ISSN 1004-4965

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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

陈绍东 张义军 颜旭 杜赛 吕伟涛 张阳

陈绍东, 张义军, 颜旭, 杜赛, 吕伟涛, 张阳. 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[J]. 热带气象学报, 2021, 37(3): 320-328. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.030
引用本文: 陈绍东, 张义军, 颜旭, 杜赛, 吕伟涛, 张阳. 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[J]. 热带气象学报, 2021, 37(3): 320-328. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.030
CHEN Shao-dong, ZHANG Yi-jun, YAN Xu, DU Sai, LYU Wei-tao, ZHANG Yang. ANALYSIS OF ZnO SURGE PROTECTIVE DEVICE DAMAGE CAUSED BY GROUND POTENTIAL RISE IN ONE TRIGGERED LIGHTNING FLASH[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2021, 37(3): 320-328. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.030
Citation: CHEN Shao-dong, ZHANG Yi-jun, YAN Xu, DU Sai, LYU Wei-tao, ZHANG Yang. ANALYSIS OF ZnO SURGE PROTECTIVE DEVICE DAMAGE CAUSED BY GROUND POTENTIAL RISE IN ONE TRIGGERED LIGHTNING FLASH[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2021, 37(3): 320-328. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.030

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

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.030
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41775007

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2017M01

详细信息
    通讯作者:

    陈绍东, 男, 浙江省人, 研究员级高级工程师, 从事雷电物理和雷电防护的研究。E-mail: 15035026@qq.com

  • 中图分类号: P427.3

ANALYSIS OF ZnO SURGE PROTECTIVE DEVICE DAMAGE CAUSED BY GROUND POTENTIAL RISE IN ONE TRIGGERED LIGHTNING FLASH

  • 摘要: 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)。

     

  • 图  1  地网地电位抬升反击氧化锌SPD试验布置示意图

    图  2  T0725触发闪电通道底部电流波形(a)以及不同放电阶段波形放大图(b~d)

    b. 初始长连续电流放大波形;c. RS1回击放大波形;d. RS3后回击间连续电流放大波形(此处RS3饱和)。

    图  3  T0725地网地电位抬升反击引起氧化锌SPD残压波形

    图  4  T0725初始长连续电流阶段触发闪电电流(红色)和地网抬升反击引起氧化锌SPD残压(黑色)波形

    图  5  T0725回击过程对应的残压放大波形

    图  6  T0725 RS3后连续电流(红色)和对应的残压(黑色)波形

    图  7  T0725回击使氧化锌SPD动作时接地线上电流波形

    图  8  T0725过程后损坏的氧化锌SPD电阻片

    表  1  T0725闪电通道底部电流波形特征参数表

    编号 电流峰值/kA 半峰宽度/µs 10%~90%上升时间/µs 上升沿平均陡度/(kA/µs) 电量/C
    RS1 15.9 25.8 0.49 26.4 0.88
    RS2 24.2 12.5 0.26 75.7 1.64
    RS3 10.5 11.1 0.37 22.8 0.44
    RS4 26.1 5.2 0.31 68.5 1.67
    AVE 19.2 13.7 0.36 48.4 1.16
    下载: 导出CSV

    表  2  T0725流经SPD接地线电流波形特征参数表

    编号 接地线电流/kA 半峰宽度/µs 10%~90%上升时间/µs 上升沿平均陡度/(kA/µs) 电量/C
    RS1 5.6 78.1 3.2 1.38 0.58
    RS2 7.1 68.6 15.5 0.36 0.58
    RS3 3.1 35.9 2.4 1.06 0.15
    RS4 5.6 66.3 10.5 0.42 0.44
    AVE 5.4 62.2 7.9 0.80 0.44
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-24
  • 修回日期:  2021-05-08
  • 网络出版日期:  2021-09-27
  • 刊出日期:  2021-06-01

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