住宅楼防雷装置的直接雷击1

1、通过引雷对住宅楼防雷装置进行直接雷击试验(广东省防雷中心 510080)摘要:在位于佛罗里达州Camp Blanding的国际雷电研究与测试中心(ICLRT)采用了火箭-导线(曳线)技术从雷云中触发雷电,使试验住宅的防雷装置遭受直接雷击.试验住宅的电气线路连接到离房屋50米远的配电变压器的二次侧.变压器的一次侧连接到一根650米长没有加电的埋地电力电缆.试验住宅有两个地极,一个用于防雷接地,另一个用于供电系统接地.两个地极相距大约3米,并且用一根金属电缆相互连接.雷电流在防雷接地处馈入,在测试系统的不同部分对电流和电压进行了测量.试验住宅地极中电流的波形与整个系统其他部分中的电流波形有很大的不

2、同.看来试验住宅的地极滤去了雷电流中的高频分量,而让雷电流的低频分量进入试验住宅的电气线路.这就是说,地极好象起到了电容的作用,而不是通常所预期的电阻作用.对于直流接地电阻在几十欧姆到上千欧姆范围内的地极(打在电导率为2.5×10-4S/m左右的沙地),都观测到了这种效应.所观测到的1)流入试验住宅的电气线路的,2)流入变压器二次侧中性线的,3)流过安装在试验住宅服务设施入户处的SPD的电流峰值都比IEC提出的两种假定情况大.(关键词):地极,雷电,防雷装置 浪涌保护器1 引言我们检验了当住宅楼的防雷装置遭受直接雷击时,IEC提出的关于雷电流在住宅电气线路中分流的两种假设情况.其中一

3、种假设情况由负责建筑物防雷的IEC TC81提出(J.L. Koepfinger,私人通信,1998),如图1a所示.从图中可以看出,假定了全部雷电流的一半流入防雷接地,四分之一流入了电气接地,剩下的四分之一流入了建筑物的电气线路中,而且流入建筑物电气线路的雷电流在安装于服务设施入户处的SPD(12.5%)以及变压器二次侧中性线(12.5%)之间平均分配.另外一个假设可以在IEC61312-1中找到,按照这个假设,如图1(b)所示,50%的雷电流通过建筑物的接地系统(包括建筑物所有互连地极)流入了大地,而另外50%则流入了建筑物的电气线路中(当没有其他金属入户服务设施的时候,例如金属煤气管道等

4、).这样,在两个IEC的假设情况中,全部雷电流的50%或25%进入了建筑物的电气线路,并流到配电变压器的地极以及系统中的其他地极.应当注意到,在图1a和图1b所示的IEC提出的分流情况中,都假定了电路所有部分中的电流波形都是相同的.本文指出, 对于人工触发的,击图1 (a)IEC假设,当遭受雷击时,住宅电气线路不同部分中的电流(用所占馈入雷电流的百分率来表示).(b)IEC61312假设的雷电流在建筑物的接地装置与入户服务设施之间分流的情况中试验住宅的雷电来说,全部雷电流中相当大的一部分(超过80%)可以进入到房屋的电气线路中,而且,地极(打在佛罗里达典型的的沙土中)中的电流波形与测试系统其他

5、部分中的波形有很大的不同.2 试验1997年,佛罗里达大学在位于佛罗里达州Camp Blanding的国际雷电研究与测试中心(ICLRT)进行了一次试验,研究雷电流在试验住宅的电气线路中分流的情况.该电气线路通过50米长的600V埋地三重电缆连接到位于仪器站IS1的20KVA配电变压器的二次侧,如图2所示.在2001年挖开该600V埋地电缆,在其中性线的绝缘层发现了大约40个小孔.这就证实 图2 国际雷电研究与测试中心纵览,Camp Blanding 佛罗里达州了在雷击试验住宅期间有一些电流从试验住宅与IS1之间的电缆中泄漏了.变压器的一次侧连接到了一根650米长的15KV埋地同轴电力电缆,如

6、图3 7 11 所示. 15KV电缆有绝缘层,并且布设在埋地的PVC管道中.电缆在仪器站4(IS4)处开路,电缆的中性线在IS1和IS4处接地.测试系统没有加电.试验住宅有两个地极,一个用于防雷接地(节点A),一个用于供电系统接地(节点B).两个地极相距大约3米,并且通过编织电缆相互连接.由于一个地极长3米,一个地极长15米,都等于或大于它们之间的间隔距离,所以两个地极之间有着相互影响.在Camp Blanding测量到的沙土的电导大约为2.5×10-4S/m.使用了火箭-导线(曳线)技术从自然雷云中引雷.雷电流经过塔式发射架和一段19米长的金属电缆后馈入到试验住宅的防雷接地中(节点

7、A).触发了5次闪击,每次闪击都包含1次及1次以上的回击,雷电流在节点A馈入,如图3 7 11所示.光学探测结果表明,节点A处的地极与节点B处的地极之间没有发生地面弧光放电的迹象.用MACRODYNE闪电瞬时记录器(LTRS)记录下了电流和电压.LTRS是具有7位幅值分辨率(128个量级)及5M采样率的单通道记录器.仅当输入信号的变化大于两个量级时,LTR才会把数字化的输入信号存到存储器中.这就有效地把幅值分辨率降低了一倍,降到了6位(64个量级).数据实际存入存储器的有效采样率根据输入信号速率的变化而变化.具有比较高变化率的信号部分存入存储器的速率高达5MHZ, 而具有较低变化率的信号部分以

8、较低的速率存入存储器.当输入信号为0或近似为直流信号时,速率为最小值76HZ.LTRS没有预触发存储器,也不能由外部触发.触发阈值是单独设置的,这样,LTRS的触发器相互之间独立. LTR波形的校正在数据记录完毕以后,通过检查每个数据文件的整个波形和识别不同数据记录中的共同特征来完成.关于试验设置以及仪器特点的更详细的说明可以在fernandez等的文献中找到.试验了三种不同的配置,表1对这些配置进行了说明,并在图3 7中给出了这些配置的示意图.设计这些配置用于检验试验住宅以及IS1处接地体接地电阻值的变化以及在试验住宅电表处有无安装SPD的影响.普通电度表有两个内置的连接在相线和零线之间的6

9、KV的火花间隙.如果有SPD的话(EFI电子公司的看门卫士,安装在电表基座),它们与火花间隙并联,如图3和图7所示.尽管对于每种配置,只给出一次雷击的结果(在表1中确定),这些结果却是全部数据集中有代表性的.3 结果图3 测试系统配置97-A的电路图(见表1)测试系统中不同点的电流和电压给出的格式如下:对于每种系统配置,给出一个电路图(见图3 7 11),在电路图中,电流测试点用一个标有A及1位数字的圆圈来表示,电压测量点用一个标有V及一位数字的圆圈来表示.所测量到的低频,小电流的接地阻抗值(我们称之为直流接地电阻)以及馈入雷电流的峰值都详细地加以说明. 表1 被测系统配置的说明系统配置的说明

10、配置识别符号测试雷击事件及雷击次数·试验住宅处的接地电阻相对较高:1550(地极A,3米),590(地极B,3米)·安装有浪涌保护器·IS1处的接地电阻相对较高(250,6米)·IS4的接地电阻:124(6米)97-A闪击9706,雷击2次·试验住宅处的接地电阻相对较低:41(地极A,15米),76(地极B,15米)·安装有浪涌保护器·IS1处的接地电阻相对较低(69,12米)·IS4的接地电阻:124(6米)97-B闪击9736,雷击2次·试验住宅处的接地电阻相对比较低:41(地极A,15米),76(地

11、极B,15米)·没有安装浪涌保护器·IS1处的接地电阻相对较低(69,12米)·IS4的接地电阻:124(6米)97-C闪击9717,雷击3次在节点A和B处的地极直径为1.3cm,在IS1和IS4处的直径为1.9cm馈入的雷电流根据流入节点A处接地极的电流测量值以及从节点A流向节点B的电流测量值的和确定.在安装在11米高的木塔上的塔式发射架上测量到的总电流的峰值比馈入的电流峰值大不少,可能是因为火箭发射器以及节点A之间的金属电缆对地发生闪络.图3 7 11中的箭头指明负电荷流动的方向.本文中,我们重点测试IEC提出的如图1a和1b所示的雷电流分流假设的正确性.然而

12、,对于97-A和97-B配置,为了完整起见,我们给出所得到的全部电压和电流的测量结果.没有流入IS4(A15)地极的电流数据,但这可能与在IS1(A13)处流入电缆中性线的电流差别不大,因为电缆有聚乙烯护套,并且布设在PVC管里面.每个电流波形(见图4 5 8 9 12)都标有电路图中给出的测量位置识别符号(见图3 7 11).电流波形分为两组.第一组包括馈入雷电流以及电流A1 A3和A4(A1和A3是在配置97-B中得到的),第二组包括电流A4以及其他所有测量到的电流.注意到配置97-B中有些测量点的位置与配置97-A和97-C不同.图6和10分别给出了配置97-A和配置97-B中测量到的电

13、压波形.电流和电压波形都在200微秒的时间范围内给出.A 配置97-A(b)(a)图4 配置97-A下的电流波形(见表1).(a)馈入雷电流A1+A2 (b)在节点A流入大地的电流(1550欧姆)A1 (c)在节点B流入大地的电流(590欧姆A3) (d)流入试验住宅电气线路的电流A4(d)(c)在这个测试配置中,如图3所示,试验住宅处模拟防雷接地(图3中的节点A)的地极以及模拟供电接地(图3中的节点B)的地极的长度都是3米左右,IS1和IS4处的地极长度都是6米左右.表1和图3中给出了试验住宅处两个地极处相对比较高的直流接地电阻以及IS1和IS4处地极的接地电阻.节点A处地极的直流接地电阻(

14、1550欧姆)几乎比节点B处地极的直流接地电阻(590欧姆)大三倍,这可能是因为在试验住宅附近的土壤性质不均匀而造成的.注意到IEC61024-1中对于保护级别选择为III或IV级的普通建筑物的接地电阻值没有要求.对这些建筑物只要求安装至少两根接地体,或者是2.5m长的垂直接地体或者是5米长的水平接地体,土壤电导则没有考虑.图4中示出馈入的雷电流,流入试验住宅地极的电流以及流入电气线路的电流.在塔式发射器上测量到的总雷电流的负极性峰值大约为17KA,10%-90%的上升时间大约为1微秒,半峰值宽度大约为60微秒.如图4a所示,馈入雷电流的负极性峰值大约为14KA.如图4b所示,流入第一个地极(

15、图3中的节点A)的电流的负极性峰值大约为2.8KA,10-90%的上升时间大约为0.4微秒,半峰值宽度大约为0.9微秒. 如图4C所示,流入第二个地极(图3中的节点B)的电流的负极性峰值大约为1.8KA,波形与流入第一个地极的电流波形相似. 如图4d所示,流入试验住宅的电气线路中的电流的负极性峰值大约为14KA.该电流波形明显地代表了通过两个地极滤波后的馈入雷电流.地极明显地滤掉了雷电流高频分量中的大部分,而让雷电流的低频部分流入试验住宅的电气线路中.有趣的是,虽然节点A处地极的接地电阻较高,节点B处地极的接地电阻较低,但是流入节点A处地极的电流峰值大大高于流入节点B处地极的电流峰值(节点A处

16、高接地电阻的地极中通过的电流峰值要大大高于节点B处低接地电阻的地极中通过的电流峰值).滤波后的电流波形的幅值图4d与馈入雷电流波形的幅值大体一致.这样,看来地极起到了旁路电容的作用,大大降低了进入服务设施入口的电流的波前陡度比较图4的a和d,但是对电流峰值没有太大的影响.电流峰值在这种情况下仍然保持基本不变(测量误差为15-20%).注意到在研究接地系统的瞬态特性的时候,高电导土壤中(Camp Blanding的土壤并非如此)地极的电容通常可以忽略不计.(f)(e)(b)(a)(h)(g)(d)(c)图5 配置97-A下的电流波形(见表1).(a)流入试验住宅电气线路的电流A4 (b)流过SP

17、D的电流A5 (c)流过6欧姆负载电阻的电流A7) (d)变压器二次侧相线X1中的电流A8 (e)变压器二次侧中性线X2中的电流A9 (f)从二次侧中性线X2流向一次侧中性线的电流A11 (g)从一次侧中性线流向15KV电缆的电流A13 (h)在IS1处流入大地的电流(250欧姆)A14馈入服务设施入口处的电流图5a在SPD,负载电阻,服务设施入口处的中性线之间分流.图5b所示的通过SPD的电流呈双极性的波形,在4.7KA左右的正峰值后面跟随有一个3.2KA左右的负极性峰值.图5c中所示的通过6欧姆负载电阻的电流具有大约为3.6KA的负极性峰值,有一些振荡图5c中没有分辨出来,持续时间很短,只

18、有2微秒.这个短的电流脉冲对应于通过SPD的电流中窄的脉冲尖峰图5b.如图5d所示,变压器二次侧相线X1中的电流具有大约为4.7KA的负极性峰值,并在140微秒之内衰减为0.变压器二次侧相线中的电流在变压器二次侧的中性线汇集.如图5e所示,变压器二次侧中性线X2中的电流超过了超过了6.1KA的测量上限,电流超过测量上限的情况持续了30微秒,然后象变压器二次侧相线中的电流一样衰减图5d.如图5f所示,从变压器二次侧的中性线流向一次侧中性线的电流具有大约为14KA的负极性峰值,其波形与变压器二次侧相线中的电流波形相似图5d.如图5g所示,从变压器一次侧中性线流向15KV埋地电缆的电流(可能与在IS

19、4入地的电流波形相似)具有大约为4.8KA的负极性峰值.该电流的波形也与变压器二次侧中相线X1中的电流波形相似图5d.在IS1处入地的电流具有大约为7.9KA的负极性峰值图5h.在t=50s时,流入IS1地极的电流与图5g与流入15KA电缆中性线的电流大小之比为大约2:1.图6 配置97-A下的电压波形(见表1).(a)试验住宅中相线X1与中性线X2之间的电压V1 (b) 试验住宅中相线X3与中性线X2之间的电压V2 (c) 变压器二次侧的相线X1与中性线X2之间的电压V3(c)(b)(a)图6中示出了所有测量到的电压波形.如图6a所示,相线X1与中性线X2之间的电压具有大约为2.4KV的正极

20、性峰值.然后电压保持在550V并且持续了大约30us的时间,最后衰减到近似为零.如图6b所示,相线X3与中性线X2之间的电压具有大约为700V的尖峰,电压稳定在750V并持续了大约100us,可以看出,安装在试验住宅电度表处的SPD动作了.如图6c所示,变压器二次侧的相线X1与中性线X2之间的电压波形看起来象由两个双极性脉冲组成的序列,第一个脉冲具有4KV左右的负极性峰值(可能被削平了),两个脉冲的负极性峰值之间的时间间隔大约为11us.这次试验的主要结果是观测到了试验住宅地极中电流的波形与系统其他部分中的电流波形有很大的不同.地极的长度约为3米,打在佛罗里达典型的沙土中,测量到的沙土电导为2

21、.5×10-4S/m左右,大部分的雷电流似乎被强迫流入了配电系统的接地(IS1和IS4处的地极),而试验住宅处的地极则吸收了与馈入雷电流中初始上升期间的高频分量中的大部分.B配置97-B测试配置97-B与测试配置97-A的主要差别是试验住宅地极的接地电阻更低了,在节点A,从97-A配置中的1550欧姆下降到了97-B配置中的41欧姆,在节点B,则从590欧姆下降到了76欧姆.在IS1的变压器处,从250欧姆下降到了69欧姆.IS4处地极的直流接地电阻保持不变,仍然是124欧姆.地极接地电阻的降低是通过增加每根地极的长度来完成的.试验住宅处两根地极长度从3米增加到大约15米,IS1处的

22、地极长度从6米增加到12米.试验系统配置97-B在图7中示出.应当注意到与图3中所示的97-A配置相比有一些变化.特别是,在97-B配置中,没有测量进入试验住宅的总电流,但可以通过把电流A3减去电流A2来进行估算.还有,通过测量沿着线路X1和X3流向变压器的电流(A6和A7)来代替测量流经负载电阻的电流. 馈入雷电流以及在试验住宅处入地的电流在图8中示出.在塔式发射架上测量到的总雷电流的负极性峰值大约为19KA,10-90%的上升时间为大约0.6us,半值宽度大约为57us.图8a中所示的馈入雷电流具有14KA左右的负极性峰值.与97-A配置相类似,地极A1和A3中的电流波形比馈入雷电流的波形

23、窄得多.应当注意到,与97-A配置相反,在接地电阻高的节点B处的电流峰值要比接地电阻低的节点A处的电流峰值低.进入试验住宅电气线路的电流峰值大约为馈入雷电流峰值的93%(在配置97-A中是100%).其他所有测量到的电流在图9中给出,测量到的电压在图10中给出.与97-A配置相类似,在t=50s时,在IS1流入大地的电流与流入电缆中性线的电流大小之比大约为2:1图7 测试系统配置97-B的电路图(见表1)(c)(b)(a)图8 配置97-B下的电流波形(见表1).(a)馈入雷电流A1+A2 (b)在节点A流入大地的电流(41欧姆)A1 (c)在节点B流入大地的电流(76欧姆A3) (i)(h)

24、(g)(f)(d)(c)(b)(a)(e)图9 配置97-B下的电流波形(见表1).(a)从试验住宅中性线流向变压器的电流A4 (b)流过SPD的电流A5 (c)试验住宅相线X1中的电流A6) (d)变压器二次侧相线X1中的电流A8 (e)变压器二次侧中性线X2中的电流A9 (f)变压器二次侧相线X3中的电流A10 (g)从二次侧中性线流向一次侧中性线的电流A11 (h)从一次侧中性线X2流向15KV电缆的电流A13 (i)在IS1处流入大地的电流(69欧姆)A14 图10 配置97-B下的电压波形(见表1).(a)试验住宅中相线X1与中性线X2之间的电压V1 (b) 试验住宅中相线X3与中性

25、线X2之间的电压V2 (c) 变压器二次侧的相线X1与中性线X2之间的电压V3(c)(b)(a)C 配置97-C配置97-C除了在电度表没有安装SPD以外,其余情况与97-B配置完全一样.配置97-C做实地测试比配置97-B要早,但是在最后才给出,因为我们首先想说明当电表处安装有SPD的时候,直流接地电阻的大小对分流情况的影响.测试系统配置97-C在图11中示出.尽管没有安装SPD,但是电表有着内置的保护火花间隙,可以明显地看出火花间隙动作,为电流沿着相线流向变压器的二次侧提供了通路.而且,有视频证据表明,在测试过程当中,在设施面板的内部及周围存在火花,而且仪(电)表受到了严重的物理损害.馈入

26、雷电流,在试验住宅处入地的电流以及流入房屋电气线路的电流如图12所示.在塔式发射器上测量到的总雷电流的负极性峰值大约为12KA,10-90%的上升时间大约为0.46us,半峰值宽度大约为32us.如图12a所示,馈入雷电流具有大约为9.8KA的负极性峰值.与前面两种配置相类似,看来地极滤掉了雷电流中的高频分量,让低频分量进入试验住宅的电气线路.“滤波”后的电流波形的幅值大约是馈入雷电流波形幅值的81%.当t=50s时,在IS1流入大地的电流与流入电缆中性线的电流大小之比大约为3:1,而在配置97-A和97-B当中,这个比率是2:1.(a)(b)图11 测试系统配置97-C的电路图(见表1)图1

27、2 配置97-C下的电流波形(见表1).(a)馈入雷电流A1+A2 (b)在节点A流入大地的电流(41欧姆)A1 (c)在节点B流入大地的电流(76欧姆A3) (d)流入试验住宅电气线路的电流A4)(d)(c)4讨论表2中总结了三种不同配置(见表1)下在试验住宅测量到的峰值电流.注意到在配置97-C中没有安装SPD,明显地看出内置火花间隙动作.表2中还包括了IEC提出的如图1(a)所示的电流分布情况以及在IEC提出的如图1b所示的分流假设下流入试验住宅电气线路的电流.在IEC提出的分流情况中,假定馈入雷电流的电流峰值为100KA,这对应着剧烈的雷电放电.应当注意到,IEC提出的分流假设意味着不

28、同支路中的电流波形是相同的,所以所有支路的电流峰值相加后将等于原来总雷电流的峰值,而我们的测量结果表明,在试验住宅地极处的电流波形与电路中其他部分的电流波形有很大的不同,因为这个以及其他的一些原因,表2中测量到的电流峰值加起来不是100%,从表2可以看出,流入试验住宅电气线路的电流峰值是馈入雷电流峰值的81%到100%而在IEC的分流假设中仅为25%(图1a)或50%(图1b). 图1a和b所示的两种IEC假设是针对”不可能进行单独计算”的情况的.这种单独计算有时是根据分流情况由系统的低频,小电流接地电阻决定的假设来进行的雷电流在系统中的分流与直流接地电阻成反比.这种方法,尽管明显地不适用于雷

29、电流初始的快速上升部分,但是与IEC关于系统中不同部分的电流具有相同波形的假设是一致的.我们现在考虑分流情况是系统中直流接地电阻的函数,ROUSSEAU还用IEC的方法对此进行了计算,表明这种分流情况与试验数据不一致.我们将在下一段讨论电感的影响.系统中有四个地极,两个在试验住宅处,一个在IS1处,一个在IS4处.表3中给出了在每种测试系统配置下, ROUSSEAU计算出来的电流峰值的分布情况以及所测量到的电流峰值的分布情况.记住试验住宅处两根地极之间的距离是3米,而IS1和试验住宅之间的距离是50米,IS1和IS4之间的距离是650米.从表3的97-A配置中可以看出,流入试验住宅电气线路以及

30、节点B处地极的电流峰值(用百分率表示)的测量值和计算值之间吻合的很好,而流入节点A处地极的电流峰值(用百分率表示)的测量值和计算值之间相差了5倍.而且,本来预计试验住宅处两根地极的分流系数之比等于地极直流接地电阻倒数之比,但是观测结果却与之相反.对于配置97-B和97-C,电流在试验住宅的两根地极之间分流情况的计算结果和测量结果是相似的(特别是对于配置97-B),但是流入试验住宅电气线路的电流百分率的计算值要比观测值小得多(小两到三倍).这样直流接地电阻没有支配试验系统中的分流情况,在电路中各个部分测量到的电流波形有着很大的不同也证实了这一点.特别是,流过试验住宅处的电流波形看起来是相对较窄的

31、脉冲(特别是对于配置97-A),表明馈入雷电流高频分量的大部分流入了这两根地极.正如接下来所进一步讨论的,这表明地极起着电容的作用.BEJLERI对雷击与3根2.4米长的垂直接地体相连的地网进行了研究,指出流入垂直地极的电流的波形要比馈入雷电流的波形窄得多.在系统中的不同部分所观测到的电流波形差别很大,这表明电流峰值不适合用于检验分流情况.我们提出电荷转移量(迁移量)可能是适合分析分流情况的一个更好的物理量,因为电荷转移量由电流的时间积分所决定,因此与电流的波形无关.如果假设这些地极只具有电阻效应,而且用一个大电感把它们与远处地极隔离开,这样也许可以解释在试验住宅地极处所观测到的窄的电流脉冲.

32、实际上,如果雷电流馈入一个通过大电感与另一个地极连接的电阻性地极时,大电感会阻碍电流波形的初始上升部分中的高频分量流向远处地极,高频分量因此被迫流入局地地极.对于雷电流波形随后的下降部分来说,主要是频率较低的分量,电感造成的阻抗比较小,所以允许低频分量流向远处地极.按照这个观点,在电流波形下降期间,电流在馈入点处地极和系统其它部分之间分流的情况由系统的接地电阻来确定.正如我们接下来所讨论的,这种从系统的R-L电路表示图得到的推论与本文给出的实验结果不一致.经过几十us或更少的时间(对于配置97-A是经过几us),试验住宅地极中的电流基本为零,而当t200s时,量级达到千安的可观的电流流入系统.

33、对于配置97-B和97-C,如果地极仅仅具有电阻,那么在电流波形下降期间,流入地极的电流将比流向IS1和IS4的电流大得多,因为在试验住宅两根地极的总电阻(41欧姆与76欧姆并联)要比IS1和IS4处地极的总电阻(69欧姆和124欧姆并联)要小.而且,考虑了测试系统中所有电感效应的EMTP模式结果表明,如果仅用电阻来表示这些地极的话,不能模拟出在两根地极中所观测到的窄的电流脉冲波形.表2 三种不同的配置中,在试验住宅测量到的电流峰值(绝对值)与图1a所示的IEC假设的分流情况的对比配置馈入雷电流流入节点A处地极的电流从节点A流向节点B的电流流入节点B处地极的电流流入试验住宅电气线路的电流流过S

34、PD的电流流入变压器二次侧中性线的电流KA%KA%KA%KA%KA%KA%KA%97-A141002.820141001.813141003.2/4.7 a23/34 a4.6 b33a97-B14100643139342913 c93>6.1>4475097-C9.81005.4557.9812.9307.981-2.7 b28 bIEC100 d10050505050252525(50) e25(50) e12.512.512.512.5a双极性波形的两个峰值 b根据在变压器测得的电流及基尔霍夫电流定律得到粗略估计值c根据在试验住宅测得的电流及基尔霍夫电流定律得到粗略估计值 d

35、电流最大值与IEC通常对普通住宅楼所指定的3或4级保护级别相对应 e括号里的值对应于图1b所示的分流情况表3三种不同的配置中,在试验住宅测量到的电流峰值(绝对值)与ROUSSEAU计算的由低频小电流接地电阻决定的理论电流分布情况的对比配置分流馈入雷电流,100%流入节点A处地极的电流,%流入节点B处地极的电流,%流入试验住宅的电流,%97-A测量值1002013100计算值1004128497-B测量值100432993计算值10040223897-C测量值100553081由于各处的电流波形有比较大的不同,测量到的电流峰值加起来不是100%计算值100402238现在讨论所提出来的地极的电容

36、效应.GRCEV在理论上指出,对于电导率相对低的土壤中的相对较短的地极,当频率超过了所谓的”特征频率”时,会出现电容效应.当频率低于特征频率的时候,接地阻抗与频率无关,也就是电阻性的;而当频率高于特征频率的时候,接地阻抗随着频率的增高而增高(电感效应)或降低(电容效应).土壤电导越高,地极越长,特征频率就越低.当土壤电导率为10-3S/m(比在CAMP BALNDING测量到的土壤电导率高4倍),相对介电常数为10时,如果地极长度从2米增加到128米,特征频率从500KHZ左右降低到大约5KHZ,地极效应在16米长度处从电容效应变为电感效应.预期仅在馈入电流的初始上升部分才有上面所说的电容效应

37、图4 a8a12a,但是在电流波形下降期间观测到试验住宅的地极中的电流近似为零,表明在馈入电流的波尾期间仍然存在这些地极的电容效应.当不考虑试验住宅两根地极的直流接地电阻从1千多欧姆变化为几十欧姆的事实时,似乎在电流波形下降期间,电流在试验住宅处流入大地的阻抗要比流向系统其余部分的阻抗大得多.EMTP的模拟结果表明,如果把这些地极的电容设为几十毫微法,可以模拟出所观测到的通过试验住宅处两根地极的窄的电流脉冲,尽管在随后的时间里面有一些电流持续流过地极.这些电容的数值要比用垂直地极电容标准计算公式计算出来的结果大200倍左右.似乎在金属地极与周围较易导电(湿的沙土)的土壤之间有一层薄的电介质(相

38、当于0.1mm厚的干沙子或0.02mm厚的空气).5建议本文给出的试验结果针对的是电导率相对较低的沙土.针对其他类型的土壤进行类似的试验是重要的.对于高电导率的土壤,地极的电容效应可能不那么明显.还不清楚为什么在流入IS1和IS4地极的电流中没有发现这种电容效应.而且,检验化学物质在雷电浪涌条件下对地极特性的影响是有趣的,这些化学物质有时候加在地极周围来使土壤更加容易导电.最后,应当对其他几何形状的地极(包括环形地极)进行测试.6 总结试验住宅的电气线路连接到约50米远IS1变压器的二次侧,接地系统在三种不同配置下遭受人工触发的雷电放电.变压器的一次侧连接到埋地电缆,埋地电缆在IS4处开路.电

39、缆的中性线在IS1和IS4处接地,分析了馈入试验住宅接地系统的雷电流在整个系统的不同支路中的分流.试验住宅地极似乎滤掉了雷电流中的高频分量,允许其低频分量进入试验住宅的电气线路.换而言之,地极起到电容的作用而不是通常所预期和模拟的电阻作用.对于直流接地电阻在1千多到几十欧姆范围内的地极(打在佛罗里达州典型的沙土中),都观测到了这种效应.我们发现进入试验住宅电气线路的电流峰值超过馈入雷电流峰值的80%,相比之下,在IEC的两种假设情况当中只有25%或50%.还有,所观测到的流入a)变压器二次侧中性线b)SPD的电流百分率要比图1a所示的IEC假设情况大2到4倍左右.因为整个系统当中电流波形变化很

40、大,所以对于研究雷电流在系统中不同支路中的分流来说,电荷转移量明显地是一个更好的物理量.参考文献1Protection against Lightning Electromagnetic Impulse, Part 1:General Principles,IEC 61312-1,19952V.A.Rakov, M.A.Uman, K.J.Rambo, M.I.Fernandez, rr, R.Tottappillil, A.Eybert-Berard, J.P.Berlandis, P.La-lande, A.Bonamy, P.Laroche, and A.Bondiou-Clergerie, “New insights into lightning processes gained from triggered-lightning experiments in Florida