潘漢波, 顏 旭, 陳紹東

(1.從化市氣象局,廣東從化510925;2.廣東省防雷中心,廣東廣州510080)

0 引言

雷電災(zāi)害是全球十大自然災(zāi)害之一,全世界每年因雷電引起的財產(chǎn)損失和人員傷亡不計其數(shù)。特別是隨著社會科技的進步,微電子技術(shù)飛速發(fā)展,電子設(shè)備集成程度越來越高以及網(wǎng)絡(luò)的大范圍普及,雷電電磁脈沖(Lightning electromagnetic pulse,LEMP)引起的瞬態(tài)感應(yīng)過電壓以導(dǎo)線傳輸、空間傳輸以及復(fù)合傳輸方式[1-4],耦合到線路上形成的瞬態(tài)過電壓通過網(wǎng)線傳入網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備,對網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備以及設(shè)備操作人員的安全造成極大威脅?，F(xiàn)階段,LEMP防護已經(jīng)成為雷電防護研究領(lǐng)域的焦點[5]。當(dāng)前對于LEMP的研究主要集中在理論研究或是在實驗室條件下對過電壓一些特性進行研究[6],利用2011年在廣州采集到的自然閃電和人工觸發(fā)閃電條件下架空網(wǎng)線感應(yīng)過電壓數(shù)據(jù),對其波形特征進行分析研究,希望能對網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備在防護因LEMP沿網(wǎng)線傳輸或耦合到網(wǎng)線上的過電壓侵入提供一些參考。

1 試驗布置

2011年,在廣州野外雷電試驗基地開展了人工觸發(fā)閃電和自然閃電條件下架空網(wǎng)線感應(yīng)過電壓觀測試驗。圖1是測試的現(xiàn)場布置圖,在試驗場引流桿西面布置100m五類雙絞八芯架空網(wǎng)線,架空高度為4.0m,網(wǎng)線南端懸空沒有接地,北端直接接入MODEN,MODEN沒有接地。感應(yīng)過電壓測試采集系統(tǒng)安裝在北端,如圖1所示,由網(wǎng)線芯線直接接入200倍分壓器,分壓后的電壓信號經(jīng)過100倍衰減器接入采集器,測量數(shù)據(jù)通過IP地址由光纖傳至引雷控制室內(nèi)的計算機。采樣頻率為5MHz,采樣時間為8s。

圖1 網(wǎng)線感應(yīng)過電壓測試試驗現(xiàn)場布置圖

2 數(shù)據(jù)分析

網(wǎng)線感應(yīng)過電壓測試試驗期間,共采集3次人工觸發(fā)閃電和15次自然閃電的感應(yīng)過電壓數(shù)據(jù)。采集的人工觸發(fā)閃電數(shù)據(jù)都是只有連續(xù)電流過程,沒有回?fù)?分別為7月16日兩次,記為T182302(T代表觸發(fā),182302代表觸發(fā)時刻為18點23分02秒,以下類同)和T182551,7月30日的一次記為T180026。自然閃電7月16日采集到1次,記為N180850(N代表自然,180850代表觸發(fā)時刻為18點08分50秒,以下類同),7月17日采集到8次數(shù)據(jù),7月18日采集到3次數(shù)據(jù),7月31日采集到3次數(shù)據(jù);通過分析發(fā)現(xiàn)15次自然閃電引起網(wǎng)線感應(yīng)過電壓特征都較為類似,同樣,人工觸發(fā)閃電引起的感應(yīng)過電壓波形特征[7-8]也較為類似,就觸發(fā)閃電和自然閃電分別選取一個具有代表性的例子進行分析。

2.1 人工觸發(fā)閃電T182302網(wǎng)線感應(yīng)過電壓情況

圖2是人工觸發(fā)閃電T182302的初始連續(xù)電流引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過電壓總波形圖,由圖可見,近距離觸發(fā)閃電在網(wǎng)線上的感應(yīng)過電壓波形較復(fù)雜,在過電壓波形主脈沖之前就有較多小脈沖,這應(yīng)該是觸發(fā)閃電先導(dǎo)形成之前的“引導(dǎo)先導(dǎo)”放電過程[9-10]。由圖3(a)可見,在-4.3314ms時波形有個突變,電壓有明顯的脈沖,之后電壓緩慢上升,到0ms左右電壓又出現(xiàn)很多脈沖,主電壓區(qū)還是在0～4ms。感應(yīng)電壓達到峰值后緩慢下降,下降的過程比較長,其原因是在布置100m網(wǎng)線的時候,網(wǎng)線沒有進行接地處理,所以波形出現(xiàn)脈沖后沒有立刻消失,而是呈緩慢的衰減過程。在之后60ms和95ms左右出現(xiàn)兩次明顯的脈沖,脈沖極性以負(fù)極性為主,如圖3(b)所示。整個過程大部分為正極性感應(yīng)過電壓,正極性感應(yīng)過電壓幅值達 3.59kV,負(fù)極性感應(yīng)過電壓幅值為0.89kV,總持續(xù)時間為454.43ms,感應(yīng)的過電壓幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于網(wǎng)線連接的微電子設(shè)備耐擊穿水平,且過電壓持續(xù)時間較長,在這種情況下,設(shè)備很容易被損壞[11-12]。

圖2 T182302初始連續(xù)電流引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過電壓總波形圖

圖3 T182302初始連續(xù)電流引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過電壓放大波形

表1列出了3次人工觸發(fā)閃電對應(yīng)的雷電流幅值、持續(xù)時間及對應(yīng)的網(wǎng)線感應(yīng)過電壓幅值和持續(xù)時間,由表可見,近距離人工觸發(fā)閃電在網(wǎng)線上的感應(yīng)過電壓較大,都能到達幾千伏,且持續(xù)時間都在幾百毫秒,感應(yīng)過電壓幅值和持續(xù)時間與雷電流大小并沒有很好的相關(guān)性。由于T180026電流較小,相應(yīng)的網(wǎng)線的感應(yīng)過電壓也較小,T182302和T182551兩者連續(xù)電流持續(xù)時間相當(dāng),對應(yīng)過電壓持續(xù)時間也差不多。波形表現(xiàn)出以正極性感應(yīng)電壓為主,負(fù)極性感應(yīng)電壓只占少部分。

表1 3次觸發(fā)閃電初始連續(xù)電流階段感應(yīng)過電壓參數(shù)

2.2 自然閃電試驗情況

自然閃電在試驗期間共成功采集到15次數(shù)據(jù),其中網(wǎng)線感應(yīng)過電壓對應(yīng)有閃電定位資料的記錄有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個事件。6個事件的閃電定位位置和距離如圖4所示。

圖4 自然閃電定位位置和距離圖

表2 有閃電定位資料的網(wǎng)線感應(yīng)過電壓事件對應(yīng)參數(shù)表

由表2和圖5可見,測量到有感應(yīng)過電壓數(shù)據(jù)的閃電都在3～8km,電流幅值-7.5～-84kA,由于閃電回?fù)粢鸬木W(wǎng)線過電壓變化最大值為560.3V,最小值為95V。通過16次回?fù)粢鸬倪^電壓變化和對應(yīng)回?fù)綦娏髋c距離的比值(I/d)的線性擬合曲線看[13-14],兩者有較好的線性關(guān)系,擬合曲線為y=20.13x+92.04,相關(guān)系數(shù)達到0.801。由于網(wǎng)線感應(yīng)過電壓的大小不僅與回?fù)綦娏?、回?fù)艟嚯x有關(guān),而且與閃電的位置,也就是閃電磁場與線路的入射角有較大的關(guān)系,所以考慮這些因素,并不完全是線性的關(guān)系。

圖5 16次回?fù)艟W(wǎng)線電壓與電流和距離比值的線性擬合

圖6 7月16日N180856引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過電壓曲線

2.3 舉例分析

通過對采集到的15次自然閃電在網(wǎng)線上的感應(yīng)過電壓波形發(fā)現(xiàn),所有數(shù)據(jù)表現(xiàn)的波形特征基本一致,文中選取2011年7月16日記錄的閃電N180856進行分析,通過閃電定位資料確定該閃電發(fā)生于網(wǎng)線布置點正北約3km處。

圖7 7月16日N180856回?fù)粢鸬?00m網(wǎng)線感應(yīng)過電壓放大曲線圖

圖6是7月16日自然閃電N180856引起的100m網(wǎng)線感應(yīng)過電壓圖,該次閃電有3次回?fù)?前面兩次回?fù)糨^為明顯,第3次回?fù)暨^程很小,發(fā)生在約210ms。首次回?fù)?網(wǎng)線上感應(yīng)過電壓199V,第2次回?fù)?網(wǎng)線感應(yīng)過電壓約72V,第3次感應(yīng)過電壓較小,只有47V。從總體波形看,網(wǎng)線由于沒有接地,在首次回?fù)羟坝捎谙葘?dǎo)等放電過程,會產(chǎn)生較小的電壓波動,這種電壓波動不會立刻消失,呈緩慢衰減的趨勢,回?fù)舢a(chǎn)生后過電壓迅速上升,到最高幅值后緩慢衰減,這種衰減在整個回?fù)糸g隔持續(xù),下次回?fù)舭l(fā)生時,過電壓才會有明顯的突變,然后又繼續(xù)緩慢衰減,在衰減的過程中如果遇到較小的回?fù)?如圖5(c)所示,回?fù)綦妷鹤兓瘯B加在總體衰減的趨勢上。由放大波形圖7可見,回?fù)舭l(fā)生瞬間會有瞬間的電壓變化,然后會有較小的駝峰,之后會緩慢上升,基本所有的網(wǎng)線過電壓都有這樣的情況。15次自然閃電共計28次回?fù)舻木W(wǎng)線上感應(yīng)過電壓如表3所示,最大的一次自然閃電感應(yīng)過電壓是N171201,正峰值為205.1V,負(fù)峰值為630.3V,網(wǎng)線正、負(fù)電壓平均值都約為120V。

表3 自然閃電引起網(wǎng)線感應(yīng)過電壓

對比近距離觸發(fā)閃電和自然閃電條件下的網(wǎng)線感應(yīng)過電壓波形變化,發(fā)現(xiàn)兩者整體變化趨勢相似,都是在較短時間內(nèi)感應(yīng)過電壓迅速升高,到達峰值,然后呈緩慢衰減趨勢,不同的是,由于閃電發(fā)生位置的不同,近距離觸發(fā)閃電在網(wǎng)線上的過電壓幅值較高,持續(xù)時間相對更長,且在近距離觸發(fā)閃電時,過電壓波形成分較多,有較多小脈沖,這是由“引導(dǎo)先導(dǎo)”放電過程引起的,較遠(yuǎn)處的自然閃電對這種現(xiàn)象表現(xiàn)得不是很明顯。遺憾的是,近距離觸發(fā)閃電沒有回?fù)?所以回?fù)粢鸬母袘?yīng)過電壓幅值及波形上升陡度等特征沒有觀測到,其與連續(xù)電流引起的過電壓特征會有一定的區(qū)別,在將來的試驗會進一步觀測。

3 結(jié)論與討論

通過分析主要得出以下的結(jié)論:

(1)近距離觸發(fā)閃電時,網(wǎng)線上的感應(yīng)過電壓峰值較大,3次觸發(fā)閃電平均過電壓峰值約4.7kV;(2)自然閃電引起的網(wǎng)線過電壓峰值能達到幾百伏,28次回?fù)粽?fù)過電壓平均值都為120V左右;(3)通過研究有閃電定位資料的自然閃電發(fā)現(xiàn),引起的過電壓變化和對應(yīng)回?fù)綦娏髋c距離的比值(I/d)的線性擬合度較好,相關(guān)系數(shù)達到0.801,但影響網(wǎng)線感應(yīng)過電壓大小的因素較多,所以并不完全是線性關(guān)系;(4)由于近距離閃電靜電場、感應(yīng)場和輻射場的共同作用,近距離閃電引起的網(wǎng)線過電壓波形相對比較復(fù)雜,持續(xù)時間也相對較長。

過電壓波形的峰值變化代表擊穿電壓,波形持續(xù)時間長代表發(fā)熱多,所以網(wǎng)線在近距離觸發(fā)閃電條件下,受到過電壓的威脅非常大。更為重要的是,過電壓通過線路傳導(dǎo)進入交換機等設(shè)備,現(xiàn)代電子設(shè)備的耐沖擊水平普遍比較低,所以在近距離閃電發(fā)生時,設(shè)備很容易就被過電壓擊穿或者發(fā)熱燒壞[15]。另外,通過多年的觀測發(fā)現(xiàn)LEMP通過線路的耦合,過電壓衰減比較明顯,在3～8km的自然閃電能感應(yīng)出幾十伏甚至幾百伏以上的過電壓,10km里以外的閃電其過電壓幅值較小。3～8km的自然閃電也是網(wǎng)線過電壓防護值得關(guān)注的區(qū)域。

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