限压型SPD安全性试验

氧化锌压敏电阻(MOV)和热脱离保护装置是限压型电涌保护器(SPD)的核心部件,直接决定SPD的安全性能。深入分析这2个部件的失效模式,总结出部件设计需要考虑的参数因子十分必要。本文通过试验研究了MOV在最大持续工作电压Uc下工作温度升高、冲击电流过大及暂态过电压3种情况下的故障模式,并在MOV故障模式下对热脱离保护装置进行性能试验,得出提高限压型SPD安全性的措施:(1)选择匹配的MOV(包括通流能力和残压、高温稳定性、过大冲击电流下工频耐受能力、暂态过电压耐受能力);(2)设计可靠的热脱离保护装置(包括材料属性、取热点位置、脱扣距离、脱扣力及其焊接工艺、增加内置式过电流保护装置等)。     

两种试验类型防雷SPD之间的电流值换算

为探讨Ⅱ级试验防雷SPD(浪涌保护器)的最大放电电流I_(max)(8/20μs)值与Ⅰ级试验防雷SPD的冲击电流I_(imp)(10/350μs)值之间的等效关系,采用将I_(max)(8/20μs)电流波和I_(imp)(10/350μs)电流波分别等效为斜角波的方法,分别计算Ⅱ级试验SPD承受的I_(max)(8/20μs)电流波能量和Ⅰ级试验SPD承受的I_(imp)(10/350μs)电流波能量,令两者的能量相等,分析计算出I_(max)(8/20μs)和I_(imp)(10/350μs)应满足的比值关系。通过分析计算得出:当Ⅱ级试验SPD的电压保护水平值与Ⅰ级试验SPD的电压保护水平值相等时,Ⅱ级试验SPD的最大放电电流I_(max)(8/20μs)值为Ⅰ级试验SPD的冲击电流I_(imp)(10/350μs)值的21.56倍,两者所能承受的能量大致相等。     

基于组合型电涌保护器能量配合的实验研究

针对组合型电涌保护器(SPD)中主要防雷元件之间的能量配合问题,依据IEC 62305-4与GB 50343—2010的规定要求,通过对气体放电管(GDT)、金属氧化物压敏电阻(MOV)、瞬态抑制二极管(TVS)进行理论概述,再对这3种常见的防雷元器件进行并联组合后,分别进行多次冲击实验,发现不同的防雷元件的合理并联配合使用对于提高SPD整体的响应速度,缩短动作过程时间,提高SPD的通流容量与限压水平具有明显的效果.实验结论对于组合型SPD的设计具有一定的实际参考价值.     

MOV长波和短波通流容量的折算关系探讨

目前IEC(国际电工委员会)和我国国家标准对SPD(电涌保护器)的通流容量要求(工程中常以最大放电电流Imax表征通流容量)有两种波形:10/350和8/20μS,分别用于SPD的Ⅰ类和Ⅱ类试验中.     

雷电脉冲下金属氧化物压敏电阻并联的性能分析

金属氧化物压敏电阻(MOV)是电涌保护器(SPD)的核心部件,为了提高SPD的通流量,厂家通常采用MOV并联的方式。为了研究MOV并联的耐压性能,本文利用组合波发生设备,分别对单片MOV与双片并联MOV加载雷电脉冲。研究发现:并联组合的MOV的残压比单片MOV要低;并联组合MOV保护水平高于单片MOV;保护水平的不同是MOV的电流偏差引起的;对MOV均流性并联能尽量降低电流偏差。     

浅析SPD在住宅小区供电系统中的应用

通过电涌保护器(SPD)在某住宅小区经受雷击考验的案例,依据<建筑物防雷设计规范>要求,总结了住宅小区浪涌保护器的设置依据与方法.对于独立低压电源埋地电缆进入住宅楼的配电方式,只需在住宅楼房总配电箱安装一级SPD,不必要在每个单元或总电源处低压侧再安装SPD;对于架空低压线路配电方式,需要加大选定SPD的标称放电电流或冲击通流容量即可.从住宅人身安全考虑,住宅楼还应设置等电位接地端子,特别是洗浴卫生间必须设置局部等电位接地端子.     

电涌保护器电压保护水平值的合理判定

通过对一个防雷设计方案的分析,阐述了如何正确理解防雷设计方案中电涌保护器(SPD)的标称放电电流、电压保护水平(Up)等参数。通过对两个型号的Ⅱ级试验SPD检测报告中数据的对比分析,指出不应仅以SPD的铭牌上标注的电压保护水平(Up)值作为电压保护水平是否符合设计要求的依据,应结合SPD检测报告中的数据综合判断。建议生产商根据检测报告,标注几个标称放电电流值以下的特征电流对应的Up值,或者在产品说明中绘制冲击电流残压曲线图,完善SPD限压特性的描述。     

Ⅱ级试验SPD泄放雷电冲击电流的可行性

通过试验的方法,采用脉冲电流发生器,对不同标称放电电流的Ⅱ级试验SPD,施加波形为10/350μs的电流波,考察Ⅱ级试验SPD所能通过的冲击电流与其标称电流的关系,从而对用Ⅱ级试验SPD泄放雷电冲击电流的可行性进行分析。试验结果表明:试验中的四个不同品牌型号的Ⅱ级试验SPD分别能通过其标称流0.075、0.075、0.1、0.125倍的冲击电流值,平均理论偏差为-6.25%,与相关理论研究相符;用Ⅱ级试验SPD泄放雷电冲击电流是可行的,但对于所能通过的冲击电流与标称放电电流的比值,不同品牌和型号之间有较大差异。由于受市场上实际产品的限制,在实际应用中,用Ⅱ级试验SPD代替Ⅰ级试验SPD作为第一级SPD可行性低。     

初始长连续电流引起的地电位抬升和SPD损坏

在电子电气系统接地领域,地电位抬升对电子设备的破坏效应一直是人们关注的焦点。基于触发闪电技术,开展了地网地电位抬升冲击电涌保护器(surge protective device,SPD)的观测试验,重点分析了触发闪电初始长连续电流过程对SPD的冲击和损坏效应。结果发现,触发闪电注入地网后,闪电的初始长连续电流和继后回击的共同作用下很容易造成额定通流量的SPD损坏,当流经SPD的能量累积达到一定程度时仅初始长连续电流过程也会损坏SPD;冲击SPD的效应与初始长连续电流过程的不同的波形密切相关,当长连续电流过程叠加上升沿较快幅值较大的初始连续电流脉冲(ICCP,initial continuous current pulse)时,流经SPD的能量会迅速增加,是长连续电流过程中SPD损坏的最为关键因子。个例分析发现,当初始长连续电流过程持续时间和平均电流量级达到100 ms和200 A左右,泄放电量为25 C,流经SPD的能量达1000 J左右,易造成标称放电电流20 kA甚至更高的SPD损坏。     

GB 50057与GB 50343关于SPD规定对比

建筑物内低压电源系统电涌保护器(SPD)设计和安装等依据的技术规范为GB 50057-2010和GB 50343-2012。由于两个规范对SPD的相关规定存在较大差异,导致防雷工作中SPD设计、安装等标准无法统一。从SPD术语、安装位置、放电电流、级别设置相关条款进行对比分析,发现:1SPD术语仅翻译不同。2GB 50343对SPD安装位置要求较准确;GB 50057关于SPD放电电流的规定更合理。3SPD级别设置的计算方法不同。     

Analysis of Heat Budget, Dissipation and Frontogenesis in a Shallow Density Current

High frequency wind and temperature measurements, obtained in March 1995 from a 10-m tower array situated in south-east Kansas, are used to analyze the structure of a shallow density current. This current is approximately 7 m deep and exhibits a current head that is estimated to be about twice the current depth. The event lasted approximately 900 s and its origin appears to be a shallow slope 2–:5 km to the west of the site, where cold air drainage occurs. The onset of the event is marked by a 5 °C temperature decrease at the 3-m level, increased variance of temperature and of wind velocity, and increased dissipation of kinetic energy, measured by a hot-wire anemometer at the 3-m level. The primary contributors to temperature changes following the frontal passage are both horizontal and vertical advections; contributions from flux divergences of temperature and of radiation, and from dew formation, do not appear to be significant. Postulated frontogenesis, prior to the arrival of the apparent equilibrated front of approximately 176-m width at the site, is examined by means of a theoretical model. The time required to equilibrate the front, by means of kinetic energy dissipation within the frontal zone, is determined to be less than 300 s, or less than the estimated travel time from the orographic slope to the observational site. The absence of upstream data is determined, however, to be a limitation of the analysis performed.     

天津地区雷电流幅值及累积概率分布特征

为研究天津地区雷电流幅值特征,选取2008—2018年ADTD闪电定位数据,研究分析了雷电流幅值时间分布特征和累积概率分布特征。结果表明:天津地区11 a间共计发生闪电106474次,负闪占比89.26%,远高于正闪;雷电流幅值主要集中在2—100 kA,占闪电总数的97.76%,160—200 kA范围内的闪电次数较少,平均正闪电流强度明显大于负闪电流强度;雷电流强度季节特征较为显著,正闪雷电流强度呈双峰分布,负闪雷电流强度分布较为平均,春季正闪活动频繁,秋季次之,夏季负闪频发,冬季雷电活动发生较少,以正闪居多;雷电流高于25 kA时,正闪电流幅值累积概率显著高于负闪,低于25 kA时,负闪电流幅值累积概率高于正闪。负闪电流幅值的累积概率分布与总闪更为接近,与正闪分布差异显著,闪电总数电流累计概率分布主要受负闪影响。通过对比分析发现IEEE工作组(电气与电子工程师协会)推荐的累积概率分布函数更适合于天津地区,特别是雷电流幅值在25—55 kA范围内时,累积概率与推荐公式基本相同。将天津地区雷电流幅值累积概率公式尝试应用于雷电灾害风险评估中,可为精准确定雷电灾害风险评估参数P_(B)取值,精确计算雷击建筑物损失风险提供参考。     

Transient currents in the global electric circuit due to cloud-to-ground and intracloud lightning

Intracloud (IC) and cloud-to-ground (CG) lightning flashes produce transient changes in the electric field (E) above a thundercloud which drive transient currents in the global electric circuit (GEC). Using in-cloud and above-cloud E data from balloons, ground-based E data, and Lightning Mapping Array data, the above-cloud charge transfers due to lightning transients are estimated for five IC and five CG flashes from four thunderstorms that occurred above the mountains in New Mexico, USA, in 1999. For the five CG flashes (which transferred − 4 to − 13 C to the ground), the transient currents moved + 1 to + 5 C of charge upward from cloudtop toward the ionosphere, with an average transient charge transfer of about 35% of the charge transferred to ground. For the five IC flashes (which neutralized 6 to 21 C inside the cloud), the transient currents moved − 0.7 to − 3 C upward, with an average transient charge transfer of about 12% of the lightning charge. Estimates for three thunderstorms indicate that the transient currents made only a small GEC contribution compared to the quasi-stationary Wilson currents because of the offsetting effects of IC and CG flashes in these storms. However, storms with extreme characteristics, such as high flash rates or predominance of one flash type, may make a significant GEC contribution via lightning transients.     

雷电流幅值概率分布特征及累积概率分段修订

为了研究雷电流幅值概率分布特性及雷电流幅值累积概率曲线拟合效果,以满足防雷工程设计和雷击风险评估工作需要,根据湖北省2007—2013年雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)监测的雷电流幅值资料,统计分析了雷电流幅值累积概率和密度分布特征。结果表明:正闪和负闪电雷电流幅值累积概率分布差异较大,负闪电雷电流幅值累积概率分布比正闪电更集中,负闪和总闪电的雷电流幅值累积概率分布曲线基本相同;雷电流幅值强度大部分集中在10~50kA。根据IEEE推荐的雷电流幅值累积概率分布表达式,拟合了不同极性的雷电流幅值累积概率分布公式。雷电流幅值小于110kA时,采用IEEE拟合公式计算的雷电流幅值累积概率与实测值间的相对误差较小;雷电流幅值大于110kA时,计算值与实测值间的相对误差随雷电流幅值的增加而增大。采用该文给出的分段修订公式,计算在110kA以上的雷电流幅值累积概率与实测值间的相对误差在2%以内。由IEEE推荐表达式拟合雷电流幅值累积概率分布和概率密度分布时,负闪和总闪电雷电流幅值累积概率分布拟合效果明显比正闪电好,其原因可能与正闪电分布特性有关。     

雷电强度客观分级方法探讨

利用2007—2016年湖北省雷电监测系统获得的雷电资料,经过统计分析雷电流幅值、雷电陡度的特征,建立了雷电强度等级评估模型。采用对称不等间隔四级法,将雷电强度分为弱(Ⅰ)、中等(Ⅱ)、强(Ⅲ)和极强(Ⅳ)4个等级,并计算出各等级划分阈值。检验了分级阈值的合理性,同时用雷电灾害情况对分级结果作了进一步检验,结果表明雷电强度分级方法是客观可行的,能够为雷电灾害评估和等级划分、雷电预报预警等工作提供重要的参考。     

基于LLS的雷电流波头时间分布特征

利用湖北省2007—2013年雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)监测的雷电流相关参数资料,采用数理统计方法,对雷电流波头时间的年、季、月、日变化以及累积概率和概率密度分布进行了统计分析。结果表明,正闪电平均波头时间为4.8μs,负闪和总闪电为3.6μs;一年中,正闪电7月波头时间最短,月变化特征大致呈"V"形;负闪和总闪电5—7月波头时间比其他月份短,月变化特征大致呈"U"形。正闪电波头时间季节、日变化明显,负闪和总闪电季节、日变化不明显。波头时间小于等于10μs时,正闪、负闪和总闪电的波头时间累积概率分别为95.5%、99.7%和99.6%,总闪电95%的波头时间大于1.5μs,50%的大于3.1μs,5%的大于6.0μs。波头时间在2~3μs时,正闪、负闪和总闪电的概率密度最大。气温较低月份,波头时间相对较长,反之,波头时间相对较短,其原因可能与雷电流幅值大小有关,具体原因有待进一步研究。     

利用低频磁场天线遥感测量人工引雷中的初始连续电流

2014年夏季的山东人工引雷实验中,我们利用高灵敏度宽频段磁场天线在距引雷点78 m的距离上开展了对人工引雷初始连续电流过程的遥感测量。通过分析实验期间5次人工引雷的综合观测数据,发现磁场遥感方法对人工引雷中特有的初始连续电流有很好的反演效果。通过对78 m距离上获得的磁场测量信号进行积分处理,能够有效地抑制测量过程中白噪声的影响,从而反演得到初始连续电流的低噪声时变波形。该方法为获取空中引雷实验中的初始连续电流波形提供了一种解决方案,同时也可用于反演近距离自然闪电中地闪回击中的长连续电流的时变波形。     

用磁带消磁法测量闪电峰值电流

利用磁带的磁化效应测量闪电流是一种简易易行的方法。该装置价格低廉、安装方便、１９４年和１９９５年用该装置测量人工引雷的峰值电流、取得了罗好的结果。     

Modeling the electric structures of two thunderstorms and their contributions to the global circuit

This study examines the electricity in two thunderstorms, typical for their respective locales (the Great Plains and the New Mexico mountains), by modeling them as a set of steady-state horizontal layers of external currents. The model electric sources, corresponding to the charge separation processes in the thundercloud, are embedded in an exponential conducting atmosphere. The source parameters are determined by fitting the model electric field to measured profiles. The resulting currents to the ionosphere (i.e., the Wilson current) from the two storms are 0.53 A and 0.16 A, while the calculated electrical energies of the storms are 2.3 × 10¹⁰ J and 2.8 × 10⁹ J, respectively. The more vigorous storm is estimated to transfer 16 000 C in the global circuit during 8.5 h of its lifetime, while the weaker mountain storm transferred about 1200 C in its entire 2-h lifetime. Removal of the screening charge layer from above the updraft region in one modeled storm leads to only a small increase in the net Wilson current of less than 3%, while it provides a substantial local disturbance of the electric field. Overall, the model findings indicate that differences in the Wilson currents and electrical energies of the two storms result from differences in their internal dynamical and electrical structures as well as their geographical locations.     

山东地区闪电特征分析

利用2007—2011年福建省ADTD闪电定位监测数据, 选取了雷电流幅值和陡度2个参数作为闪电强度的评价指标, 根据其统计特征进行了分析, 通过确定权重和统一量纲, 将2个参数融合在一起, 提出了闪电强度的概念。利用加权求和法建立了闪电强度等级划分的数学模型, 以99%、90%和10%三个分位数确定阈值分割点, 并将闪电强度等级定性地划分为极强、强、中等和弱四个量级, 其结果能够为雷电预警预报信息发布、雷电灾害调查和雷击风险评估等业务和相关决策服务提供直观参考依据。