一次触发闪电地电位抬升引发的氧化锌电涌保护器损坏事件分析

基于触发闪电开展了电流注入地网后地电位抬升反击氧化锌电涌保护器的试验研究。结合真实雷电环境下测量的电涌保护器两端残压和流经电流的数据, 对一次触发闪电引发的氧化锌电涌保护器损坏事件进行了分析。分析发现, 电流注入地网后, 回击过程瞬间的大能量和长连续电流过程累积的能量相互叠加共同作用损坏了氧化锌电涌保护器。回击发生时, 较大的地电位抬升反击特别是电压的快速上升阶段, 氧化锌电涌保护器内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易遭到局部破坏, 形成穿孔, 电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过, 氧化锌电阻片失去钳制作用, 而当电压缓慢下降时, 电压在氧化锌电涌保护器内部晶界层的分布趋于均匀, 没有损坏的晶界结构又恢复了氧化锌电涌保护器的钳制功能。长连续电流过程形成的残压较小, 但其持续时间很长, 可达几十甚至上百毫秒, 事件中多次致使SPD钳制功能的失效。4次回击过程地电位抬升反击流经氧化锌电涌保护器的电流峰值最大为7.1 kA, 平均值5.4 kA, 占触发闪电注入电流的28.9%。流经SPD的电量范围0.15~0.58 C, 平均值0.44 C, 其值大于8/20 μs标称放电电流20 kA单脉冲释放的电量(0.37 C)。      

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

分析了2019年夏季在广州从化人工引雷试验场获取的14次人工触发闪电通道底部电流数据,以有无回击(RS)和初始连续电流(ICC)持续时间长短2个标准对数据进行分类,研究不同触发闪电和不同放电阶段的差异和规律。研究表明:相比无回击的触发闪电,产生回击的触发闪电具有更大的先驱放电脉冲(PCP)及初始先驱放电脉冲(IPCP)的平均峰值电流、更多的IPCP总体转移电荷量、更大的ICC平均电流和总体转移电荷量以及更长的ICC持续时间;初始连续电流持续时间是回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流大小的重要影响因素,且长初始连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更多;PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC放电持续时间的重要因素,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇,其转化的关键阈值之一是平均转移电荷量大于25.91 μC。     

基于自然闪电下的限压型SPD残压特征分析

选取2017年6月15日和7月8日的2次人工引雷试验人工触发闪电数据,对采集系统记录了2次有明显残压波形的数据进行分析,结果表明:2次人工触发闪电的平均回击雷电流幅值为11.00kA,平均雷电流波形10%~90%的上升时间为0.24μs,平均雷电流的半峰宽度为10.98μs,平均雷电流的回击波形10%~90%的上升陡度38.20GA/s。2次人工触发闪电的平均残压持续时间为387.1μs,残压峰值平均值为969.4V,残压平均值为759.6V。自然闪电通常具有多回击、回击间隔时间短、放电过程复杂多样等特点,有可能破坏SPD热稳定性,加速老化,甚至可能被击穿;而该试验中SPD没有被损坏,主要是因为:人工触发闪电造成架空线路近距离发生闪电感应,尽管SPD的残压值高,但是电流比较小,所以SPD承受的能量不大。     

基于人工触发闪电的开关型SPD性能试验

基于火箭人工引雷,对安装于低压架空配电线路上的开关型SPD进行性能试验。试验中发现,人工触发闪电的初始连续电流过程和回击过程在低压架空线路上感应出的正、负极性过电压在数值上相当,M过程感应出的正、负极性过电压在数值上差异较大,其中回击过程感应过电压幅值最大,均为10.23 kV。对应初始连续电流过程、回击过程和M过程,开关型SPD动作呈现出明显的点火、电弧、熄弧等过程,泄放雷电流的残压持续时间达毫秒量级。回击过程对应的SPD动作过程中存在明显的工频续流,M过程由于电流和能量都相对较小,工频续流过程不明显。雷击电磁脉冲在架空线路上耦合引起的过电流波的波前时间和波尾时间较实验室采用的8/20μs模拟雷电感应波的波前时间和波尾时间大很多倍,其对SPD的考验更残酷。     

一次人工触发闪电连续电流特征分析及其在防护工程中的应用

对一次火箭人工触发闪电的连续电流波形特征进行了分析。结果表明,此次人工触发闪电电流不仅包括了初始阶段连续电流过程,还出现了6次明显的回击间连续电流过程。通过分析发现,初始阶段连续电流持续时间为165 ms,最大负极性脉冲为-5.6 k A,中和电量约26.0 C。回击间连续电流过程持续时间最大值为330 ms,中和电量最大能达到51.1 C,相当于标准中的长时间雷击,其产生的热效应和危害更应值得关注。此外,在分析回击间连续电流时发现,回击后出现了较为明显的中间电流和连续电流过程,也就是标准中对应的B过程和C过程。     

触发闪电产生的地网地电位抬升及暂态效应

对2019年夏季广州市从化区3个雷暴过程中7次触发闪电过程的39次继后回击和10次M分量及其对应的地电位抬升(ground potential rise,GPR)电压数据进行统计分析。分析发现:39次继后回击对应的地电位抬升电压峰值几何平均值能达到-138.97 kV,且波形具有明显的次峰,次峰几何平均值为-90.09 kV,约为最大峰值的64.86%;继后回击引起的地电位抬升电压主要由雷电流泄放引起(相关系数为0.94),感应耦合作用相对较弱(相关系数为0.55),而M分量过程对应的地电位抬升电压则均由雷电流泄放引起(相关系数为0.99)。在雷电流瞬间冲击下,继后回击和M分量过程时的冲击接地电阻均小于工频接地电阻,M分量过程的冲击接地电阻平均值为12.02 Ω,继后回击过程为10.87 Ω。M分量半峰宽度可达毫秒量级,会使浪涌保护器长时间处于动作状态,极易引起浪涌保护器热崩溃损坏。     

雷击接闪杆对DDZ5新型自动气象站的影响及防护措施

当雷击接闪杆向地网泄流时,泄流通道会产生闪电电磁辐射及地电位升高,对DDZ5自动气象站系统造成严重干扰。针对这一问题,分析了雷击接闪杆干扰侵入自动气象站系统的途径,提出了通过截断干扰"源头"的方式,即切断电源线、通信线及设备地线的引雷途径,提出了地网优化设计、SPD保护及屏蔽和合理布线等保护措施,可以有效地屏蔽雷击引起的地电位反击,提高自动气象站系统运行的安全性和可靠性。     

人工触发闪电电流测量及特征性分析

通过对１９９３年７月２７日的人工触发闪电电流、跨步电压的直接测量结果的分析发现,在正电场下触发的慢型放电过程由连续电流和双极性的电流脉冲过程组成,其放电特性与雷暴的电特性有关。闪电电流最大值为１．２ｋＡ,持续时间为２５ｍｓ,中和电荷量为８．９Ｃ。跨步电压与电流的测量结果相一致,是一种间接测量电流的方法。     

人工触发闪电放电过程分析：I.先导放电过程

利用人工触发闪电电场,电流和闪电通道亮度高速摄像观测资料,分析了第一次回击前衔导过程的放电特性,结果指出,对于空中触发,先导传输具有“双向”特征,由于下行先导发展,先导通道电流分布具有不均匀性,连接导线汽化都发生在上行先导阶段。人工闪电第一次回击虽然与自然闪电继后回击特性十分相似,但两者放电特征仍有差别,前者具有曾长的连续电流过程。     

人工触发闪电连续电流过程与M分量特征

在广州野外雷电试验基地,对2008年和2011年夏季人工触发闪电回击之后的14个连续电流过程和43个M分量的通道底部电流、电场变化和通道亮度进行了同步测量和分析。结果表明:M分量的电流、快慢电场变化和亮度变化波形均近似对称;触发闪电连续电流过程的持续时间、转移电荷量、电流平均值的几何平均值分别为22 ms,6.0 C和273 A;M分量的幅度、转移电荷量、半峰值宽度、上升时间、持续时间的几何平均值分别为409 A,205 mC,520 μs,305 μs和1.6 ms;连续电流持续时间与M分量的个数、相邻M分量之间的时间间隔均存在显著的正相关关系。     

一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

基于自主研发的闪电连续干涉仪,对2019年6月11日在中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工引雷试验场成功触发的一次多回击闪电放电全过程进行观测,结合通道底部电流数据和电场变化数据,共同揭示触发闪电全放电过程:连续干涉仪能够定位到最小为8 A的不连续的先驱电流脉冲辐射信号,初始先驱电流脉冲(IPCP)的平均转移电荷量约为先驱电流脉冲(PCP)的2倍;上行正先导连续发展后为初始连续电流(ICC)过程,最初正流光通道以105 m·s-1量级的速度继续发展延伸,之后出现反冲先导放电;在ICC阶段出现的经典M分量,可由向前的106 m·s-1量级速度的正流光(先导)产生,也可由已有通道头部产生的反冲先导产生,且整个M分量过程中,多个反冲先导维持了放电过程的持续;之后的回击间过程以反冲先导为主要放电形式,回击电流脉冲之前存在多次反冲先导过程,但多数未发展到接地通道,只处于企图先导阶段,直至成功的先导回击产生;而前两次回击具有超短的时间间隔,约为4.5 ms,这是由于两次回击前的先导来源于云内不同分支的反冲先导过程。     

A Review of Advances in Lightning Observations during the Past Decade in Guangdong,China

This paper reviews recent advances in understanding the physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as the progress in testing lightning protection technologies, based on a series of lightning field campaigns jointly conducted by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau since 2006. During the decade-long series of lightning field experiments, the technology of rocket-wire artificially triggered lightning has been improved, and has successfully triggered 94 lightning flashes. Through direct lightning current waveform measurements, an average return stroke peak current of 16 k A was obtained. The phenomenon that the downward leader connects to the lateral surface of the upward leader in the attachment process was discovered, and the speed of the upward leader during the connection process being significantly greater than that of the downward leader was revealed. The characteristics of several return strokes in cloud-to-ground lighting have also been unveiled, and the mechanism causing damage to lightning protection devices(i.e., ground potential rise within the rated current) was established. The performance of three lightning monitoring systems in Guangdong Province has also been quantitatively assessed.     

A review of advances in lightning observations during the past decade in Guangdong,China

This paper reviews recent advances in understanding the physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as the progress in testing lightning protection technologies, based on a series of lightning field campaigns jointly conducted by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau since 2006. During the decade-long series of lightning field experiments, the technology of rocket-wire artificially triggered lightning has been improved, and has successfully triggered 94 lightning flashes. Through direct lightning current waveform measurements, an average return stroke peak current of 16 kA was obtained. The phenomenon that the downward leader connects to the lateral surface of the upward leader in the attachment process was discovered, and the speed of the upward leader during the connection process being significantly greater than that of the downward leader was revealed. The characteristics of several return strokes in cloud-to-ground lighting have also been unveiled, and the mechanism causing damage to lightning protection devices (i.e., ground potential rise within the rated current) was established. The performance of three lightning monitoring systems in Guangdong Province has also been quantitatively assessed.     

人工触发闪电先驱电流脉冲波形特征及模拟

2010—2014年夏季广州野外雷电试验基地采用了两种引雷火箭开展人工引雷试验,通过对25次经典人工触发闪电电流资料的分析,进一步证实了当火箭携带铜线时先驱电流脉冲 (precursor current pulse) 为双极性振荡型,火箭携带钢丝时先驱电流脉冲为单极性,其中单极性脉冲电流峰值、10%~90%上升时间、波形宽度和转移电荷量的几何平均值分别为26 A,0.33 μs,2.3 μs,27 μC,双极性脉冲相应的波形参数几何平均值分别为67 A,0.24 μs,2.1 μs,54 μC。双极性脉冲电流峰值的几何平均值接近是单极性的2.6倍,而波形持续时间和上升时间的几何平均值与单极性相近。利用传输线模型,模拟铜线通道底部电流波形呈双极性振荡型,而钢丝通道底部电流波形呈单极性,这与实际测量的结果比较一致,推测这两种电流波形可能是传输线特性阻抗不同所导致,在传输线顶端由先导起始放电产生的电流脉冲应为单极性。     

2009年6月九江一次典型雷击事故原因分析

根据2009年6月江西省九江一次雷击事故现场的勘察结果,利用雷电监测数据和剩磁检测数据对雷电流大小进行了对比分析,认为造成雷击事故的可能原因有三方面,分别是电源SPD的保护级别不够、SPD的容量太小、接地引下线过长和截面积太小。最后,提出了相应的整改建议。