雷電實驗室的建立及常見故障分析

牛 萍，田德寶，吳明江，蔣煥宇

NIU Ping，TIAN Debao，WU Mingjiang，JIANG Huanyu

(嘉興市氣象局，浙江 嘉興314050)

雷電是一種劇烈的大氣現(xiàn)象，雷電閃擊過程中會產(chǎn)生強大的雷電流和高電位，雷電壓可高達(dá)數(shù)百萬伏特，瞬間電流可高達(dá)數(shù)百千安培。雷電不但對建筑物構(gòu)成巨大的危害，而且對電力、信息系統(tǒng)等也造成了很大的干擾與破壞。因此，對雷電防護(hù)裝置的研究是一項刻不容緩的工作。

電涌保護(hù)器(SPD)作為限制暫態(tài)過電壓和分泄電涌電流的器件，在防雷減災(zāi)工作中發(fā)揮著重要的作用。目前市場上的電涌保護(hù)器品種繁多，型號各異，劣質(zhì)的電涌保護(hù)器不但起不到應(yīng)有的防護(hù)效果，而且會形成一定的安全隱患。為了保證流入市場電涌保護(hù)器的質(zhì)量，使建筑物所裝設(shè)的電涌保護(hù)器能夠起到預(yù)期的防護(hù)效果，對其進(jìn)行重要的性能測試是一項非常必要的工作。

1 雷電沖擊大電流試驗平臺的組成及其原理

設(shè)備主要用于低壓配電系統(tǒng)SPD 的Ⅰ、Ⅱ類試驗和低壓電信系統(tǒng)SPD 的D 級試驗［1-6］，用于產(chǎn)生雷電沖擊電流對避雷器閥片、比例單元和電涌保護(hù)器等進(jìn)行沖擊電流試驗及殘壓值的檢測。設(shè)備可以產(chǎn)生8/20 μs 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電流和10/350 μs 的沖擊電流波形。設(shè)備主要包括:沖擊電流發(fā)生器的本體充放電回路、控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)等幾個部分，見圖1。

圖1 沖擊大電流試驗設(shè)備組成框圖

1.1 設(shè)備相關(guān)額定參數(shù)

(1)額定充電電壓:電容器的額定充電電壓為18 kV或72 kV;

(2)發(fā)生器總電容量:MCF 18 -40 ×2 脈沖電容器8 臺，每2 臺為1 組安裝;

(3)總能量:103.68 kJ;

(4)輸出電流波形:±8/20 μs、±10/350 μs 沖擊電流;

(5)輸出電流幅值:±8/20 μs 沖擊電流幅值10～100 kA，±10/350 μs 沖擊電流幅值2～20 kA。

1.2 主體充放電回路及產(chǎn)生兩種雷電沖擊電流波形原理

沖擊電流發(fā)生器的本體包括可控硅、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(hù)電阻和自動接地裝置。

沖擊電流發(fā)生器的充電回路是利用可控硅移相觸發(fā)調(diào)壓的原理，通過直流高壓分壓器反饋的電壓信號實時控制移相觸發(fā)信號，達(dá)到精確控制電容器的電壓、輸出穩(wěn)定脈沖電流。利用變壓器原邊繞組的不同的連接方法，達(dá)到兩種不同電流波形輸出所需要的充電電壓。充電方式采用橋式全波整流充電方式，充電變壓器容量20 kVA，充電極性通過電機旋轉(zhuǎn)自動調(diào)節(jié)。充電變壓器、高壓整流器和保護(hù)電阻放在金屬底盤上，變壓器采用低壓側(cè)雙線圈形式，可串可并，也可有效提高兩種不同電容量的充電時間和安全性。

沖擊電流發(fā)生器的放電回路是當(dāng)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(jié)構(gòu)，試驗結(jié)束后，接地裝置能自動接地。8/20 μs、10/350 μs 正負(fù)極性雷電沖擊電流發(fā)生器接線圖見圖2。

圖2 8/20 μs、10/350 μs 正負(fù)極性雷電沖擊電流發(fā)生器接線圖

1.3 沖擊電流發(fā)生器的測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

雷電沖擊大電流試驗設(shè)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UPS、隔離電源、軟件等組成。波形分析系統(tǒng)安裝在操作臺的工控機內(nèi)，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。計算機通過光纖與TDS 系列數(shù)字示波器通訊，示波器采集并記錄沖擊發(fā)生器的輸出波形，計算機讀取示波器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到符合標(biāo)準(zhǔn)定義的參數(shù)，如波前時間、半峰值時間、脈沖電流峰值、試品殘壓值、電荷量、W/R 等。

控制系統(tǒng)主要由計算機、可編程序控制器(PLC)、觸摸屏、可控硅調(diào)壓裝置、充電電壓測量裝置、觸發(fā)球隙控制裝置、點火脈沖放大器、接地裝置、PLC 控制柜和電氣柜等組成。計算機通過光纖與PLC 進(jìn)行通訊，運用專業(yè)軟件編程設(shè)計成便于操作的控制工作界面，系統(tǒng)的運行參數(shù)及測量結(jié)果以數(shù)字量形式在界面上進(jìn)行實時顯示。在顯示屏上可以完成沖擊發(fā)生器所有設(shè)定、運行、測量等參數(shù)，即可設(shè)定沖擊發(fā)生器的直流充電電壓、充電時間、觸發(fā)放電球距、觸發(fā)方式和極性自動換接等，并監(jiān)控和測量其運行狀態(tài)。

2 嘉興市雷電實驗室建設(shè)情況

2.1 實驗室功能布局

該實驗室主要由試驗區(qū)、操作室、辦公區(qū)、倉儲間等部分組成，功能布局見圖3。

2.2 發(fā)生器本體

沖擊電流發(fā)生器本體由可控硅、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(hù)電阻和自動接地裝置等組成。見圖4。

圖3 嘉興市雷電實驗室功能布局

圖4 雷電沖擊大電流試驗設(shè)備本體

2.3 操作臺測量控制系統(tǒng)

測控系統(tǒng)的所有操作功能都集成在操作臺，人機界面設(shè)計比較友好，操作臺面板主要由LCD 液晶顯示器和各操作按鈕組成。見圖5。

圖5 雷電沖擊大電流試驗設(shè)備控制臺

2.4 實驗室建設(shè)要求

2.4.1 屏蔽措施

由于雷電實驗過程中會產(chǎn)生對人體有所損壞的電磁波，故應(yīng)該對實驗設(shè)備所處的空間進(jìn)行屏蔽處理。嘉興市雷電實驗室采取的是將實驗設(shè)備所處的空間采用0.15 mm 厚紫銅板進(jìn)行六面屏蔽處理，其中所有觀察窗戶及設(shè)備大廳窗戶全部采用雙層密金屬網(wǎng)夾在三層鋼化玻璃的屏蔽方式，通風(fēng)孔采用120 mm 厚度蜂窩式波導(dǎo)窗的連接方式。

2.4.2 電源隔離

為了設(shè)備操作人員的安全，一般將實驗的輸入電源采用1：1 的工頻變壓器與市電進(jìn)行隔離，操作人員無論碰到線路中的哪一根線都不會有觸電的危險，因為隔離電源與大地是沒有連接的。要求兩個系統(tǒng)之間的電源地線隔離，如隔離地線噪聲、隔離高共模電壓等，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個電源之間隔開，使他們相互獨立。

2.4.3 接地系統(tǒng)

實驗室接地一般分為工作接地保護(hù)接地、特殊防護(hù)接地和防雷接地，其中工作接地包括為保證要求接地的儀器設(shè)備穩(wěn)定工作而設(shè)置的接地以及為交流和直流電源系統(tǒng)提供的接地;保護(hù)接地是為保障人身及設(shè)備安全而設(shè)置的接地，在絕緣損壞或漏電等故障條件下才發(fā)揮作用;特殊防護(hù)接地是為防護(hù)靜電、防護(hù)電磁干擾等提供的接地;防雷接地是為保證建筑物防雷裝置可靠工作而設(shè)置的接地。

《電業(yè)安全工作規(guī)程(高壓試驗室部分)(DL 560—1995)》規(guī)定:高壓試驗室(場)必須有良好的接地系統(tǒng)，以保證高壓試驗測量準(zhǔn)確度和人身安全，接地電阻不超過0.5 Ω。試驗設(shè)備的接地點與被試設(shè)備的接地點之間應(yīng)有可靠的金屬性連接，試驗室(場)內(nèi)所有的金屬架構(gòu)，固定的金屬安全屏蔽遮(柵)欄均必須與接地網(wǎng)有牢固的連接，接地點應(yīng)有明顯可見的標(biāo)志。具體為實驗室、觀察室及實驗大廳沿墻應(yīng)預(yù)留接地銅排作為設(shè)備接地用，可以選用5 mm ×50 mm 的紫銅排，離地高300 mm，離墻壁50 mm 的空間安裝;且每隔2 m 處預(yù)留接地固定樁;同時在沖擊大電流設(shè)備充電裝置附近設(shè)置一個接地點。

2.4.4 其他配套系統(tǒng)

(1)試驗室應(yīng)保持光線充足，門窗嚴(yán)密，通風(fēng)設(shè)施完備。通往試區(qū)的門與試驗電源應(yīng)有聯(lián)鎖裝置，當(dāng)通往試區(qū)的門打開時，應(yīng)發(fā)出報警信號，并使試驗電源跳閘。戶外試驗場宜有電源開關(guān)緊急按鈕，以便在發(fā)生危急情況時可迅速切斷電源。

(2)試驗室(場)內(nèi)地面平整，留有符合要求、標(biāo)志清晰的通道。室內(nèi)布置整潔，不允許隨意堆放雜物。試驗室周圍應(yīng)有消防通道，并保證暢通無阻。

(3)高壓試驗室應(yīng)按規(guī)定設(shè)置安全遮欄、標(biāo)示牌、安全信號燈及警鈴，控制室應(yīng)鋪橡膠絕緣墊。

(4)根據(jù)試驗室的性質(zhì)和需要，配備相應(yīng)的安全工器具，防毒、防射線、防燙傷的防護(hù)用品以及防爆和消防安全設(shè)施，配備應(yīng)急照明電源。

3 設(shè)備易發(fā)生的主要故障及解決辦法

3.1 接地裝置無法正常接地

故障分析:在經(jīng)過長時間的瞬時接地后，接地桿與接地電磁鐵軸的連接件有所松動，使得圖6 中所示的接地桿與放電板無法接觸。

解決辦法:(1)將接地裝置支撐下的四個固定螺絲松開;(2)將整個裝置向右平移至接地桿不碰到放電板的位置，然后將接地桿與電磁鐵間的連接件松動;(3)緊接著在限位檔板頂住接地限位的時候，將連接間的螺絲擰緊;(4)將接地裝置放回原處，安裝好固定螺絲;(5)適當(dāng)調(diào)整限位檔板，使其能夠頂住接地限位。

日常維護(hù)建議:(1)為了使接地裝置正常工作，建議定期檢查，發(fā)現(xiàn)故障及時排除;(2)建議不要長時間連續(xù)使用接地桿。接地裝置部件見圖6。

圖6 接地裝置各部件

3.2 觸發(fā)球隙放電異常

故障分析:正常狀態(tài)下觸發(fā)球隙在接收到觸發(fā)指令后，球隙間的火花能夠在觸發(fā)球芯處看到火花并能在觸發(fā)球的外面聽到火花聲音;而非正常狀態(tài)下，火花不僅看不到而且火花的聲音是從觸發(fā)球的內(nèi)部傳出來的。

解決辦法:(1)在設(shè)備安全接地的情況下，將觸發(fā)球從設(shè)備上撤除下來;(2)將觸發(fā)球芯從觸發(fā)球上拆下來;(3)將觸發(fā)球表面及球孔氧化部分用細(xì)砂紙打磨光亮(去掉氧化部分);(4)將取出的球芯部位包一層AB 膠，等膠牢固后，將球芯的頂部用砂紙將其露出來;(5)然后將其安裝回原位。

所涂的AB 膠不允許超過球孔的直徑;球芯處無須用砂紙打磨。

日常維護(hù)建議:在設(shè)備使用過多的情況下，放電球是最容易消耗的部件，建議備份一對。觸發(fā)球見圖7。

圖7 觸發(fā)球

3.3 脈沖觸發(fā)箱工作異常

故障分析:正常狀態(tài)下脈沖觸發(fā)箱是可以通過手動按鈕看到觸發(fā)球隙的火花并聽到火花聲音在觸發(fā)球外響;不正常狀態(tài)為脈沖觸發(fā)箱通過手動按鈕既看不到火花也聽不到聲音。

解決辦法:(1)在設(shè)備安全接地的情況下，將觸發(fā)箱的蓋子打開;(2)拔掉觸發(fā)箱外的高壓線;(3)用尖嘴鉗將觸發(fā)箱高壓輸出端的檢測電極距離觸發(fā)箱外殼約5 mm(圖8);(4)給觸發(fā)箱通電，通過手動按鈕觀察檢測電極處是否對觸發(fā)箱外殼放電;(5)判斷，如果放電說明觸發(fā)箱工作正常，如果不放電說明觸發(fā)箱工作不正常。

日常維護(hù)建議:建議備份一臺。

3.4 要定期對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)及修理

(1)要經(jīng)常清理，避免灰塵，絕緣器件要保持干凈，打掃時不能用棉質(zhì)或紙質(zhì)的材料;

(2)閑置時要防止受潮;

(3)使用一段時間后，機械傳動部分要加潤滑油;

(4)各部件有漏油或異響時，要停止使用，等維修后才能使用;

(5)對某些易耗物品，如脈沖電容器、觸發(fā)球隙、脈沖觸發(fā)箱等進(jìn)行備份。

圖8 觸發(fā)箱內(nèi)部

4 結(jié) 語

雷電沖擊大電流試驗平臺的建立可以模擬雷暴發(fā)生時首次雷擊和后續(xù)雷擊時的電流波形，實現(xiàn)雷電危害性研究及防雷產(chǎn)品有關(guān)性能測試，填補了防雷技術(shù)服務(wù)機構(gòu)在防雷產(chǎn)品標(biāo)稱放電電流、最大放電電流及殘壓等性能測試這一領(lǐng)域的空白，可以進(jìn)一步提升防雷技術(shù)服務(wù)的能力，提高防雷產(chǎn)品的社會監(jiān)督管理力度，從源頭上消除防雷安全隱患。此外，通過雷電沖擊大電流試驗平臺的長期操作運行，總結(jié)了設(shè)備易發(fā)的故障和解決方法，可作為操作人員排除故障的參考，從而保障設(shè)備安全可靠運行。

［1]西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院.GB/T 16927.1—2011 高電壓試驗技術(shù)第1 部分:一般定義及試驗要求［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2]西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院.GB/T 16927.2—2013 高電壓試驗技術(shù)第2 部分:測量系統(tǒng)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［3]信息產(chǎn)業(yè)部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所. GB/T 17626.5—2008 電磁兼容試驗和測量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗［S］. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4]西安電瓷研究所，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，中國電力科學(xué)研究院.GB 11032—2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［5]上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司.GB 18802.1—2011 低壓電涌保護(hù)器(SPD)第1部分:低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和實驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［6]國家電力公司武漢高壓研究所.GB/T 18802.21—2004 低壓電涌保護(hù)器第21 部分:電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器(SPD)性能要求和試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.