【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 雷擊電流波形 如上所述，一些國(guó)家通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)表了很多測(cè) 試結(jié)果。因觀測(cè)的地理環(huán)境和氣候條件的不同，測(cè)試結(jié)果也各不相同。即使在同樣條件下，觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)也不盡相同。根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)在 1995 年頒布的文件中提供了雷電流參數(shù)?？紤]到防雷的經(jīng)濟(jì)性，綜合建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電災(zāi)害事故的可能性及后果，我國(guó)采用 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，在 GB5005794(2020 版 )中公布了雷電流參數(shù)見(jiàn)表 、表 、表 所示。 13 表 首次雷擊的雷電流參量 雷電流參數(shù) 防雷建筑物類(lèi)別 一類(lèi) 二類(lèi) 三類(lèi) I 幅值（ KA） 200 150 100 T1波頭時(shí)間（ 181。s) 10 10 10 T2半值時(shí)間（ 181。s) 350 350 350 Qs 電荷量（ C） 100 75 50 W/R 單位能量（ MJ/Ω） 10 表 后續(xù)雷擊的雷電流參量 雷電流參數(shù) 防雷建筑物類(lèi)別 一類(lèi) 二類(lèi) 三類(lèi) I 幅值（ KA） 50 25 T1波頭時(shí)間（ 181。s) T2半值時(shí)間（ 181。s) 100 100 100 I/T1平均陡度（ KA/181。s） 200 150 100 表 長(zhǎng)時(shí)間雷擊的雷電流參 量 雷電流參數(shù) 防雷建筑物類(lèi)別 一類(lèi) 二類(lèi) 三類(lèi) Qs 電荷量（ C） 100 75 50 T 持續(xù)時(shí)間（ s) 雷電流的波形分析 1 雷電流波形種類(lèi) 雷電流波形可用雷電流的波頭時(shí)間和半值時(shí)間表示。如波形的波頭時(shí)間為 2μs，半值時(shí)間為 80μs，那么這個(gè)雷電流波形就表示成 2/80μs。 各國(guó)測(cè)得的雷電流波形基本一致，波頭長(zhǎng)度大多在 1～ 5μs，平均約為 2～ 。我國(guó)在防雷保護(hù)設(shè)計(jì)中建議采用 。半值時(shí)間在 20～ 100μs，平均約為 50μs，大于 50μs 的僅 14 占 18～ 30%。在防雷保護(hù)計(jì)算中，雷電流的波形可采用 。為了對(duì)電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的精密設(shè)備進(jìn)行有效的防護(hù)，使其免遭雷電的危害， GB5005794(2020 版 )規(guī)定首次雷擊的波形采用 10/350μs，后續(xù)雷擊波形采用 。 2 雷電流波形函數(shù)表示 （ 1） 雙指數(shù)函數(shù) 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)，雷電流隨時(shí)間近似指數(shù)函數(shù)上升到峰值，然后又近似指數(shù)函數(shù)下降，因此雷電流可采用兩個(gè)指數(shù)曲線之差的形式來(lái)表示其波形，這種表示方式和大多數(shù)實(shí)際測(cè)得的波形比較相似。稱(chēng)為 BruceGolde 方程，又可稱(chēng)雙指 數(shù)函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式表示 [5]。 )()( 210 TtTt eeItI ?? ?? 式 (33) 后來(lái)又表示成 )()( 0 tt eeItI ?? ?? ?? 式 (34) 上式中 I(t)—— t 時(shí)刻的回?fù)綦娏鲝?qiáng)度，單位： kA； I0—— 雷電流峰值，單位： kA； α —— 波前衰減系數(shù)； β —— 波尾衰減系數(shù)； 雙指數(shù)函數(shù) 在數(shù)值運(yùn)算和傅氏變換中能夠簡(jiǎn)化運(yùn)算，又能夠很好的模擬雷電流波形，但它在 t=0 時(shí)導(dǎo)數(shù)最大，這與實(shí)際情況中電流波形在 t=0 時(shí)導(dǎo)數(shù)為 0 不符，不適用于電磁場(chǎng)計(jì)算。 （ 2） 余弦函數(shù) 經(jīng)過(guò)近年的觀測(cè)得到大多數(shù)的第一次主放電電流波形在其上升到幅值之前時(shí)比較緩慢，然后再轉(zhuǎn)入陡的部分，其波頭接近于用余弦函數(shù)來(lái)表示的波形。用余弦曲線表示時(shí)，因?yàn)槔纂娏髯畲蠖付瘸霈F(xiàn)在 I0/2 處， 以此進(jìn)行雷擊電流計(jì)算時(shí)可以得到較高的結(jié)果而偏于可靠 。因此在防雷設(shè)計(jì)時(shí)，采用半余弦波函數(shù)如公式 (35)所示 [6]。 ?????????? )( 2/)2c o s1()(2100tTTtI ftIti ? 2110 TtT Tt ???? 式 (35) (3) 斜角波函數(shù) 余弦曲線計(jì)算較為繁瑣，因而往往簡(jiǎn)化為直線，也就是用斜角波來(lái)表示，通過(guò)最大陡度和平均陡度的轉(zhuǎn)化，可以使采用斜角波的計(jì)算結(jié)果和采用余弦波的計(jì)算結(jié)果基本一致。因此在雷電過(guò)電壓計(jì)算中常采用等值斜角波函數(shù)為 [6] 15 ?????????? )( )/()(21010tTTtI TtIti 2110 TtT Tt ?? ?? 式（ 36) (4) 脈沖函數(shù) 由于指數(shù)函數(shù)能夠便于傅氏變換及相關(guān)計(jì)算，因此，文獻(xiàn) [7]提出了雷電流脈沖函數(shù)表示，脈沖函數(shù)克服了雙指數(shù)函數(shù)在 0 處不可導(dǎo)的困難，大大減小了雷電流數(shù)值計(jì)算工作量，有助于更加方便地進(jìn)行雷電電磁場(chǎng)的理論計(jì)算。其表達(dá)式如下 ? ? 21 )1(0 ??? tnt eeItI ???? 式 (37) 其中峰值修正因子 21 /)1( ??? ana tt?? ， )/( 211 ??? nta ?? 相對(duì)雙指數(shù)而言， 2/1??? ， 1/1??? ，當(dāng) n=2 時(shí)，脈沖函數(shù)與 Heidler 函數(shù)能夠擬合的非常好。因此，在計(jì)算過(guò)程中，電磁脈沖函數(shù)可以表示成公式 (38)。 tt eeItI ??? ???? 20 )1()( 式（ 38） 其中 ???? ??? ?? )2.()22( 2 ??? 式（ 39） 典型雷電流沖擊波破壞能力對(duì)比分析 前面我們已經(jīng)介紹了，描述雷電流 的參數(shù)有很多 。但是決定雷電流破壞能力的參數(shù)主要為雷電流的幅值、單位能量、最大陡度以及最大感應(yīng)電磁場(chǎng)。 在雷電過(guò)程中，有首次雷擊、后續(xù)雷擊等多種雷擊形式，那么，在實(shí)際防雷設(shè)計(jì)中，只要能防止破壞性最大的雷電流對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成破壞，就能夠確保防雷工程的合理性。 下面針對(duì) 節(jié)所描述的 10/350μs、 ，取其波形參數(shù) (幅值最大值對(duì)應(yīng)參量 )，分別對(duì)其進(jìn)行分析。 (1)單位能量 W/R 根據(jù)表 以及表 中的相關(guān)參數(shù)，參考式 (32)可計(jì)算如下 22)()2/1(/ TIRW ???? ?????? /10350)200()()2/1(/ 2)350/10( MJskARW s ?? ?????? / 0 0)50()()2/1(/ 2)100/( MJskARW s ?? 16 (2)最大陡度 kA/μs 根據(jù)表 以及表 中的相關(guān)參數(shù)，參考式 (34)可得出下列方程組 首次雷擊 (10/350μs) ?????????????????????????????6146121035 01010442211tttteeeeeetttttt?????? 后續(xù)雷擊 () ?????????????????????????????61461210100442211tttteeeeeetttttt?????? 解上述方程組求得。 首次雷擊：α = 103，β = 105 后續(xù)雷擊：α = 103，β = 107 又根據(jù)式 (38)，將上所求的α、β值分別代入，可得出脈沖函數(shù)的解析式為： 首次雷擊： tt eeItI 35 )1(9 )( ?????? 式（ 310） 后續(xù)雷擊： tt eeItI 37 )1()( ?????? 式（ 311） 要求 max(di/dt)，可利用微分法，對(duì) di/dt 進(jìn)行微分，即 d(di/dt)/dt，令 d(di/dt)/dt=0，可求得最大陡度時(shí)間，從而得到最大陡度值。計(jì)算如下 ])2()(2[/])1([/)(/)2()(020ttttteeeIdteeIddttdIdtdi?????????????????????????????? 式（ 312） 于是， ])2()(2[])2()(2[)/()2(2)(220)2()(20tttttteeeIeeeIdtdtdid???????????????????????????????????????????? ?????? 式 (313） 令 d(di/dt)dt=0，并分別代入α、β值，可計(jì)算出最大陡度值和時(shí)間，結(jié)果如下： 10/350μs 波形中，當(dāng) t= 時(shí)， di/dt 取最大值，為 ，此時(shí)雷電流為幅 17 值的 1/4 左右； ，當(dāng) t= 時(shí)， di/dt 取最大值，為 kA/μs，此時(shí)雷電流為幅值的 1/4 左右。 (3)瞬態(tài)最大磁場(chǎng)值 在其他條件相同情況下，雷電流產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場(chǎng)值與電 流值成正比，即 )(/)()(/)( 2121 tititHtH ? 因此， 450/200 // )100/ a x ()350/10m a x ()100/ a x ()350/10m a x ( ?? ? ssss iiHH ???? 通過(guò)以上計(jì)算，我們得到了一些非常有用的數(shù)值。首次雷擊波形中，max(di/dt)=；后續(xù)雷擊波形中， max(di/dt)= kA/μs。兩者陡度最大值都在雷電流幅值的 1/4 處左右。并得到了以下結(jié)論： （ 1） 首次雷擊的雷電流單位能量遠(yuǎn)大于后續(xù)雷擊，是后續(xù)雷擊單位能量的 55 倍多，能夠造成更嚴(yán)重的物理破壞作用和 產(chǎn)生焦耳熱量，對(duì)物質(zhì)的直接破壞作用大； （ 2） 首次雷擊的雷電流幅值以及產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)也大于后續(xù)雷擊，而磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)直接或間接影響著電子設(shè)備的安全和正常工作，磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)電子設(shè)備的危害也越大； （ 3） 但是，后續(xù)雷擊的最大陡度卻是首次雷擊最大陡度的 10 倍左右。陡度越大，在金屬物質(zhì)上感應(yīng)的電壓或電流就會(huì)越大，對(duì)電子設(shè)備會(huì)造成直接的破壞。由此可知，后續(xù)雷擊所產(chǎn)生的環(huán)路感應(yīng)電壓要比首次雷擊強(qiáng)，后續(xù)雷擊的破壞作用大。 因此，對(duì) LEMP(雷擊電磁脈沖 )防護(hù)而言，應(yīng)主要考慮首次雷擊的感應(yīng)電磁場(chǎng)破壞作用和后續(xù)雷擊的 感應(yīng)過(guò)電壓（或過(guò)電流）破壞作用。這為雷電的分析研究和防護(hù)工程提供了方向。 雷電感應(yīng)電磁環(huán)境及其危害 根據(jù)上一節(jié)中提供的雷電流特性參數(shù)和對(duì)雷電流特性的分析研究，以及當(dāng)前變電站二次系統(tǒng)設(shè)備對(duì)于雷電防護(hù)的緊迫性，確定在對(duì)變電站二次系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行綜合防護(hù)時(shí)，必須重點(diǎn)考慮雷電感應(yīng)危害的防護(hù)。一方面，考慮首次雷擊強(qiáng)雷電流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁脈沖干擾破壞作用；另一方面，必須對(duì)后續(xù)雷擊的感應(yīng)過(guò)電壓作用進(jìn)行防護(hù)。那么，雷擊時(shí)，變電站內(nèi)的電磁環(huán)境到底如何？其對(duì)主控室內(nèi)的二次系統(tǒng)設(shè)備的危害又有多大呢？本節(jié)對(duì)變電站內(nèi)雷電感應(yīng)危害 予以分析研究。 18 雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)對(duì)二次系統(tǒng)設(shè)備的影響 變電站設(shè)備機(jī)房結(jié)構(gòu)及二次系統(tǒng)設(shè)備 變電站二次系統(tǒng)設(shè)備很多，按功能系統(tǒng)分為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備、繼電保護(hù)及安全設(shè)備、GPS 對(duì)時(shí)系統(tǒng)設(shè)備、通信設(shè)備、電視監(jiān)控設(shè)備、以及交、直流供電設(shè)備等等。 大多數(shù)二次系統(tǒng)設(shè)備都安裝于主控室內(nèi)，如交、直流電源設(shè)備、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備、繼電保護(hù)及安全設(shè)備、 GPS 對(duì)時(shí)系統(tǒng)設(shè)備等，通信設(shè)備一般安裝在單獨(dú)的通信房?jī)?nèi)，電視監(jiān)控設(shè)備也一般不安裝在主控室，而是安裝在保衛(wèi)室。但實(shí)際情況并非都是這樣，而是根據(jù)各變電站自身特 點(diǎn)和設(shè)計(jì)時(shí)的考慮進(jìn)行分配的。一般來(lái)說(shuō)，二次系統(tǒng)設(shè)備機(jī)房都設(shè)有靜電地板。 二次系統(tǒng)設(shè)備的致?lián)p值 當(dāng)雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)或感應(yīng)過(guò)電壓達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的不正常工作或損壞，用致?lián)p抗擾度表示，它是指設(shè)備抗傳導(dǎo)及輻射雷電效應(yīng)而不損壞的能力 [8]。普通 PC 機(jī)在電源線和 I/O 線均屏蔽的條件下，在頻率達(dá) MHz 級(jí)，脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá) 20A/m 的環(huán)境中可不受干擾，正常運(yùn)行。另有資料表明當(dāng) LEMP 強(qiáng)度超過(guò) （ ）時(shí)就會(huì)引起微機(jī)失效或擾亂他們的正常工作，或出現(xiàn)信息上的差錯(cuò)，給國(guó)家或單位帶來(lái)經(jīng)濟(jì) 損失。當(dāng) LEMP 超過(guò) 191A/m（ ）時(shí)，集成電路、還有磁記錄設(shè)備將發(fā)生永久性損壞。 國(guó)標(biāo)中有相關(guān)規(guī)定，電子設(shè)備機(jī)房磁場(chǎng)干擾環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)不應(yīng)大于 800A/m[9][10]，也可以用 Gs表示， Gs（高斯）為磁感應(yīng)單位。它們之間的換算關(guān)系： 1Gs= A/m。小于 10Gs 的磁感應(yīng)強(qiáng)度雖然不足以損壞設(shè)備，但是會(huì)縮短設(shè)備的正常使用壽命。在滿足機(jī)房雷電防護(hù)安全下，根據(jù)機(jī)房的性質(zhì)和考慮防雷工程的經(jīng)濟(jì)性，選擇機(jī)房的電子設(shè)備的抗電磁干擾強(qiáng)度為 800A/m。 不同設(shè)備的耐壓水平也有所不同，當(dāng)無(wú)法獲得設(shè)備的耐沖擊電壓 時(shí)， 220/380V 三相系統(tǒng)各種設(shè)備耐壓額定值可由如表 [11]確定。 表 各種設(shè)備耐壓額定值 設(shè)備的位置 電源處 的設(shè)備 配電線路和最后分支線路的設(shè)備 用電設(shè)備 特殊需要 保護(hù)的設(shè)備