關(guān)于I級(jí)分類試驗(yàn)的10/350us波形研究分析

周昕煒+吳利強(qiáng)+吳丹

摘 要：通過著重論述10/350 us波形在工程應(yīng)用中的不足，對(duì)此波形的出處和其合理性進(jìn)行了仔細(xì)的研究和分析，認(rèn)為在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)摒棄基于10/350 us波形理論制造的放電間隙避雷器的使用。

關(guān)鍵詞：10/350 us波形；雷電參數(shù)；正極性地閃；防雷

中圖分類號(hào)：TU895 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.103

文章編號(hào)：2095-6835（2016）11-0103-02

隨著科技的進(jìn)步和人們?cè)谏a(chǎn)中的實(shí)踐，通過慢慢積累的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，很多按照10/350 us波形設(shè)計(jì)的避雷器在很多場合并不能達(dá)到人們預(yù)期的防護(hù)效果，有的時(shí)候甚至起到了相反的作用：①在2005年，中國的一項(xiàng)研究（包括上萬個(gè)根據(jù)10/350-LPZ理論保護(hù)的電信基站）顯示超過7%的基站受到雷擊的破壞。這比IEC61312-1標(biāo)準(zhǔn)所預(yù)測的超出了不止700%.②2003年以前，MSA（中國海事安全管理局）的基站年損壞率是30%，而這些基站都在以10/350 us波形為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)防雷設(shè)施的保護(hù)下，有些基站每年都會(huì)遭到破壞。后來，MSA拆除了所有的火花間隙，并安裝上了MOV技術(shù)的電涌保護(hù)器。在接下來的10年里，這些基站里的設(shè)備均未再受到雷擊的破壞。③2008年，受過10/350 us波形專業(yè)訓(xùn)練的一些防雷專家指出，只有充分理解及應(yīng)用10/350 us波形、雷電保護(hù)區(qū)域以及火花間隙防雷器，才有可能使鐵路的信號(hào)機(jī)控制系統(tǒng)免遭雷電的破壞。然而，采用了按10/350 us波形設(shè)計(jì)的避雷器后，卻發(fā)生了7.23動(dòng)車事故。在2012-12月，在北京舉辦的第一屆國際車聯(lián)網(wǎng)研討展覽會(huì)上，有人提出了一個(gè)觀點(diǎn)，就是簡單而有效的雷電防護(hù)不是建立在受到10/350 us波形控制的標(biāo)準(zhǔn)上的，中國動(dòng)車事故本可避免。這樣的例子數(shù)不勝數(shù)，越來越多的人開始質(zhì)疑10/350 us波形的合理性和真實(shí)性。那么10/350波形是怎么由來的呢？我們必須究其根源。

1 10/350 us波形的由來

10/350 us波形最早采納的依據(jù)是CIGRE（國際大電網(wǎng)會(huì)議）在電氣雜志發(fā)表的兩篇文章：①1980年發(fā)表的第69號(hào)文章，題目為《閃電參數(shù)在工程中的應(yīng)用》，作者為R.B.Anderson和A.J.Erikson；②另一篇是1975年發(fā)表的第41號(hào)文章，題目為《閃電參數(shù)》，作者為瑞士科學(xué)家Karl.Berger博士。在第一篇文章中，作者主要關(guān)注的是雷電流的波頭特性對(duì)于工程系統(tǒng)的影響研究，而不是主要關(guān)注雷電流的波尾。在文章中作者也一直強(qiáng)調(diào)：對(duì)于雷電流波尾持續(xù)時(shí)間還不能很好地進(jìn)行評(píng)估。所以說，第一篇文章關(guān)于雷電流的持續(xù)沖擊時(shí)間是沒有任何幫助的。那么，我們主要討論的就是第二篇文章。這也是許多采用10/350 us波形作為測試試驗(yàn)波形的重要依據(jù)。本文作者Karl.Berger博士花了超過15年時(shí)間在阿爾卑斯山上的高塔引雷，并分析雷電流特征，最后總結(jié)了10種類型的閃電。在IEC61312-1中，主要關(guān)注的是Karl.Berger博士關(guān)于正極性地閃首次雷擊的參數(shù)，因?yàn)檎龢O性地閃首次雷擊的參數(shù)具有更長的持續(xù)時(shí)間和更大的電流、電荷量和能量。因此，10/350 us波形的采用主要參考了Karl.Berger博士關(guān)于正極性首次雷擊的參數(shù)。

2 對(duì)于Karl.Berger博士的質(zhì)疑

那么，這個(gè)研究結(jié)果到底有沒有參考性呢？筆者翻閱了大量的資料，并分析了10/350 us波形的特征，認(rèn)為10/350 us波形在規(guī)范中的采用具有牽強(qiáng)性，具體闡述如下。

2.1 采樣樣本不足

Berger博士關(guān)于正極性首次地閃的采樣樣本不足，其總共的樣本數(shù)只有可憐的26個(gè)。這么少的樣本數(shù)，連Berger博士本人都覺得是有不足的。在如此之少的樣本面前，這個(gè)結(jié)論未免會(huì)讓人產(chǎn)生懷疑。到了1980年，Berger連續(xù)的研究已經(jīng)使他確信那26次閃電實(shí)際上不是正極性的閃電，而是上行閃電。眾所周知，電流的方向是與正電荷的運(yùn)動(dòng)方向相一致的，與負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向相反的。因此，這26次閃電實(shí)際上是高塔上面的負(fù)電荷向雷雨云中釋放地面的負(fù)電荷的過程，而非雷雨云向地面釋放正電荷的過程。隨后在1984年，Berger博士和Garbagnati博士將所觀察到的所謂的正極性閃電都?xì)w為了上行閃電。其實(shí)，事實(shí)也正是如此，通過大量的觀察和分析，科學(xué)家們?cè)絹碓酱_信，隨著建筑物或金屬物的增高，此建筑物或金屬物上發(fā)生上行閃電的概率就會(huì)大大增加。在2010年，Diendorfer編目了對(duì)閃電的直接測量，取樣地點(diǎn)為美國、意大利、俄羅斯、南非、加拿大、德國、日本、瑞士、奧地利和巴西，研究者們?cè)诟咚惭b了儀器。他們的結(jié)論是，從大多數(shù)的研究看來，高塔上面主要經(jīng)受的是上行閃電。其實(shí)，上行閃電在自然界中是非常罕見的，上行閃電一般只能引發(fā)在高于100 m的塔處。如果沒有塔，則幾乎不可能發(fā)生上行閃電。在2010—2011，Carlos.Romero在瑞士的阿爾卑斯山上，就是靠近Berger博士引雷的高塔不到200 km的地方，記錄到了30個(gè)正極性雷擊。所有的這30個(gè)正極性雷擊都是上行雷擊。那么，Berger博士的研究結(jié)果關(guān)于正極性閃電的參數(shù)實(shí)際是非常值得懷疑的。

2.2 其波形可能是M-組合的結(jié)果

Berger博士所觀察到的上行閃電電流波形有很大的峰值（超過100kA），這可能是M-組合的結(jié)果（連續(xù)電流上的額外電涌），且這些上行閃電具有很長的持續(xù)時(shí)間，主要是由于在微妙級(jí)的波形看來，可以看作是一個(gè)連續(xù)的電流，但是毫秒級(jí)的波形則代表附加的電涌或連續(xù)電流中的M-組合。通俗地說，這些波形可能是由很多后續(xù)的雷擊組成了一個(gè)看似連續(xù)的雷擊。

2.3 該種雷擊閃電在自然界幾乎不存在

200 kA的10/350 us的正極性雷擊閃電在自然界中幾乎不存在：①在巴西，M.M.F.Saba博士組測量了3 000次地閃，其中100次為正極性地閃。在正極性地閃中，只有2次的電流高達(dá)100 kA。②A.Hussein博士用高速照相機(jī)在多倫多的CN塔測量閃電超過10年，他記錄了200次閃電。其中，只有2次是正極性閃電，兩次的最大峰值電流不到20 kA。③中國廣東叢化引雷實(shí)驗(yàn)基地主任介紹說，還沒有成功引到正極性閃電。④在巴西的東南部，建造于1985年的MCS塔測量正極性地閃。由于數(shù)量小，平均峰值電流在統(tǒng)計(jì)上不顯著。⑤在Camp Blanding，在Florida的雷電研究和測試國際中心17年的積極努力中，300次閃電中只有3次是正極性閃電。這三次的峰值電流只有幾十千安。越來越多的實(shí)驗(yàn)表明，在自然界中，200 kA的10/350 us的正極性雷擊閃電幾乎是不存在的。

3 具體應(yīng)用中存在的問題及分析

按照10/350 us波形制作的避雷器主要是開關(guān)型避雷器。其中，開關(guān)型避雷器中最主要的是放電間隙避雷器。然而，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，放電間隙避雷器除了能承受較大的沖擊電流以外，貌似找不出更好的使用這種避雷器的理由了。此種避雷器的反應(yīng)時(shí)間對(duì)于絕大多數(shù)的設(shè)備來說都是無法承受的，因此，這種避雷器必須要和MOV這種限壓型避雷器組合使用，在很多情況下，往往是后一級(jí)避雷器已經(jīng)損壞，而第一級(jí)避雷器還沒有工作。因此，此種避雷器的保護(hù)效率可想而知有多么的低效率。此外，這種類型的避雷器讓源自電源系統(tǒng)的電流通過，從而導(dǎo)致避雷器退化，并縮短了它們的壽命；這種設(shè)計(jì)還讓更多的電涌流入到被保護(hù)的設(shè)備。電涌前端的尖峰對(duì)被保護(hù)的變壓器的沖擊更有壓力。不容置疑的是，這一代避雷器存在著更高的電涌尖峰。對(duì)于一個(gè)纏繞了線圈的金屬物體，由于線圈間及每一線圈與金屬內(nèi)核之間存在分布電容，電壓的分布是不均勻的。頭幾圈的線圈很容易就承受了總電壓的30%～50%，因此，這些線圈比其他的要承受更多的壓力。對(duì)于變壓器或馬達(dá)，無論大小，一個(gè)相當(dāng)幅度的波形就會(huì)導(dǎo)致這種分布不平衡的電壓產(chǎn)生，加在頭幾圈的線圈上。為了減輕這種危害，一般會(huì)并聯(lián)安裝一個(gè)電容，以確保這種入侵的電涌被排除掉。這是一個(gè)可行的策略，以確保不會(huì)被不平衡的分布電壓的入侵。然而，在馬達(dá)或變壓器的端子上使用放電間隙性電涌保護(hù)器來達(dá)到增加電容量防護(hù)電涌電壓的做法有些荒謬。所進(jìn)入的電涌，會(huì)被線間阻抗及并聯(lián)電容所慢慢的傾斜，然后突然間轉(zhuǎn)變成一個(gè)急劇的電壓變化，在頭幾圈的線圈里形成一個(gè)不平衡的分布電壓。當(dāng)電涌足夠大的時(shí)候，放電間隙放電導(dǎo)通然后電壓就會(huì)暴跌。電壓的這個(gè)暴跌與急劇上升沒有區(qū)別，要緊的不是電壓的下降，而是電壓的急劇變化。因?yàn)榉植际遣痪鶆虻?，因此將避雷器安裝在此，它的點(diǎn)火抵消了在此安裝電容器的作用。換句話說，將避雷器與電容器安裝在一起的做法，無異于在馬達(dá)的旁邊建造并安裝了一個(gè)電涌發(fā)生器。無論它暴跌或上升，都是電壓差，會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)線圈的損壞——因?yàn)閷⒁粋€(gè)高速電涌發(fā)生器安置在了它的旁邊。這就解釋了為什么許多遭到損壞的設(shè)備本來是不應(yīng)該遭到損壞的——如果安裝的是非開關(guān)型的保護(hù)器。

4 結(jié)束語

本文初步對(duì)10/350 us波形的出處和合理性進(jìn)行了分析研究。筆者認(rèn)為，在實(shí)際的工程應(yīng)用中應(yīng)摒棄10/350 us波形，特別是要摒棄基于10/350 us波形理論制造的放電間隙避雷器的使用。

參考文獻(xiàn)

[1]Protection against lightning electromagnetic impulse -Part I： General Principles， IEC 61312-1， 1995.

[2]Low Voltage Surge Protective Devices， Part 1： Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-Requirements and tests， IEC 61643-1， 2002.

[3]Protection against lightning， IEC 62305-1， 2005.

[4]K. Berger， R.B. Anderson & H. Kr?ninger， -Parameters of lightning flashes，” CIGRE ELECTRA No 41， p. 23-37， 1975.

[5]R.B. Anderson， A.J. Eriksson， Lightning parameters for engineering application， CIGRE ELECTRA No 69 p. 65-102， 1980.

[6]F. D. Martzloff， Editor， IEEE SPD Committee Work Group 3.6.5 ，-Reality Check Initiative on the Equivalency of 8/20 versus 10/350 Waveforms for Testing Surge-Protective Devices‖， P. 1 & Annex A （Maytum）， p.1， presented at the IEEE PES General Meeting， Montreal， Canada， July 2006.

[7]W.A. Lyons， M. Uliasz， and T.E. Nelson， "Large peak current cloud-to-ground lightning flashes during the summer months in the contiguous United States" Mon.Wea. Rev.， vol. 126， 2217-2223， 1998b.

[8]K.L. Cummins， E.P. Krider， and M.D. Malone， -The U.S. Nationl Lightning Detection NetworkTM and Applications of Cloud-to-Ground Lightning Data by Electric Power Utilities， IEEE Transactions EM-40， no. 4， Nov. 1998.

〔編輯：胡雪飛〕