雷电流波形及频谱分析

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1、一、雷电流波形及频谱分析由于雷电的随机性和复杂性，建立一个统一的数学模型是不可能的，但可以通过通道底部电流、回击传播速度、一定距离的电磁场等参数建立一个可接受的雷电数学模型23。在工程应用中大多数雷电模型是在下列条件下建立的。（1）针对第一回击建立雷电模型，因为雷电第一回击是引起过电压的主要原因。（2）设定雷电通道都是垂直于地面的。因为雷电通道的曲折具有随机性，因此在计算雷电通道周围的电磁场时由于雷电通道弯曲所带的影响并不大。由此，将雷击电流表示为沿垂直通道向上传播的脉动行波i(z, t),假定大地为理想导体，地面为雷电通道镜像分界面，任意瞬时的随高度z按指数规律衰减。表示为:.(1) 式中，

2、a为衰减常数，其值与存储在阶梯先导的电荷分布及回击的放电情况有关，变化范围为0.5-1.0(1/km); v为脉冲电流沿回击通道的传播速度，其变化范围是为回击通道底部的电流。通道底部电流采用Heidler模型：(2)式中，为通道底部电流的峰值；为前沿时间常数；为延迟时间常数；为峰值修正系数；为指数。一典型雷电回击底部电流波形参数如下表： 表2.1 典型雷电通道底部电流参数波形110.70.252.1226.5252302将表中参数带入heidler模型计算公式，得出雷电通道底部电流波形。在式中，取雷电通道的传播速度为，衰减常数a=0.6（1/km） 图2.1 雷电通道底部电流波形为了分析雷电模

3、型的频谱，需对heidler模型进行laplace变换，得到：(3)设为常量，。从而得到通道底部电流的频谱，具体频谱分布如图2.2所示：图2.2 通道底部电流的频谱从上图可以看出，通道底部电流的频谱中主要频谱分量大体集中在020KHZ，雷电流能量主要分布在低频、感应雷部分。所以本文中涉及的防雷方案主要考虑从低频感应雷电流对专变线的损害入手。二、基站变压器受损分析2.1 基站变压器损坏机理分析2.1.1 现网数据分析我们提取了2011年，佛山基站专变电受损情况的数据，经过统计结果如表3.2所示表2.1 2011年受雷电袭击基站损害原因分析表序号基站名称启用时间受损时间损坏原因损坏机理1三水迳口*

4、2005/1/42011/5/4感应雷损坏正变换过电压造成变压器损坏2三水大塘*2003/1/52011/6/4设备老化设备老化3三水白坭*2005/1/182011/3/2感应雷损坏正变换过电压造成变压器损坏4高明明城*2005/11/92011/7/7直击雷损坏正变换过电压造成变压器损坏5高明杨梅*2005/11/42011/4/1感应雷损坏反变换过电压造成变压器损坏6高明杨梅*2005/1/52011/5/1感应雷损坏正变换过电压造成变压器损坏7顺德容桂*2006/6/112011/3/8感应雷损坏反变换过电压造成变压器损坏8南海狮山*2005/11/42011/8/1感应雷损坏反变换过

5、电压造成变压器损坏9顺德北窖*2005/7/42011/9/12感应雷损坏正变换过电压造成变压器损坏10南海丹灶*2006/7/42011/8/27其他其他从上表得出雷电袭击基站的损害机理统计表，如表3.2所示。表2.2 2011年受雷电袭击基站损害原因分析表损害机理比率正变换过电压造成变压器损坏50%反变换过电压造成变压器损坏30%设备老化10%其他10%可见，低频感应雷电流造成基站专变电损坏的主要原因是正、反变换过电压造成的。2.2基站变压器损坏的要因分析根据实际的施工经验，我们发现以下五种情况正是导致基站变压器受损的要因。2.2.1 5KA级的高压MOA避雷器不能适应基站的特殊运行环境5

6、KA级的高压MOA避雷器仅适用于一般应用场合（雷击频度、强度较低的场合）4。对于移动通信基站特殊的地理工况条件（基站位置往往较高、且有基站铁塔易于引雷），该类防雷器易于因受到的过电流的冲击超过其设计寿命而损坏，并因此导致变压器失去保护而损坏。2.2.2大冲击电流情况下普通高压MOA避雷器残压过高对于MOA避雷器而言，由于其保护能力（残压）是针对小电流情况而设计，在移动通信基站特殊的地理工况条件，往往出现大幅值的过电流，在此大电流通过MOA避雷器时，引起实际残压过高，超过变压器的绝缘耐受水平，引起变压器的损坏。2.2.3变压器低压侧没有配套的防雷措施由于没有认识到对变压器低压侧进行防护的重要性，

7、没有在低压侧配置避雷器，反变换过电压或低压侧形成的过电压造成高压侧的绝缘的击穿。如果只有高压侧装设避雷器，如图3.1示。还不能使配电变压器免除雷害事故，这是由于雷击高压线路中，避雷器动作后的雷电流将在接地电阻上产生电压降。图2.1 只在高压侧设避雷器2.2.4变压器配置的避雷器的接地位置不当雷害现场配电变压器与避雷器的接地方式如图3.2所示，当雷电流从配电变压器高压侧侵入时，高压侧装有避雷器，雷电流将会通过避雷器入地。同时，将会产生地电位抬高，在避雷器端子间（a.b 两点间）呈现电压峰值（即残压），这个电压峰值也就是等于加载于配电变压器的高压线端与地之间。由于各连接线长度不同，则U=Ldi/d

8、t+IR中L值不一样，因此在雷电流侵入时地电位的抬高也就不同。图2.3 因避雷器接地位置不当造成端口等效残压过高的示意图如上图示，如果避雷器通过一段较长的引线接地，则变压器线路对机壳的等效限制电压为：(4)由于避雷器接地线的电感效应，Uline将达到数千伏至上万伏以上的压降，如此，变压器的绝缘可能因此叠加的过电压而损坏。2.2.5低压电缆金属屏蔽层未接地屏蔽电缆从分布参数的角度看，电缆是具有较低波阻抗的传输线；从集中参数的角度看，电缆相当于一个大电容。但电缆对配电变压器防雷所起的作用，不在于电缆具有较低的波阻抗和较大的电容，而在于利用电缆外皮高频电流的集肤效应或外皮的分流及耦合作用。假如只将一

9、端电缆屏蔽接地，其一，不能很好的完成以上所述的电磁封锁效应；其二，当雷电波使电缆接地端避雷器动作时，会对地产生过电压反击至另一端。三、基站变压器雷电防护方案3.1在变压器高、低压侧配置适宜的避雷器图3.1 在变压器高、低压侧配置避雷器的示意图如图4.1所示，针对变压器易于因正、反变换过电压损坏的情况，应在变压器的高、低压侧皆配置避雷器。并且，避雷器应根据基站的特殊工况条件进行选择。3.2 调整避雷器的接地位置鉴于避雷器的接地线上等效感抗对防护效果的影响，调整避雷器的接地位置至变压器的机壳与二次侧中性点的接地位置于一处（如图4.2示）。图3.2 改善高压避雷器接地点的示意图3.3对于在变压器的低

10、压侧配置有计量设备的变压器的防护由于低压计量设备的绝缘耐受水平较低，应采取相应措施加以防护。建议将变压器至计量箱的电线调整为凯装电缆，并在其屏蔽层两端接地；同时，在计量箱内配置一级40KA的SPD，该SPD在保护计量设备的同时，亦兼有降低低压电缆感应的过电压，减少变压器低压端的防护压力（参见图3.3）。图3.3 变压器低压侧雷电防护整改示意图3.4高压计量设备的雷电防护方案参照上述第四点的分析，对高压计量设备的防护，除了应保证在计量设备的线路输入、输出端皆配置有合适的高压避雷器以外，还应改善避雷器的接地位置，使该子系统达到接好的等电位状态。具体而言，参照图3.4，在设备支架上配置两条竖直扁钢，与支架上的横向扁钢可靠电气连接（最好采用焊接），扁钢能够直接入地更好。另外，对于从计量主设备至计量表的连接输出线，应采用屏蔽方式处理。图3.4 高压计量及其相关设备等电位防雷示意图将上述方案应用在现网基站的专变电防雷防护中，可以明显看到佛山移动基站的基站专变电损害率明显降低。