陳勇斌 傅正財 王 培

（1.浙江省嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314050；2.上海交通大學電氣工程系，上海 200030）

1 引言

雷災已成為聯(lián)合國“減災十年”公布的十種自然災害之一，雷電防護工作引起社會各界重視，防雷產品被廣泛應用。防雷產品的性能關系到整個防雷工程的質量，是雷電防護工程是否成功的關鍵因素之一，因此有必要對防雷產品進行全面的和日常的檢測。大型沖擊電流試驗平臺是防雷器件質量檢驗的關鍵設備，根據(jù)國際和我國防雷器件測試的主要標準IEC61643-1:2005[1]、IEC61643-21：2005[2]和 GB/T 18802.1：2004[3]、GB/T 18802.21:2004[4]的測試要求，結合浙江防雷工作實際，電涌保護器（SPD）的漏電流、壓敏電壓、標稱電流、殘壓、最大電流等性能參數(shù)都需要檢測，為此我局雷電實驗室建設了 100kA的8/20μs波形和20kA的10/350μs波形輸出的沖擊電流試驗平臺。本文介紹該測試平臺的研制、建設和應用中的關鍵技術和經驗。

2 雙波形沖擊電流測試平臺原理

2.1 測試平臺的本體回路及其設計

充電裝置和發(fā)生器本體包括可控硅、原邊充電電阻、充電變壓器、高壓硅整流器、直流電阻分壓器、保護電阻、和自動接地裝置。

充電方式采用橋式全波整流充電方式，充電變壓器容量20kVA，充電極性通過電機旋轉自動調節(jié)。充電變壓器、高壓整流器和保護電阻放在金屬底盤上，變壓器采用低壓側雙線圈形式，可串可并，可有效提高兩種不同電容量的充電時間和安全性。直流電阻分壓器用以測量電容器上的直流充電電壓，保護電阻用于保護高壓硅整流器，自動接地裝置接地時，接地電阻泄放電容器上的剩余電荷，自動接地裝置采用電磁鐵分合結構，試驗結束后，接地裝置能自動接地。

沖擊電流發(fā)生器本體的主電容器采用低電感脈沖金屬外殼電容器，電容器的電容量和數(shù)量根據(jù)所要求的電流波形和幅值而定。特別注意在不同波形輸出時接線的整定電壓的選擇和確認。

本體電容器由八臺MCF18-40×2μF脈沖電容器組成，充電方式為橋式整流，可自動更換充電電壓極性。當輸出8/20μs正負極性沖擊電流，等效電容40μF/72kV，調波電阻約為 0.3Ω。當輸出 10/350μs正負極性沖擊電流，等效電容640μF/18kV，調波電阻約為0.8Ω，調波電感約為1μH。輸出8/20μs正負極性沖擊電流波形，最大幅值約 100kA，反峰不大于20%；輸出10/350μs正負極性沖擊電流波形，最大幅值約20kA，試品殘壓均不大于4kV。

根據(jù)電氣原理圖接好通往試區(qū)的門連鎖開關，且將發(fā)生器接地樁與地網用銅帶相連。

通過理論分析和實際調波經驗，對于不同的波前、半峰值時間和峰值，適當?shù)卣{整回路的參數(shù)和接線方式，達到符合要求的沖擊電流的波形。當波前、半峰值時間偏小時，則可以加大電容或加大電感，或同時加大電容和電感，但電容僅能用來粗調而電感可作為細調。加大調波電阻（如認為電阻的電感增加不大的情況下），波前時間減小、半峰值時間基本不變，電流峰值減小，電流反峰減小。

2.2 測試平臺的測控系統(tǒng)

雷電沖擊大電流試驗設備由“ICG自動控制系統(tǒng)”控制，控制系統(tǒng)安裝在操作臺的觸摸屏主機上。

雷電沖擊大電流試驗設備由“ATS波形分析系統(tǒng)”測量，測量系統(tǒng)由TDS示波器、工控機和打印機等組成。波形分析系統(tǒng)安裝在操作臺的工控機內。根據(jù)要求連接波形分析系統(tǒng)的測量電纜，且將測量電纜的接地屏蔽做好。

2.3 試品對輸出的影響與調波

雷電流的波形可以用雙指數(shù)曲線來表示，按照國際電工委員會（IEC）標準，沖擊電流波形參數(shù)的定義如圖1所示。tf為視在波前時間，tt為視在波尾時間，O為實際原點，O1為視在原點，tm為峰值時間，Im，0.9Im，0.5Im，0.1Im分別是電流峰值、電流峰值的90%，50%，10%，t90，t50和t10分別是電流為峰值的90%，50%和10%時的時間。

圖1 沖擊電流波形的定義

沖擊電流發(fā)生器是利用RLC放電原理產生沖擊電流波的。其原理電路見圖2。圖中，C為充電電容，U0為電容的充電電壓，G為放電球隙，R為調波電阻，L為調波電感，RX為非線性試品，UX為試品上的電壓。

圖2 非線性沖擊電流回路

其工作過程是將試品串聯(lián)于回路中，工作時先由高壓電源經過整流元件，以及限流電阻給儲能電容組充電，當電容器組充電到所需電壓，外部發(fā)送一個觸發(fā)脈沖到三電極開關，三電極開關經過兩次擊穿，從而使放電回路導通，高壓電容器放電，在回路中對試品產生沖擊大電流。儲能電容組、回路最高電壓值以及最大儲能根據(jù)所要輸出的沖擊電流波形、幅值以及試品特性來決定。此外，三電極球隙對脈沖電流存在陡化作用。在三電極開關由不導通到導通的過程中，如果球隙的擊穿時延較長，負載上得到的脈沖幅值將會下降。

當球間隙G擊穿后可列出微分方程式

（1）在弱阻尼情況下（R＜2（L/C）1/2），放電電流為

例如榆陽區(qū)目前廣泛用于水土保持的沙棘，其根、莖、葉、花、果，特別是沙棘果實含有豐富的營養(yǎng)物質和生物活性物質，可以廣泛應用于食品、醫(yī)藥、輕工、航天、農牧魚業(yè)等國民經濟的許多領域。榆陽現(xiàn)有沙棘資源40萬畝，利用沙棘為原料進行深精加工能提取沙棘油和藥用沙棘黃酮，其產業(yè)鏈延伸的經濟價值能提高數(shù)十倍甚至近百倍。

（2）在臨界阻尼情況下（R=2（L/C）1/2），放電電流為非周期性脈沖電流

（3）在過阻尼情況下（R＞2（L/C）1/2），放電電流為非周期性脈沖電流

沖擊試驗回路工作在臨界阻尼狀態(tài)時，若負載為線性電阻，視在波尾tt和波頭tf之比tt/tf為3.76，過阻尼狀態(tài)下，tt和tf的比值將更大，不能滿足IEC和國標規(guī)定的沖擊試驗波形技術指標。但若負載為非線性，由于非線性電阻隨電流的增大而減小，電阻在小電流區(qū)段變大，在大電流區(qū)段則變小，有利于抑制反向電流峰值，由減幅振蕩轉變?yōu)檫^阻尼狀態(tài)，從而同時滿足了IEC標準對波形（tt/tf）和過沖比（Im'/Im）的要求。

沖擊電流發(fā)生器的回路參數(shù)為：主電容 C=8μF，調波電感L=1.3μH，調波電阻R=1.9Ω，主電容充電電壓U0=42.2kV，能產生峰值為20kA的1/14μs波形沖擊電流。對此沖擊電流發(fā)生回路，在線性負載和兩種情況下進行試驗。避雷器非線性負載的參數(shù)為：在沖擊電流幅值為5kA和100kA下的殘壓分別為1kV和4kV。根據(jù)避雷器的電阻特性，回路的調波電阻減小到0.4Ω。

圖3所示為線性負載與非線性負載情況下的試品沖擊電流波形，從圖中可以看出，非線性試品使波前時間和波尾時間都減小，波形變得更陡。

圖3 輸出波形比較

考慮到工程應用的實際情況，非線性試品沖擊電流回路的調波可按下面規(guī)則進行。

（1）首先對樣品在不同電流下施加兩次雷電沖擊，記錄其殘壓值。兩次電流的幅值相差應大一些，這樣估算出的試品非線性特征參數(shù)準確度較高。

（2）然后根據(jù)這些測量得到的參數(shù)求出試品的非線性特性參數(shù)。

3 實驗室配套建設

3.1 電源隔離

在實驗過程中，電源隔離是一項必不可少的措施。其中三相隔離變壓器是用來給設備提供穩(wěn)定電源，將設備供電與總電源隔離，有效防止試驗時對大樓或附近設備的高電位反擊；UPS不間斷電源是用來在試驗過程中突然斷電的情況下，給計算機提供電源并保存沒有來得及保存的數(shù)據(jù)記錄。

3.2 實驗室屏蔽措施

高壓測試區(qū)域與檢測操控平臺間用金屬網隔開，防止輻射傷害試驗人員。實驗室內四個立面用直徑3mm圓鋼圍成4cm×4cm的金屬網格并與天面吊頂金屬框架及地面接地網有效連接從而形成立體屏蔽。防止在試驗時室外的電磁波對試驗結果產生不良影響；試驗室設備室內的窗戶全部使用雙層玻璃做隔聲屏蔽以減小試驗過程中產生的噪聲。

3.3 接地系統(tǒng)

實驗室本身應采用共用接地系統(tǒng)，即將實驗室內的各種接地都統(tǒng)一接到M型接地網上并通過兩點以上與室外接地裝置相連。室內接地裝置采用9根50mm×50mm×5mm 的角鋼埋入地下 2m 深并使用4mm×40mm 的扁鋼互相連接。實驗室內部墻壁離地面50cm高度處敷設50mm×5mm的銅帶，將實驗室內部的金屬裝置以及金屬門窗連接形成等電位連接。實驗室接地系統(tǒng)包含三個方面：

（1）實驗室的屏蔽網與大地連接

實驗室的屏蔽網與大地連接的作用是當試驗過程中出現(xiàn)意外放電時，防止損壞照明設備、網絡設備以及實驗室電源。

（2）試驗設備的安全接地點與大地連接

試驗設備的安全接地點與大地連接的主要作用是當試驗結束時將設備安全接地，便于對設備進行回路更改操作。若要調換電路或元件，需用接地棒短接每臺電容器，以確保電容器上無剩余電荷。在試驗時將未使用到的電容器首尾相接，并注意相關絕緣距離。

（3）操作室的操作臺外殼與大地連接

將操作室的操作臺外殼與大地連接起到當操作臺意外帶電時保護操作人員的安全的作用。

4 實驗室運行

4.1 測試比對

測試比對目的是為了確定實驗室所從事檢測或校準、檢定工作的能力，監(jiān)控檢測質量的可靠穩(wěn)定性，確保實驗室出具的數(shù)據(jù)準確有效，也有利于實驗室的自我評定。本實驗室與上海防雷產品檢測中心進行了SPD波形、極性、標稱電流和殘壓的比對。比對實驗分為橫向比對與縱向比對，首先選取4片漏流與壓敏電壓參數(shù)相近的SPD模塊，抽取其中兩片先后在本實驗室和比對實驗室進行較小電流測試，對其測試結果進行的比對稱為橫向比對；另外兩片SPD模塊一片在本實驗室進行標稱電流檢測,另一片送比對實驗室進行標稱電流檢測，對其結果進行的比對稱為縱向比對。

4.2 測試時可能存在的問題及處理

測試時可能存在一系列的問題，例如在調試8/20μs與10/350μs波形時，調試后的波形與標準波形之間會存在一定的偏差，此時需要對電阻與電感進行調節(jié)使得波形與標準波形的偏差值盡量降到最小。在實驗室間比對過程中若遇到測量出的殘壓值偏高時，可適當縮小殘壓分壓器與被測樣品之間導線圍成的面積，以降低高出的殘壓值。

4.3 產品質量把關檢驗

沖擊電流試驗平臺主要為模擬雷電波形（8/20μs波形、10/350μs波形）、人工模擬雷電流，使其通過裝有被檢測樣品的電流回路，以檢測得出該浪涌保護器的性能參數(shù)，為社會提供公正數(shù)據(jù)。選用正負極性標稱電流In對 SPD進行兩次沖擊。選取較大殘壓 Ures與保護電平Up進行比較，如殘壓Ures＞保護電平Up，則判定不合格。為表征SPD性能，殘壓檢測完成后求出殘壓比Ures/U1mA，即殘壓與壓敏電壓（通過電流為 1mA時的電壓）之比值。殘壓比越小，則SPD的性能愈好。沖擊后還應與沖擊前比較 SPD壓敏電壓變化率、漏電流變化率是否≤±10%。圖4表征了殘壓與壓敏電壓等性能參數(shù)。

在平臺使用過程中，還應該定期請相關專業(yè)機構進行校準。

4.4 測試平臺的擴展應用

沖擊電流試驗平臺不僅能對浪涌保護器產品進行性能檢測，還可以應用于其他科學研究。例如在雷電波形課題的研究與浪涌保護器產品的研發(fā)，結合閃電定位儀等探測資料對電力部門輸變電設備的防護，石化行業(yè)爆炸危險環(huán)境雷電防護設備的選型等方面，都具有積極作用。

圖4 氧化鋅SPD有關性能參數(shù)示意圖

5 結論

此實驗室的建成大大提升了嘉興市氣象局的防雷檢測能力，填補了我省在大電流防雷產品標稱放電電流、最大放電電流，殘壓等性能指標檢測這一領域的空白。從而有效保證了防雷工程的質量，進一步達到防雷安全的目的。同時這也是增加防雷科技內涵完善防雷檢測手段的一種方法。氣象部門承擔著防雷產品的社會管理職能，下一步可以借此平臺對防雷產品進行有效監(jiān)管。

[1]IEC61643-1:2005, Low voltage surge protection devices-Part 1: Surge protection devices connected to low、voltage power distribution systems –Requirements and tests. The IEC,2005.

[2]IEC61643-21:2005, Low voltage surge protection devices-Part 21: Surge protection devices connected to telecommunications and signaling networks-Performance requirements and testing method. The IEC, 2005.

[3]GB/T 18802.1-2002/IEC 61643-1:1998, 低壓電涌保護器 第 1部分:低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD)-性能要求和試驗方法.北京:中國標準出版社, 2002.

[4]GB/T 18802.21-2004/IEC 61643-21:2000, 低壓電涌保護器 第 21部分:電信和信號網絡的電涌保護器(SPD).性能要求和試驗方法. 北京:中國標準出版社,2004.

[5]QX10.1-2002 《電涌保護器 第1部分: 性能要求和試驗方法》.北京:中國標準出版社,2003.