100m 架空网线感应过电压特征分析

潘汉波, 颜 旭, 陈绍东

(1.从化市气象局,广东从化510925;2.广东省防雷中心,广东广州510080)

0 引言

雷电灾害是全球十大自然灾害之一,全世界每年因雷电引起的财产损失和人员伤亡不计其数。特别是随着社会科技的进步,微电子技术飞速发展,电子设备集成程度越来越高以及网络的大范围普及,雷电电磁脉冲(Lightning electromagnetic pulse,LEMP)引起的瞬态感应过电压以导线传输、空间传输以及复合传输方式[1-4],耦合到线路上形成的瞬态过电压通过网线传入网络电子设备,对网络电子设备以及设备操作人员的安全造成极大威胁。现阶段,LEMP防护已经成为雷电防护研究领域的焦点[5]。当前对于LEMP的研究主要集中在理论研究或是在实验室条件下对过电压一些特性进行研究[6],利用2011年在广州采集到的自然闪电和人工触发闪电条件下架空网线感应过电压数据,对其波形特征进行分析研究,希望能对网络电子设备在防护因LEMP沿网线传输或耦合到网线上的过电压侵入提供一些参考。

1 试验布置

2011年,在广州野外雷电试验基地开展了人工触发闪电和自然闪电条件下架空网线感应过电压观测试验。图1是测试的现场布置图,在试验场引流杆西面布置100m五类双绞八芯架空网线,架空高度为4.0m,网线南端悬空没有接地,北端直接接入MODEN,MODEN没有接地。感应过电压测试采集系统安装在北端,如图1所示,由网线芯线直接接入200倍分压器,分压后的电压信号经过100倍衰减器接入采集器,测量数据通过IP地址由光纤传至引雷控制室内的计算机。采样频率为5MHz,采样时间为8s。

图1 网线感应过电压测试试验现场布置图

2 数据分析

网线感应过电压测试试验期间,共采集3次人工触发闪电和15次自然闪电的感应过电压数据。采集的人工触发闪电数据都是只有连续电流过程,没有回击,分别为7月16日两次,记为T182302(T代表触发,182302代表触发时刻为18点23分02秒,以下类同)和T182551,7月30日的一次记为T180026。自然闪电7月16日采集到1次,记为N180850(N代表自然,180850代表触发时刻为18点08分50秒,以下类同),7月17日采集到8次数据,7月18日采集到3次数据,7月31日采集到3次数据;通过分析发现15次自然闪电引起网线感应过电压特征都较为类似,同样,人工触发闪电引起的感应过电压波形特征[7-8]也较为类似,就触发闪电和自然闪电分别选取一个具有代表性的例子进行分析。

2.1 人工触发闪电T182302网线感应过电压情况

图2是人工触发闪电T182302的初始连续电流引起的100m网线感应过电压总波形图,由图可见,近距离触发闪电在网线上的感应过电压波形较复杂,在过电压波形主脉冲之前就有较多小脉冲,这应该是触发闪电先导形成之前的“引导先导”放电过程[9-10]。由图3(a)可见,在-4.3314ms时波形有个突变,电压有明显的脉冲,之后电压缓慢上升,到0ms左右电压又出现很多脉冲,主电压区还是在0～4ms。感应电压达到峰值后缓慢下降,下降的过程比较长,其原因是在布置100m网线的时候,网线没有进行接地处理,所以波形出现脉冲后没有立刻消失,而是呈缓慢的衰减过程。在之后60ms和95ms左右出现两次明显的脉冲,脉冲极性以负极性为主,如图3(b)所示。整个过程大部分为正极性感应过电压,正极性感应过电压幅值达 3.59kV,负极性感应过电压幅值为0.89kV,总持续时间为454.43ms,感应的过电压幅值远远高于网线连接的微电子设备耐击穿水平,且过电压持续时间较长,在这种情况下,设备很容易被损坏[11-12]。

图2 T182302初始连续电流引起的100m网线感应过电压总波形图

图3 T182302初始连续电流引起的100m网线感应过电压放大波形

表1列出了3次人工触发闪电对应的雷电流幅值、持续时间及对应的网线感应过电压幅值和持续时间,由表可见,近距离人工触发闪电在网线上的感应过电压较大,都能到达几千伏,且持续时间都在几百毫秒,感应过电压幅值和持续时间与雷电流大小并没有很好的相关性。由于T180026电流较小,相应的网线的感应过电压也较小,T182302和T182551两者连续电流持续时间相当,对应过电压持续时间也差不多。波形表现出以正极性感应电压为主,负极性感应电压只占少部分。

表1 3次触发闪电初始连续电流阶段感应过电压参数

2.2 自然闪电试验情况

自然闪电在试验期间共成功采集到15次数据,其中网线感应过电压对应有闪电定位资料的记录有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个事件。6个事件的闪电定位位置和距离如图4所示。

图4 自然闪电定位位置和距离图

表2 有闪电定位资料的网线感应过电压事件对应参数表

由表2和图5可见,测量到有感应过电压数据的闪电都在3～8km,电流幅值-7.5～-84kA,由于闪电回击引起的网线过电压变化最大值为560.3V,最小值为95V。通过16次回击引起的过电压变化和对应回击电流与距离的比值(I/d)的线性拟合曲线看[13-14],两者有较好的线性关系,拟合曲线为y=20.13x+92.04,相关系数达到0.801。由于网线感应过电压的大小不仅与回击电流、回击距离有关,而且与闪电的位置,也就是闪电磁场与线路的入射角有较大的关系,所以考虑这些因素,并不完全是线性的关系。

图5 16次回击网线电压与电流和距离比值的线性拟合

图6 7月16日N180856引起的100m网线感应过电压曲线

2.3 举例分析

通过对采集到的15次自然闪电在网线上的感应过电压波形发现,所有数据表现的波形特征基本一致,文中选取2011年7月16日记录的闪电N180856进行分析,通过闪电定位资料确定该闪电发生于网线布置点正北约3km处。

图7 7月16日N180856回击引起的100m网线感应过电压放大曲线图

图6是7月16日自然闪电N180856引起的100m网线感应过电压图,该次闪电有3次回击,前面两次回击较为明显,第3次回击过程很小,发生在约210ms。首次回击,网线上感应过电压199V,第2次回击,网线感应过电压约72V,第3次感应过电压较小,只有47V。从总体波形看,网线由于没有接地,在首次回击前由于先导等放电过程,会产生较小的电压波动,这种电压波动不会立刻消失,呈缓慢衰减的趋势,回击产生后过电压迅速上升,到最高幅值后缓慢衰减,这种衰减在整个回击间隔持续,下次回击发生时,过电压才会有明显的突变,然后又继续缓慢衰减,在衰减的过程中如果遇到较小的回击,如图5(c)所示,回击电压变化会叠加在总体衰减的趋势上。由放大波形图7可见,回击发生瞬间会有瞬间的电压变化,然后会有较小的驼峰,之后会缓慢上升,基本所有的网线过电压都有这样的情况。15次自然闪电共计28次回击的网线上感应过电压如表3所示,最大的一次自然闪电感应过电压是N171201,正峰值为205.1V,负峰值为630.3V,网线正、负电压平均值都约为120V。

表3 自然闪电引起网线感应过电压

对比近距离触发闪电和自然闪电条件下的网线感应过电压波形变化,发现两者整体变化趋势相似,都是在较短时间内感应过电压迅速升高,到达峰值,然后呈缓慢衰减趋势,不同的是,由于闪电发生位置的不同,近距离触发闪电在网线上的过电压幅值较高,持续时间相对更长,且在近距离触发闪电时,过电压波形成分较多,有较多小脉冲,这是由“引导先导”放电过程引起的,较远处的自然闪电对这种现象表现得不是很明显。遗憾的是,近距离触发闪电没有回击,所以回击引起的感应过电压幅值及波形上升陡度等特征没有观测到,其与连续电流引起的过电压特征会有一定的区别,在将来的试验会进一步观测。

3 结论与讨论

通过分析主要得出以下的结论:

(1)近距离触发闪电时,网线上的感应过电压峰值较大,3次触发闪电平均过电压峰值约4.7kV;(2)自然闪电引起的网线过电压峰值能达到几百伏,28次回击正负过电压平均值都为120V左右;(3)通过研究有闪电定位资料的自然闪电发现,引起的过电压变化和对应回击电流与距离的比值(I/d)的线性拟合度较好,相关系数达到0.801,但影响网线感应过电压大小的因素较多,所以并不完全是线性关系;(4)由于近距离闪电静电场、感应场和辐射场的共同作用,近距离闪电引起的网线过电压波形相对比较复杂,持续时间也相对较长。

过电压波形的峰值变化代表击穿电压,波形持续时间长代表发热多,所以网线在近距离触发闪电条件下,受到过电压的威胁非常大。更为重要的是,过电压通过线路传导进入交换机等设备,现代电子设备的耐冲击水平普遍比较低,所以在近距离闪电发生时,设备很容易就被过电压击穿或者发热烧坏[15]。另外,通过多年的观测发现LEMP通过线路的耦合,过电压衰减比较明显,在3～8km的自然闪电能感应出几十伏甚至几百伏以上的过电压,10km里以外的闪电其过电压幅值较小。3～8km的自然闪电也是网线过电压防护值得关注的区域。

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