长连续电流过程累积的能量相互叠加共同作用损坏了氧化锌电涌保护器。回击发生时,较大的地电位抬升反击特别是电压的快速上升阶段,氧化锌电涌保护器内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易遭到局部破坏,形成穿孔,电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过,氧化锌电阻片失去钳制作用,而当电压缓慢下降时,电压在氧化锌电涌保护器内部晶界层的分布趋于均匀,没有损坏的晶界结构又恢复了氧化锌电涌保护器的钳制功能。长连续电流过程形成的残压较小,但其持续时间很长,可达几十甚至上百毫秒,事件中多次致使 SPD 钳制功能的失效。4次回击过程地电位抬升反击流经氧化锌电涌保护器的电流峰值最大为7.1 kA,平均值5.4 kA,占触发闪电注入电流的 28.9%。流经SPD的电量范围 0.15~0.58 C,平均值 0.44 C,其值大于8/20μs 标称放电电流 20 kA 单脉冲释放的电量(0.37 C)。

  基金项目:国家自然科学基金项目(41775007);广东省气象局科学技术研究项目(GRMC2017M01)共同资助

  雷电流通过接地系统泄放入大地的同时,会瞬间使接地系统的电位升高,该高电位极易损坏与接地系统相连的电气设备[1-3]。电涌保护器(Surge Protective Device,下文记做 SPD)俗称避雷器,作为一种保护电气设备免受雷击时高瞬态过电压危害的防雷器件,通常是与被保护物并联,其通过将瞬态过电压限制在一定水平,并通过接地线将电涌电流泄放入接地系统,起到保护后端电气设备的目的,因其与接地系统相连,经常遭受雷电地电位反击而损坏。

  针对 SPD 冲击能量耐受能力的研究www.gd8g.cn,前人已开展了大量的研究工作[4-7],也对其失效机制和损坏形式有了较深入的认识[8-10]。现阶段,SPD 的耐受能力试验和新产品应用前的测试都在高压实验室完成,以单脉冲测试为主,其波形和测试方法已经较成熟,近年来也引入了全雷电波测试的概念开展多回击等测试[11-12],但仍然与自然界的闪电存在差异,所以在实际的系统运行中,由于闪电事件造成额定电流范围内的 SPD 损坏[13-14]还是难以避免的。

  由于自然闪电发生的不确定性,在自然环境下开展相关研究较困难,利用人工触发闪电开展该方向研究在当前是一种较好的途径 [15-17],但基于此开展地电位抬升冲击 SPD 的试验国内外较少报导。国外基于触发闪电开展诸如居民楼、通信铁塔或者架空配电线路雷击分流试验时,发现了SPD 损坏的现象[18-19],分析后发现 SPD 的损坏与闪电的物理过程是密切相关的,触发闪电的初始长连续电流过程也经常导致 SPD 的损坏[20]。地电位抬升对设备的损坏要关注闪电的不同物理过程,回击、M分量和长连续电流过程引起的地电位抬升和反击进入SPD 的能量都有不同的特征。本文利用触发闪电直击于地网,分析了地网地电位抬升反击引起氧化锌 SPD 损坏的事件,评估了闪电全物理过程引起的地电位抬升对氧化锌 SPD 的损坏效应。

  试验在位于广州市从化区的中国气象局雷电野外科学试验基地开展 。地电 位抬升(Groundpotential Rise,GPR)冲击氧化锌 SPD试验布置如图1 所示,触发闪电成功后,雷电流从引流杆下地网中心O点注入地网,地网的电位瞬间大幅升高,在地网 F 点处通过氧化锌 SPD 的接地线反击使电压波进入埋地电缆,埋地电缆在远端接地,当地电位抬升冲击氧化锌 SPD 的时候,电缆中就会有电流流过,该电流由带宽为 150 Hz~150 mHz,衰减倍数为100 倍的皮尔森线圈测量,埋地电缆为单芯截面 2.5 mm2 的两芯多股铜芯电缆,电缆全长 120m,通过穿金属管埋地深度 0.2 m 的方式布置,远端接地点处用 40 mm×40 mm×4 mm 镀锌角钢接地,长度为 2.5 m,该接地点处工频接地电阻为120 Ω。氧化锌 SPD 两端的残压信号先经过阻容式分压器(分压比为 4 000:1,高压臂阻抗为 300pF,带宽为 DC-300 MHz)进行分压,然后经过 100倍衰减器衰减后,再由采样频率为 10 ms/s 的高压隔离采集系统光电转换传输至控制室内记录。

  引流杆下的地网尺寸为 10m×10m(5m×5m网格),由水平接地体和垂直接地体共同组成,水平接地体采用 40 mm×4mm 的镀锌扁钢连接,埋深 0.8 m,垂直接地体采用 40mm×40mm×4 mm镀锌角钢,长度为2.5 m,每隔 5 m 均匀分布于地网的四周,测得地网的工频接地电阻为15.8Ω。

  2018 年 7 月 25 日 14 时 01 分(北京时间,下同)成功触发了一次负极性闪电(下文记为 T0725),T0725包含初始长连续电流(Initial longcontinuous current,ILCC)和之后的 4 次回击过程(Return stroke,4 次回击下文记作 RS1~RS4),7 月25 日仅有这一次触发闪电成功,测量系统较完整记录了此次触发闪电的雷电流数据和地网上地电位抬升数据,下文将进行详细分析。

  触发闪电 T0725 注入地网后,由于地电位抬升反击引起氧化锌 SPD 损坏的整个过程相对是比较特殊的,氧化锌 SPD 两端的残压基本上贯穿了整个闪电的放电过程,直至最后一次回击过程氧化锌 SPD 彻底不再起钳制作用。对比夏季试验的其它过程,有的在长连续电流过程中氧化锌 SPD就已经损坏,T0725 是剖析闪电放电过程损坏氧化锌 SPD 的较好例子。从上面的分析可看出,T0725初始长连续电流过程中是比较弱的(最大电流幅值为 287.4A),氧化锌 SPD 并没有出现异常,但由于长连续电流与首次回击的时间间隔非常短(大约 10 ms),可想象长连续电流过程对氧化锌 SPD的温升作用对于回击冲击氧化锌 SPD 造成异常有很大的影响。当第 1 次回击地电位抬升反击作用于氧化锌 SPD 时,对于峰值电压,氧化锌 SPD 只起到了部分的钳制作用,当电压减小时又恢复了较好的钳制功能。当第 2 次回击冲击时,氧化锌 SPD在地电位反击电压的波峰阶段完全失去了钳制作用,虽然在电压回落的过程中再次恢复了功能,但由于 M 分量较长时间的作用,其能量累积再次让氧化锌 SPD 失效。第 3 次回击发生时,由于闪电电流是最弱的,地电位反击电压相对较小,氧化锌SPD 对峰值电压初始阶段进行了短暂的钳制,第 4次回击时,SPD 彻底失效。

  从上面的分析可看出,电压的峰值和较长的持续时间都会损坏氧化锌SPD 内部晶粒和晶界结构。在实际应用过程中,氧化锌 SPD 的损坏或失效与自然闪电整个放电过程是密切相关的,瞬间的大能量或者累积的能量冲击达到其损坏的临界点,氧化锌 SPD 都有可能失效。文献[19]在土壤中注入雷电流后,由于初始长连续电流和继后回击两个过程的地电位反击造成线路中 SPD 的损坏,与本文的试验结果类似。

  上述分析可看出当地电位反击过程中较大的浪涌电压来袭时,特别是电压的快速上升阶段,氧化锌 SPD 内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易局部遭到破坏(形式主要为穿孔),电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过,氧化锌电阻片失去作用,而当电压缓慢下降时,电压在氧化锌 SPD 内部晶界层的分布趋于均匀,这时没有损坏的晶界结构起到了钳制电压的作用,从而又恢复了 SPD 的钳制电压的功能。这也解释了 T0725 过程中,氧化锌 SPD 时而失效时而恢复的现象。也正因为出现了内部晶界层的局部破坏,形成了短暂的“漏洞”的现象,在电压波上升至最大峰值时,对应的电流出现了异常的初始峰值,如 RS2 和 RS4,而在电压上升至峰值过程有钳制作用或部分钳制作用时,对应流经氧化锌 SPD 的接地线电流就没有出现初始峰值的现象了。

  一次标称放电电流波形为 8/20μs,峰值为20kA 的冲击波,流经氧化锌 SPD 的电量可达 368mC,对比实测接地线 次回击的电量值发现,除 RS3 外,其余 3 次回击的电量都略大于这个值(表 2)。虽然实测接地线电流波形冲击的陡度要明显小于 8/20 μs 波形,但可近似认为氧化锌SPD 在短暂的时间内经受了 3 次 8/20 μs 波形的多脉冲冲击。在氧化锌 SPD 承受 3 次脉冲冲击的同时,还承受了初始和回击间较长时间的连续电流的冲击,共同的作用致使氧化锌 SPD 彻底损坏。试验后发现氧化锌 SPD 电阻片由于受热不均匀(图 8),电阻片正北和北偏东边缘处有明显的烧蚀的痕迹,且出现了针眼大小的穿孔现象,如图中黄色圈内,电阻片和导电部分的焊锡都已熔化脱落。对比其它损坏 SPD 的触发闪电过程,T0725 是损坏最轻微的,穿孔是最小的,更没有炸裂。

  触发闪电注入人工地网后引起的地电位抬升电压非常高,通过地网接地线反击作用于氧化锌SPD 后容易造成氧化锌 SPD 的损坏,损坏与触发闪电的放电过程密切相关。T0725 由初始长连续电流、4 次回击以及回击间的连续电流共同作用最终导致氧化锌 SPD 的损坏。

  初始长连续电流阶段,地电位反击冲击氧化锌 SPD 呈现较小的残压值,峰值电压为 647.2 V,残压持续时间为 165.0 ms,平均残压为 585.9 V。当回击发生时,较大的地电位抬升反击特别是电压的快速上升阶段,氧化锌 SPD 内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易局部遭到破坏,形成穿孔,电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过,氧化锌电阻片失去钳制作用,残压饱和,而当电压缓慢下降时,电压在氧化锌 SPD 内部晶界层的分布趋于均匀,没有损坏的晶界结构起到了钳制电压的作用,从而又恢复了氧化锌 SPD 的钳制功能。

  氧化锌 SPD 损坏但不是太严重的情况下,GPR 反击形成的电流仍会进入电源系统,4 次回击过程流经氧化锌 SPD 的电流峰值最大达 7.1 kA,平均为 5.4 kA,占触发闪电注入电流的 28.9%。流经氧化锌 SPD 的电量范围 0.15~0.58 C,平均值0.44 C,其值大于 8/20 μs 标称放电电流 20 kA 单脉冲释放的电量。

  [1] 颜旭,张义军,陈绍东,等.1 次人工触发闪电引起的临近地网电位升高及其特征分析[J].高电压技术,2017(5):256-263.