溯源防雷标准中的雷电流波形

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1、二、雷电物理、雷电探测技术和应用研究 L i g h t n i n gP h y s i c s ，D e t e c t i o nT e c h n o l o g ya n dA p p l i c a t i o nR e s e a r c h 溯源防雷标准中的雷电流波形 R e v i e wo fW a v e f o r mo fL i g h t n i n gC u r r e n t i nL i g h t n i n gP r o t e c t i o nS t a n d a r d s 马乃祥M aN a i x i a n g ( 上海交通大学， 周佩白Z

2、h o uP e i b a i 上海2 0 0 0 5 0 ) 1 引言 当前，国内外学者对防雷标准中选用直击雷的电流波形有不同看法，争论是好事。“辩则明也”。 争论必然有它的经济背景。采用保护作用理想的措施，要付出较大的投资。雷击的发生是一个小 概率事故，过严的保护措施要增加过多的投入，对社会财富尚不宽裕的我国采用什么样的防雷标 准是应该慎重考虑的。考虑到我国已加入W T 0 ，防雷产品应尽量适应国际标准，因此溯源国际标 准对雷电流的规定是本文的目的。 2 国内外标准中雷电流波形的差异 文献 1 “3 对测试防雷器件的标准雷电流波形已作了回顾，可供参考。当前集中的分歧是在低 压系统采用I

3、E C 推荐的1 0 3 5 0uS 和美国国家标准推荐的8 2 01 tS 之间。我国过去一贯采用的是 8 2 0uS 。两者在同一电流幅值下，传输的能量有1 7 倍之差。如果为了和国际接轨改用1 0 3 5 0u S 的波形，经济投入是相当大的( 可惜尚未见到两者对比的经济数据) 。国内同行经常谈及这点。 为探讨这一问题，重点要溯源1 0 3 5 0ps 波形的来源，注意点更集中在波尾时延上。 3 溯源的过程 开始只是在I E C - 6 1 6 4 1 - I 中指明以I E C - 6 1 3 1 2 - I ( 1 9 9 5 ) 所列标准作为模拟雷击的参数模型， 并称此测试参数代表

4、了“雷击的威胁”u 。此后在I E C 6 1 6 4 3 1 2 ( 2 0 0 2 ) 标准中又提及并具体给出 了此波形参数。于是1 0 3 5 0BS 成为标准中测试的法定波形。因此我们详细查阅了I E C 6 1 3 1 2 1 ( 1 9 9 5 ) 。在此文件的“2 2 雷电流参数”一节中注明了用以确定雷电流参数的背景资料( 见附录 A ) 。附录A 的第一条“A 1 参数的概率”，其内容为：“2 2 条所确定的雷电流参数是根据大电网会 议( C I G R E ) 在E l e c t r a4 1 期( 1 9 5 7 ) 及E l e c t r a6 9 ( 1 9 s o

5、 ) 给出的结果确定的。” E l e c t r a4 1 期( 1 9 5 7 ) 2 3 2 6 页是以K B e r g e r 为首的题为“雷闪参数”( P a r a m e t e ro fL i g h t n i n g F l a s h e s ) 的文章 4 。其内容是他多年在雷电观测站获得的雷电流参数的统计性综合分析结果。 选用的参数有：峰值电流、电荷量、脉冲电荷量、波前时间、最大d i d t 、雷击间隙时间、雷闪 总时间和一次雷闪的总能量等共9 项。具体数据( 共8 项) 可参阅 5 。其中关于波头时间的统计 值抄录在表1 ，但未见波尾的统计数据。 波头时间 超出

6、指示值的百分比( ) 单位为uS 9 5 5 0 5 首次负雷击 1 85 51 8 后续负雷击 O 2 2 1 14 5 正闪 3 52 22 0 0 引起我们主意的是文献【4 】第4 节一典型的雷电流波形中提供了三张实测的典型波形图( 原编 号为1 1 1 2 。1 3 ) 今复录如图l 。 ( a ) 5 9 第四届中国国际防雷论坛论文摘编 旦竖! 塑i 竖2 翌! 型! 翌呈皇2 里型坚曼皇墅呈墨竺竺翌堕堡璺堡! 呈里望堡垒! ! 鉴9 2 ( c ) 图1 录自E l e c t r a4 1 期B e r g e r 等的文章( a ) 正雷击典型电流波形； ( b ) 负雷击平均

7、电流波形( A ) 下时标( B ) 上时标： ( c ) 负雷击第一次后续电流波形( A ) 下时标( B ) 上时标 E l e c t r a6 9 期( 1 9 8 0 ) 6 5 1 0 2 页是以R B A n d e r s o n 等的题为“供工程应用的雷电参数”的文 章1 ，内容很多，我们感兴趣的是“第4 节脉冲波形参数”，作者首先说明讨论只限于负极性下行 雷的波前。作者对波前T f 的定义作了许多比较，今抄录如表2 。 表2波头时间( 录自E l e c t r a6 9 期R B A n d e r s o n 文的表1 I I ) 波头时间T f超出指示值的百分比1(

8、) 单位为ps 9 5 5 0 5 首次r B e r g e r 得出的值 1 55 51 8 雷 取波前( 1 0 9 0 ) 得出的值 2 2 5 6 1 4 击 取波前( 3 0 9 0 ) 得出的值 1 55 51 0 后续 B e r g e r 得出的值 O 2 1 14 5 雷 取波前( 1 0 - 9 0 ) 得出的值 0 20 83 5 击 取波前( 3 0 - 9 0 ) 得出的值 O 1O 63 O 从表中看出，该结果与K B e r g e r 的结果无多大区别。但也在节末提供了三张在南非实测得到 的负极性雷电流波形图( 见图2 ) 。虽然他们对取值作了繁重的统计分析

9、工作，但很难让人看出波 头时间取为1 0uS 的理由。此文也未谈及波尾的时间。 6 0 图2 在南非实测得到的负极性雷电流波形( s 1 ：首次雷击； s - 2 ： 第1 次后续雷； s 3 ：第2 次后续雷) 上述两文提供的都是经过统计处理的数据，并不能让人们一目了然的获得选用1 0 3 5 0s 的合 二、雷电物理、雷电探测技术和应用研究 L i g h t n i n gP h y s i c s ，D e t e c t i o nT e c h n o l o g ya n dA p p l i c a t i o nR e s e a r c h 理性。倒是两篇文章的附图，见图1

10、 ( b ) 和图2 s - 1 中的负极性雷电流的波头时间接近1 0us ，而 波尾时间估计会在1 0 0 l as 左右。正极性的情况，可从图l ( a ) 粗估在8 0 6 0 0 l as 之间，离1 0 3 5 0 l aS 更远。为了查清这一问题，我们寄希望于追查K B e r g e r 的原始记录波形。 4 实测的冒电流波形： 瑞士苏黎世工大高电压技术教研室主任K B e r g e r 教授是世界公认的第一位系统研究雷闪的 电工专家。他从1 9 5 5 年开始不断完善了已有在S a nS a l v a t o r e 山上的雷电流观察站的测试手段， 发表了不少文章。限于篇幅

11、，我们只介绍他在1 9 7 2 年发表在瑞士电气联合会杂志上的文章中实测 到的雷电流波形记录 7 3 。他从1 9 6 3 1 9 7 1 年的9 年内共记录下1 0 2 6 次雷击。其中负极性为正极 性的6 5 倍。一次雷击可含有多个后续雷击，最多的可达1 0 次。但有后续雷击的雷击数占总雷击 数的四分之一。在总的1 0 2 6 次雷击中下行雷击的个数为1 2 6 次。有参考价值的是他提供了1 1 份 典型的雷电流形的示波图，其中7 份为负极性，4 份为正极性( 如果要其它原始数据需要付费) 。 负极性含多个后续雷击的个数占5 7 ，其中3 个记录到后续雷达5 次以上。为便于分析，图3 给

12、出了1 1 个雷电流波形的汇总图。为节省篇幅，本文只列出了第一次后续雷的波形。图的右边注有 编号，图内1 5 个字符的编号分别按序表示：分、时、日、月、年、示波图号、落雷塔号( 共两个 塔：T 。和T z ) 。我们把各图的Y 轴放在同一直线上，并加上自上向下的直线代表1 0 1 1S 的时间刻度， 以便估算各个首次雷击雷电流的波头时间，另一自上而下的虚线代表2uS ，供估算第一个后续雷 电流波头时间之用。 6 1 第四届中国国际防雷论坛论文摘编 6 2 图3K B e r g e r 提供的1 1 个雷电流实测波形图( 录卧7 】) 二、雷电物理、雷电探测技术和应用研究 L i g h t

13、n i n gP h y s i c s ，D e t e c t i o nT e c h n o l o g ya n dA p p l i c a t i o nR e s e a r c h 5 分析结果： 首先说明，我们没有采用K B e r g e r 以2 k A 为共同参考点的方法，也没有采用R B A n d e r s o n 介绍的( 1 0 9 0 ) 和( 3 0 - 9 0 ) 的方法，为的是尽量以最原始的实测数据反应事物的本质。根据 以上记录，我们得出以下结果。 ( 1 ) 首次波头时间： a ) 负极性波头时间大多接近1 0us ，少数超过1 0us 。有随雷电

14、流增大而增加的趋势。 b ) 正极性波头时间比负极性波头时间大。电流小( 2 0 k A 以下) 时也不超过1 0uS 。电 流很大( 1 0 0 k A 左右) 时，可达8 0 l lS 。 ( 2 ) 首次波尾时间： a ) 负极性波尾时间，从0 5 0 计算，在电流小于4 0 k A ，波尾时间在2 5 5 0 uS 之间；电 流大于4 0 k A ，波尾增长，但是也不超出1 0 0uS 。 b ) 正极性波尾时间，在电流小( 2 0 k A 以下) 时，在1 0 0 uS 左右；电流大时，可达6 0 0 uS ( 参见图3 和图l 中的( a ) 图) 。 ( 3 ) 第1 次后续波头

15、时间： a ) 对负极性，文献【7 】给出的波形不多，一般不超出2I lS 。 b ) 对正极性，文献【7 忡无记录。 ( 4 ) 与一贯的认识不同的是，不论正、负极性的首次或后续波形在雷电流达到峰值后并不如习 惯上认为的即出现下降，而往往要保持相当一段时间才下降。这一现象的存在反映有大的 电荷量，并以恒定的速度输出。 6 小结l 一 ( 1 ) 从不多的实测的原始数据分析，鉴于负极性雷击次数占多数，综合正负极性来看，在雷电 流小于4 0 k A 以下，雷电流波形的波头时间统一取8 1 0us 应该是符合实际的。 ( 2 ) 除正极性大电流外，波尾时间取3 5 0u8 是过于严格了。根据文献 1 】报导：美国1 5 年， 韩国5 年，日本7 年的实测记录的统计结果，波尾的平均时延在2 0 5 0 pS 之间，与图3 列出的数 据比较吻合。 ( 3 ) 雷电流达峰值后并不立即下降，往往要维持相当一段时间。电荷的持续输出提供足够大的 能量。会增加防雷保护器件的损坏率。在选用S P D 的试验波形的标准化和统一化时应该认真考虑 这一现象的存在。