基于暂态电压原理监测雷电防护装置

李勤伟　陈瑜杰

摘要：针对低压电器中的雷电防护装置产生击穿的问题，通过对雷电流作用下，雷电防护装置击穿时内部产生的暂态过电压的理论进行分析。通过组合波发生器模拟雷电流，对常用雷电防护器件进行冲击试验，提出了利用暂态电压原理进行监测的方法。试验结果得出：传感器感应电压随冲击电流的增大而线性增加；冲击电压相同时，压敏电阻的感应电压大于气体放电管；测试器件相同的情况下，表面尺寸小的传感器响应速率快，感应电压范围广。

关键词：雷电防护 雷电流 暂态电压 压敏电阻 气体放电管

中图分类号：TM83 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0159-04

伴随着科学技术的不断延伸与发展，电子电气设备已经被广泛运用于工业与工程的各个领域。由于集成化密度的不断增加及大量微电子元件的使用，仪器设备承受过电压的能力相应大幅降低。当作用于设备内部的过电压超过耐受电压时，会影响其正常运行甚至造成一定程度的损坏。为了最大程度地限制雷电过电压及静电感应对相关仪器的损坏，可以通过安装雷电防护装置以保障仪器设备的安全运行。雷电防护装置不仅能够有效地降低过电流损坏仪器设备的可能性，还可以针对设备运行过程中产生的操作过电流进行一定程度的抑制。然而，作为安全器件，雷电防护设备的损耗及毁坏难以避免。为了保证仪器设备持续稳定的运行，需要对雷电防护装置进行严格的状态监测。

目前，防雷从业人员主要采用磁钢剩磁法、罗氏线圈法对雷电防护设备进行状态监测。磁钢式剩磁法采用具有较好剩磁特性的新型材料制作成磁钢棒，再通过高斯算法计算出磁钢棒剩磁，实现雷电流的监测。罗氏线圈法则通过设计出的传感器测量得到雷电流[5]。上述方法均为监测防雷装置提供了有力依据。然而，暂态电压监测法在上述监测方法的基础上还具有安全系数高、响应速率快、操作灵活性强、适用范围广等优点。

该文对气体放电管、压敏电阻进行冲击试验，采用表面尺寸分为60 cm×50 cm、50 cm×40 cm、40 cm×30cm的传感器进行感应测试。通过试验证明了利用暂态电压原理实现雷电防护装置监测的可行性，为理论后续的实践运用提供了可行性依据。

1 暂态电压的理论分析

如图1所示，R为雷电防护设备内部的ZnO压敏电阻。当设备内部发生击穿时，放电源周围的感应电磁场使传感器产生暂态电压。

如图2所示，媒质Ⅰ为雷电防护设备发生击穿时的等效放电源，媒质Ⅱ为传感器外表面的金属铜皮，中间为分界层。

H+为入射电磁波，H-为反射电磁波，E+为入射波电场强度，E-为反射波电场强度。

2 试验方案及结果分析

2.1 试验方案

冲击试验原理如图5所示，采用组合波发生器（、）模拟雷电流侵入雷电防护装置。将测试器件与组合波发生器连接后放置在传感器表面，再通过示波器得到相应的感应电压波形。通过对气体放电管和压敏电阻先后进行冲击，测量出不同尺寸传感器所得感应电压。研究传感器两端的感应电压随冲击电流的变化关系，对监测方法进行验证并比较不同尺寸的传感器分别对气体放电管和压敏电阻的感应效果。传感器表面尺寸为60 cm×50 cm、50 cm×40 cm、40 cm×30 cm。所用最大冲击电流为5 kA，步长为500 A。

2.2 实验结果及数据分析

图6为传感器在1 kA的冲击电流作用下，两端感应电压波形图。测试器件为气体放电管时，传感器在3μs内将瞬态感应电压箝位在3.2 V以内，随后逐渐递减。测试压敏电阻时，感应电压峰值为4.7 V。根据U2，能够判断SPD的击穿情况。

2.2.1 不同表面尺寸的传感器的试验数据

如图7所示，表面尺寸为60 cm×50 cm的传感器先后对压敏电阻、气体放电管进行感应测试，所得感应电压随冲击电流呈正相关均匀线性分布。冲击电流相同时，压敏电阻的感应电压大于气体放电管的感应电压。测试压敏电阻时，感应电压范围为14.2～33.6V。测试压敏电阻时，感应电压由8.4 V线性增至23.1 V。气体放电管的感应电压随冲击电压的变化趋势较压敏电阻相对平缓。

如图8所示，表面尺寸为50 cm×40 cm的传感器测试压敏电阻时，感应电压由10.4 V线性增长至28.5 V。测试气体放电管时，感应电压由7.2 V逐渐升至20.6 V。在相同的冲击电压下作用下，气体放电管的感应电压小于压敏电阻，测试器件为压敏电阻时，感应电压随冲击电压的变化曲线较气体放电管时相对陡峭。

如图9所示，表面尺寸为40 cm×30 cm的传感器测试压敏电阻，感应电压由8.8 V线性升至25.8 V。测试气体放电管时，感应电压范围为6.6～18.4V。冲击电压相同的情况下，传感器测试压敏电阻时的感应电压大于气体放电管。

2.2.2 不同测试器件的实验数据分析

测试压敏电阻时，不同表面尺寸的传感器两端的感应电压随冲击电压的变化趋势相同。在冲击电压相同的情况下，表面尺寸为40 cm×30 cm的传感器两端的感应明显大于表面尺寸为60 cm×50 cm和50 cm×40 cm。

测试器件为气体放电管时，不同表面尺寸的传感器两端的感应电压随冲击电压的变化趋势相同。在冲击电压相同的情况下，表面尺寸为40 cm×30 cm的传感器测两端的感应电压较表面尺寸为60 cm×50 cm时和50 cm×40 cm时低，说明其响应速率快，能够更加及时地监测雷电流的击穿动作。

3 结语

通过组合波冲击实验得到了不同表面尺寸的传感器测试不同器件时的感应电压随冲击电流的变化关系，并通过对比相应的实验数据，得出如下结论：

（1）在0～5 kA的冲击电流作用下，传感器两端的感应电压随着冲击电流的增大而线性增加。

（2）相同冲击电流下作用下，测试压敏电阻时所得感应电压明显大于气体放电管，与防护器件的残压特性相符。

（3）测试相同器件时，表面尺寸小的传感器感应电压小。

参考文献

[1] 徐真，傅正财.剩磁法在雷电流幅值检测中的应用研究[J].电气技术，2011（4）：6-9.

[2] 马仪，周文俊，孙伟忠，等.雷电流传感器罗氏线圈的研制及测试[J].南方电网技术，2011（6）：39-42.

[3] 王有元，李寅伟，陆国俊，等.开关柜局部放电暂态对地电压传播特性的仿真分析[J].高电压技术，2011（7）：1683-1688.