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自然闪电引起的710 m架空线路电涌冲击特征观测分析

自然闪电；低压架空线路；氧化锌电涌保护器；残压持续时间；流过SPD电流

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        自然闪电在架空线路附近发生时，线路上耦合感应产生的电涌能量极易对线路后端的电气系统及电子设备造成损害，闪电不同放电过程及其相互叠加引起的感应过电压波形也存在较大的差异，对应的电涌到达线路后端时，SPD承受的能量冲击也明显不同，当雷电流M分量叠加在连续电流和回击上时，架空线路上会产生更大的电涌能量。虽然自然闪电和近距离触发闪电在架空线路上产生的电涌很难直接损坏SPD，但在线路防雷方案设计时充分考虑这些因素有助于更合理安装防雷装置，减少雷灾事故。

        在中国气象局雷电野外科学试验基地（CMA_FEBLS）对一条710米长的低压架空线路上产生电涌冲击SPD的残压特征进行了观测和分析，基于65次自然闪电回击的观测结果发现，电涌冲击SPD的平均残压峰值为767.6 V，持续时间为97.3μs，流经SPD接地线电流峰值为6.4 A，SPD吸收能量仅为0.2 J。根据回击过程及其叠加M分量的不同，将冲击SPD的电涌分为三类（图1-图3），三种类型电涌对应的SPD残压峰值和残压的平均值差异很小，这说明三种类型冲击SPD的电压特征基本是相似的，也与氧化锌SPD本身的性能有关。类型A和类型B对应的残压波形在残压持续时间、流过SPD电流峰值、电流10-90%上升时间、电流半峰宽度和SPD吸收能量方面都是基本一致，差异不大。而类型C对应的残压部分特征参数上与其他两种类型有显著差异，其残压持续时间达到163.2 us，约为前两种类型的2倍，流过SPD电流峰值达到12.6 A，约为前两种类型的2.5倍，流过SPD电流10-90%上升时间为17.1μs，约为前两种类型的1.3倍，SPD吸收能量0.7J，约为前两种类型的5.8倍。由上面的特征参数可知，相较于类型A和类型B，类型C电涌会使氧化锌SPD更长时间处于动作状态，吸收更多的能量，从而对压敏电阻形成更大危害。

       分析结果表明，自然闪电发生时，长度710m的低压架空线路上产生的电涌能量较小，流经SPD的能量最大值仅为3.5 J，SPD不容易损坏。但值得注意的是，在自然闪电发生频率较高地区，架空线路上的感应过电压产生频繁，虽然不会直接损坏SPD，但受压敏电阻本身微观结构电特性和吸收能量不均匀性影响，SPD频繁的动作吸收能量升温，会使其内部的肖特基势垒逐渐开始畸变，从而导致压敏电阻呈现不可逆性的老化破坏，最终失效。