雷电实验室的建立及常见故障分析

牛 萍，田德宝，吴明江，蒋焕宇

NIU Ping，TIAN Debao，WU Mingjiang，JIANG Huanyu

(嘉兴市气象局，浙江 嘉兴314050)

雷电是一种剧烈的大气现象，雷电闪击过程中会产生强大的雷电流和高电位，雷电压可高达数百万伏特，瞬间电流可高达数百千安培。雷电不但对建筑物构成巨大的危害，而且对电力、信息系统等也造成了很大的干扰与破坏。因此，对雷电防护装置的研究是一项刻不容缓的工作。

电涌保护器(SPD)作为限制暂态过电压和分泄电涌电流的器件，在防雷减灾工作中发挥着重要的作用。目前市场上的电涌保护器品种繁多，型号各异，劣质的电涌保护器不但起不到应有的防护效果，而且会形成一定的安全隐患。为了保证流入市场电涌保护器的质量，使建筑物所装设的电涌保护器能够起到预期的防护效果，对其进行重要的性能测试是一项非常必要的工作。

1 雷电冲击大电流试验平台的组成及其原理

设备主要用于低压配电系统SPD 的Ⅰ、Ⅱ类试验和低压电信系统SPD 的D 级试验［1-6］，用于产生雷电冲击电流对避雷器阀片、比例单元和电涌保护器等进行冲击电流试验及残压值的检测。设备可以产生8/20 μs 标准雷电冲击电流和10/350 μs 的冲击电流波形。设备主要包括:冲击电流发生器的本体充放电回路、控制系统及测量系统等几个部分，见图1。

图1 冲击大电流试验设备组成框图

1.1 设备相关额定参数

(1)额定充电电压:电容器的额定充电电压为18 kV或72 kV;

(2)发生器总电容量:MCF 18 -40 ×2 脉冲电容器8 台，每2 台为1 组安装;

(3)总能量:103.68 kJ;

(4)输出电流波形:±8/20 μs、±10/350 μs 冲击电流;

(5)输出电流幅值:±8/20 μs 冲击电流幅值10～100 kA，±10/350 μs 冲击电流幅值2～20 kA。

1.2 主体充放电回路及产生两种雷电冲击电流波形原理

冲击电流发生器的本体包括可控硅、原边充电电阻、充电变压器、高压硅整流器、直流电阻分压器、保护电阻和自动接地装置。

冲击电流发生器的充电回路是利用可控硅移相触发调压的原理，通过直流高压分压器反馈的电压信号实时控制移相触发信号，达到精确控制电容器的电压、输出稳定脉冲电流。利用变压器原边绕组的不同的连接方法，达到两种不同电流波形输出所需要的充电电压。充电方式采用桥式全波整流充电方式，充电变压器容量20 kVA，充电极性通过电机旋转自动调节。充电变压器、高压整流器和保护电阻放在金属底盘上，变压器采用低压侧双线圈形式，可串可并，也可有效提高两种不同电容量的充电时间和安全性。

冲击电流发生器的放电回路是当自动接地装置接地时，接地电阻泄放电容器上的剩余电荷，自动接地装置采用电磁铁分合结构，试验结束后，接地装置能自动接地。8/20 μs、10/350 μs 正负极性雷电冲击电流发生器接线图见图2。

图2 8/20 μs、10/350 μs 正负极性雷电冲击电流发生器接线图

1.3 冲击电流发生器的测量系统和控制系统

雷电冲击大电流试验设备由“ATS 波形分析系统”测量，测量系统由TDS 示波器、工控机和打印机UPS、隔离电源、软件等组成。波形分析系统安装在操作台的工控机内，根据要求连接波形分析系统的测量电缆，且将测量电缆的接地屏蔽做好。计算机通过光纤与TDS 系列数字示波器通讯，示波器采集并记录冲击发生器的输出波形，计算机读取示波器的数据，进行后续数据处理，得到符合标准定义的参数，如波前时间、半峰值时间、脉冲电流峰值、试品残压值、电荷量、W/R 等。

控制系统主要由计算机、可编程序控制器(PLC)、触摸屏、可控硅调压装置、充电电压测量装置、触发球隙控制装置、点火脉冲放大器、接地装置、PLC 控制柜和电气柜等组成。计算机通过光纤与PLC 进行通讯，运用专业软件编程设计成便于操作的控制工作界面，系统的运行参数及测量结果以数字量形式在界面上进行实时显示。在显示屏上可以完成冲击发生器所有设定、运行、测量等参数，即可设定冲击发生器的直流充电电压、充电时间、触发放电球距、触发方式和极性自动换接等，并监控和测量其运行状态。

2 嘉兴市雷电实验室建设情况

2.1 实验室功能布局

该实验室主要由试验区、操作室、办公区、仓储间等部分组成，功能布局见图3。

2.2 发生器本体

冲击电流发生器本体由可控硅、原边充电电阻、充电变压器、高压硅整流器、直流电阻分压器、保护电阻和自动接地装置等组成。见图4。

图3 嘉兴市雷电实验室功能布局

图4 雷电冲击大电流试验设备本体

2.3 操作台测量控制系统

测控系统的所有操作功能都集成在操作台，人机界面设计比较友好，操作台面板主要由LCD 液晶显示器和各操作按钮组成。见图5。

图5 雷电冲击大电流试验设备控制台

2.4 实验室建设要求

2.4.1 屏蔽措施

由于雷电实验过程中会产生对人体有所损坏的电磁波，故应该对实验设备所处的空间进行屏蔽处理。嘉兴市雷电实验室采取的是将实验设备所处的空间采用0.15 mm 厚紫铜板进行六面屏蔽处理，其中所有观察窗户及设备大厅窗户全部采用双层密金属网夹在三层钢化玻璃的屏蔽方式，通风孔采用120 mm 厚度蜂窝式波导窗的连接方式。

2.4.2 电源隔离

为了设备操作人员的安全，一般将实验的输入电源采用1：1 的工频变压器与市电进行隔离，操作人员无论碰到线路中的哪一根线都不会有触电的危险，因为隔离电源与大地是没有连接的。要求两个系统之间的电源地线隔离，如隔离地线噪声、隔离高共模电压等，采用带变压器的直流变换器，将两个电源之间隔开，使他们相互独立。

2.4.3 接地系统

实验室接地一般分为工作接地保护接地、特殊防护接地和防雷接地，其中工作接地包括为保证要求接地的仪器设备稳定工作而设置的接地以及为交流和直流电源系统提供的接地;保护接地是为保障人身及设备安全而设置的接地，在绝缘损坏或漏电等故障条件下才发挥作用;特殊防护接地是为防护静电、防护电磁干扰等提供的接地;防雷接地是为保证建筑物防雷装置可靠工作而设置的接地。

《电业安全工作规程(高压试验室部分)(DL 560—1995)》规定:高压试验室(场)必须有良好的接地系统，以保证高压试验测量准确度和人身安全，接地电阻不超过0.5 Ω。试验设备的接地点与被试设备的接地点之间应有可靠的金属性连接，试验室(场)内所有的金属架构，固定的金属安全屏蔽遮(栅)栏均必须与接地网有牢固的连接，接地点应有明显可见的标志。具体为实验室、观察室及实验大厅沿墙应预留接地铜排作为设备接地用，可以选用5 mm ×50 mm 的紫铜排，离地高300 mm，离墙壁50 mm 的空间安装;且每隔2 m 处预留接地固定桩;同时在冲击大电流设备充电装置附近设置一个接地点。

2.4.4 其他配套系统

(1)试验室应保持光线充足，门窗严密，通风设施完备。通往试区的门与试验电源应有联锁装置，当通往试区的门打开时，应发出报警信号，并使试验电源跳闸。户外试验场宜有电源开关紧急按钮，以便在发生危急情况时可迅速切断电源。

(2)试验室(场)内地面平整，留有符合要求、标志清晰的通道。室内布置整洁，不允许随意堆放杂物。试验室周围应有消防通道，并保证畅通无阻。

(3)高压试验室应按规定设置安全遮栏、标示牌、安全信号灯及警铃，控制室应铺橡胶绝缘垫。

(4)根据试验室的性质和需要，配备相应的安全工器具，防毒、防射线、防烫伤的防护用品以及防爆和消防安全设施，配备应急照明电源。

3 设备易发生的主要故障及解决办法

3.1 接地装置无法正常接地

故障分析:在经过长时间的瞬时接地后，接地杆与接地电磁铁轴的连接件有所松动，使得图6 中所示的接地杆与放电板无法接触。

解决办法:(1)将接地装置支撑下的四个固定螺丝松开;(2)将整个装置向右平移至接地杆不碰到放电板的位置，然后将接地杆与电磁铁间的连接件松动;(3)紧接着在限位档板顶住接地限位的时候，将连接间的螺丝拧紧;(4)将接地装置放回原处，安装好固定螺丝;(5)适当调整限位档板，使其能够顶住接地限位。

日常维护建议:(1)为了使接地装置正常工作，建议定期检查，发现故障及时排除;(2)建议不要长时间连续使用接地杆。接地装置部件见图6。

图6 接地装置各部件

3.2 触发球隙放电异常

故障分析:正常状态下触发球隙在接收到触发指令后，球隙间的火花能够在触发球芯处看到火花并能在触发球的外面听到火花声音;而非正常状态下，火花不仅看不到而且火花的声音是从触发球的内部传出来的。

解决办法:(1)在设备安全接地的情况下，将触发球从设备上撤除下来;(2)将触发球芯从触发球上拆下来;(3)将触发球表面及球孔氧化部分用细砂纸打磨光亮(去掉氧化部分);(4)将取出的球芯部位包一层AB 胶，等胶牢固后，将球芯的顶部用砂纸将其露出来;(5)然后将其安装回原位。

所涂的AB 胶不允许超过球孔的直径;球芯处无须用砂纸打磨。

日常维护建议:在设备使用过多的情况下，放电球是最容易消耗的部件，建议备份一对。触发球见图7。

图7 触发球

3.3 脉冲触发箱工作异常

故障分析:正常状态下脉冲触发箱是可以通过手动按钮看到触发球隙的火花并听到火花声音在触发球外响;不正常状态为脉冲触发箱通过手动按钮既看不到火花也听不到声音。

解决办法:(1)在设备安全接地的情况下，将触发箱的盖子打开;(2)拔掉触发箱外的高压线;(3)用尖嘴钳将触发箱高压输出端的检测电极距离触发箱外壳约5 mm(图8);(4)给触发箱通电，通过手动按钮观察检测电极处是否对触发箱外壳放电;(5)判断，如果放电说明触发箱工作正常，如果不放电说明触发箱工作不正常。

日常维护建议:建议备份一台。

3.4 要定期对设备进行保养及修理

(1)要经常清理，避免灰尘，绝缘器件要保持干净，打扫时不能用棉质或纸质的材料;

(2)闲置时要防止受潮;

(3)使用一段时间后，机械传动部分要加润滑油;

(4)各部件有漏油或异响时，要停止使用，等维修后才能使用;

(5)对某些易耗物品，如脉冲电容器、触发球隙、脉冲触发箱等进行备份。

图8 触发箱内部

4 结 语

雷电冲击大电流试验平台的建立可以模拟雷暴发生时首次雷击和后续雷击时的电流波形，实现雷电危害性研究及防雷产品有关性能测试，填补了防雷技术服务机构在防雷产品标称放电电流、最大放电电流及残压等性能测试这一领域的空白，可以进一步提升防雷技术服务的能力，提高防雷产品的社会监督管理力度，从源头上消除防雷安全隐患。此外，通过雷电冲击大电流试验平台的长期操作运行，总结了设备易发的故障和解决方法，可作为操作人员排除故障的参考，从而保障设备安全可靠运行。

［1]西安高压电器研究院有限责任公司，国网电力科学研究院.GB/T 16927.1—2011 高电压试验技术第1 部分:一般定义及试验要求［S］.北京:中国标准出版社，2012.

［2]西安高压电器研究院有限责任公司，国网电力科学研究院.GB/T 16927.2—2013 高电压试验技术第2 部分:测量系统［S］.北京:中国标准出版社，2013.

［3]信息产业部电子工业标准化研究所. GB/T 17626.5—2008 电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验［S］. 北京:中国标准出版社，2008.

［4]西安电瓷研究所，国网电力科学研究院，中国电力科学研究院.GB 11032—2010 交流无间隙金属氧化物避雷器［S］.北京:中国标准出版社，2011.

［5]上海电器科学研究所(集团)有限公司，西安高压电器研究院有限责任公司.GB 18802.1—2011 低压电涌保护器(SPD)第1部分:低压配电系统的电涌保护器性能要求和实验方法［S］.北京:中国标准出版社，2012.

［6]国家电力公司武汉高压研究所.GB/T 18802.21—2004 低压电涌保护器第21 部分:电信和信号网络的电涌保护器(SPD)性能要求和试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2004.