一次觸發(fā)閃電地電位抬升引發(fā)的氧化鋅電涌保護(hù)器損壞事件分析

陳紹東，張義軍，顏旭，杜賽，呂偉濤，張陽

（1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641；2.復(fù)旦大學(xué)，上海200433；3.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

1 引言

雷電流通過接地系統(tǒng)泄放入大地的同時，會瞬間使接地系統(tǒng)的電位升高，該高電位極易損壞與接地系統(tǒng)相連的電氣設(shè)備[1-3]。電涌保護(hù)器(surge protective device，下文記做SPD)俗稱避雷器，作為一種保護(hù)電氣設(shè)備免受雷擊時高瞬態(tài)過電壓危害的防雷器件，通常是與被保護(hù)物并聯(lián)，其通過將瞬態(tài)過電壓限制在一定水平，并通過接地線將電涌電流泄放入接地系統(tǒng)，起到保護(hù)后端電氣設(shè)備的目的，因其與接地系統(tǒng)相連，經(jīng)常遭受雷電地電位反擊而損壞。

針對SPD沖擊能量耐受能力的研究，前人已開展了大量的研究工作[4-7]，也對其失效機(jī)制和損壞形式有了較深入的認(rèn)識[8-10]?，F(xiàn)階段，SPD的耐受能力試驗(yàn)和新產(chǎn)品應(yīng)用前的測試都在高壓實(shí)驗(yàn)室完成，以單脈沖測試為主，其波形和測試方法已經(jīng)較成熟，近年來也引入了全雷電波測試的概念開展多回?fù)舻葴y試[11-12]，但仍然與自然界的閃電存在差異，所以在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，由于閃電事件造成額定電流范圍內(nèi)的SPD損壞[13-14]還是難以避免的。

由于自然閃電發(fā)生的不確定性，在自然環(huán)境下開展相關(guān)研究較困難，利用人工觸發(fā)閃電開展該方向研究在當(dāng)前是一種較好的途徑[15-17]，但基于此開展地電位抬升沖擊SPD的試驗(yàn)國內(nèi)外較少報導(dǎo)。國外基于觸發(fā)閃電開展諸如居民樓、通信鐵塔或者架空配電線路雷擊分流試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)了SPD損壞的現(xiàn)象[18-19]，分析后發(fā)現(xiàn)SPD的損壞與閃電的物理過程是密切相關(guān)的，觸發(fā)閃電的初始長連續(xù)電流過程也經(jīng)常導(dǎo)致SPD的損壞[20]。地電位抬升對設(shè)備的損壞要關(guān)注閃電的不同物理過程，回?fù)簟分量和長連續(xù)電流過程引起的地電位抬升和反擊進(jìn)入SPD的能量都有不同的特征。本文利用觸發(fā)閃電直擊于地網(wǎng)，分析了地網(wǎng)地電位抬升反擊引起氧化鋅SPD損壞的事件，評估了閃電全物理過程引起的地電位抬升對氧化鋅SPD的損壞效應(yīng)。

2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在位于廣州市從化區(qū)的中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地開展。地電位抬升(Ground potential rise，GPR)沖擊氧化鋅SPD試驗(yàn)布置如圖1所示，觸發(fā)閃電成功后，雷電流從引流桿下地網(wǎng)中心O點(diǎn)注入地網(wǎng)，地網(wǎng)的電位瞬間大幅升高，在地網(wǎng)F點(diǎn)處通過氧化鋅SPD的接地線反擊使電壓波進(jìn)入埋地電纜，埋地電纜在遠(yuǎn)端接地，當(dāng)?shù)仉娢惶龥_擊氧化鋅SPD的時候，電纜中就會有電流流過，該電流由帶寬為150 Hz～150 mHz，衰減倍數(shù)為100倍的皮爾森線圈測量，埋地電纜為單芯截面2.5 mm2的兩芯多股銅芯電纜，電纜全長120 m，通過穿金屬管埋地深度0.2 m的方式布置，遠(yuǎn)端接地點(diǎn)處用40 mm×40 mm×4 mm鍍鋅角鋼接地，長度為2.5 m，該接地點(diǎn)處工頻接地電阻為120Ω。氧化鋅SPD兩端的殘壓信號先經(jīng)過阻容式分壓器(分壓比為4000：1，高壓臂阻抗為300 pF，帶寬為DC-300 MHz)進(jìn)行分壓，然后經(jīng)過100倍衰減器衰減后，再由采樣頻率為10 ms/s的高壓隔離采集系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換傳輸至控制室內(nèi)記錄。

圖1 地網(wǎng)地電位抬升反擊氧化鋅SPD試驗(yàn)布置示意圖

引流桿下的地網(wǎng)尺寸為10 m×10 m(5 m×5 m網(wǎng)格)，由水平接地體和垂直接地體共同組成，水平接地體采用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼連接，埋深0.8 m，垂直接地體采用40 mm×40 mm×4 mm鍍鋅角鋼，長度為2.5 m，每隔5 m均勻分布于地網(wǎng)的四周，測得地網(wǎng)的工頻接地電阻為15.8Ω。

觸發(fā)閃電電流波形由引流桿下同軸分流器進(jìn)行采集，其采樣帶寬為DC-20MHz，之后通過HBM系統(tǒng)采集和記錄，其采樣頻率為100 ms/s，雷電流的采集使用了大小兩個量程，大量程數(shù)據(jù)用于分析回?fù)舻容^大物理過程(如回?fù)?，小量程數(shù)據(jù)用于分析較微弱的雷電物理過程(如M分量)。本試驗(yàn)采用的氧化鋅電涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流(In)20 kA，最大放電電流(Imax)40 kA，電壓保護(hù)水平(Up)1750 V，直流1 mA測量的壓敏電壓大約為600 V，文中根據(jù)壓敏電阻上保持壓敏電壓的時間長短來判斷殘壓的持續(xù)時間。觸發(fā)閃電成功后通道底部電流的測量和地網(wǎng)電位抬升及氧化鋅SPD殘壓、泄放電流等測量是兩個不同的測量系統(tǒng)，兩者并不同步。

3 數(shù)據(jù)分析

2018年7月25日14 時01分(北京時間，下同)成功觸發(fā)了一次負(fù)極性閃電(下文記為T0725)，T0725包含初始長連續(xù)電流(Initial long continuous current，ILCC)和之后的4次回?fù)暨^程(Return stroke，4次回?fù)粝挛挠涀鱎S1～RS4)，7月25日僅有這一次觸發(fā)閃電成功，測量系統(tǒng)較完整記錄了此次觸發(fā)閃電的雷電流數(shù)據(jù)和地網(wǎng)上地電位抬升數(shù)據(jù)，下文將進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 觸發(fā)閃電電流

圖2是T0725觸發(fā)閃電通道底部電流波形圖(圖2a、2c為小量程數(shù)據(jù))，初始長連續(xù)電流過程起始于-305.3 ms，結(jié)束于8.3 ms，持續(xù)時間長約313.6 ms(圖2a)，其中最大的電流峰值為287.4 A，平均電流為106.8 A，中和電量約為33.5 C。4次回?fù)暨^程，電流幅值最大為26.1 kA(RS4)，最小10.5 kA(RS3)，算術(shù)平均值19.2 kA。T0725觸發(fā)閃電RS2和RS4在回?fù)綦娏骰芈潆A段緊跟M分量過程，兩次過程對應(yīng)釋放的電量相對比較大，RS3后出現(xiàn)了較長的回?fù)糸g連續(xù)電流過程(long continuous current，LCC)，持續(xù)時間長達(dá)55.7 ms，同時疊加了多個M分量過程(峰值大于1 kA的有3個，分別記為M1、M2、M3，圖2c中的RS3為飽和狀態(tài))，如圖2c所示，觸發(fā)閃電4次回?fù)舻膮?shù)詳見表1。

表1 T0725閃電通道底部電流波形特征參數(shù)表

圖2 T0725觸發(fā)閃電通道底部電流波形(a)以及不同放電階段波形放大圖(b～d)b.初始長連續(xù)電流放大波形；c.RS1回?fù)舴糯蟛ㄐ?；d.RS3后回?fù)糸g連續(xù)電流放大波形(此處RS3飽和)。

3.2 氧化鋅SPD殘壓

閃電電流注入地網(wǎng)后由地電位抬升反擊引起電涌保護(hù)器動作產(chǎn)生的殘壓總波形如圖3所示。T0725觸發(fā)閃電成功后，測量系統(tǒng)并沒有完整測量到閃電放電全過程對應(yīng)的SPD動作情況，對比圖2可見，測量系統(tǒng)只測量到了閃電的初始長連續(xù)電流過程后半部分(起始時間為-200 ms)對應(yīng)的SPD動作情況，前面103.5 ms的過程沒有測量到?；?fù)綦A段的殘壓由于氧化鋅SPD出現(xiàn)異常，其幅值都遠(yuǎn)超過氧化鋅SPD箝制電壓的范圍(幅值均超過10 kV)，為了便于分析閃電整個過程的殘壓，圖3中將殘壓值超過1200 V的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行了飽和處理。

圖3 T0725地網(wǎng)地電位抬升反擊引起氧化鋅SPD殘壓波形

3.2.1 連續(xù)電流階段殘壓

圖4是T0725初始長連續(xù)電流階段對應(yīng)氧化鋅SPD殘壓和觸發(fā)閃電電流波形圖，初始長連續(xù)電流階段，地電位抬升反擊氧化鋅SPD呈現(xiàn)較小的殘壓值，峰值電壓為647.2 V，觀測到的連續(xù)電流階段殘壓持續(xù)時間為165.0 ms(假設(shè)500 V為動作電壓)，平均殘壓為585.9 V。對比觸發(fā)閃電電流波形圖可知，未測量到的前半部分氧化鋅SPD的殘壓會更大一些。另外，試驗(yàn)中連續(xù)電流階段氧化鋅SPD動作產(chǎn)生的電流本身比較小，其基本淹沒在測量系統(tǒng)的噪音中，無法計算和分析流經(jīng)氧化鋅SPD的電量和能量。由圖4殘壓的變化曲線可知，當(dāng)殘壓結(jié)束時，其幅值緩慢降為零(而對應(yīng)注入地網(wǎng)的雷電流也接近于零值)，沒有出現(xiàn)瞬間的斷點(diǎn)，說明當(dāng)長連續(xù)電流過程結(jié)束時，氧化鋅SPD應(yīng)該是正常的。

圖4 T0725初始長連續(xù)電流階段觸發(fā)閃電電流(紅色)和地網(wǎng)抬升反擊引起氧化鋅SPD殘壓(黑色)波形

3.2.2 回?fù)綦A段殘壓

T0725回?fù)綦A段地網(wǎng)地電位抬升反擊引起氧化鋅SPD動作的殘壓放大波形如圖5所示，第1次回?fù)舭l(fā)生時，氧化鋅SPD就呈現(xiàn)出了異常情況，大約80μs時間內(nèi)氧化鋅SPD并沒有鉗制住地網(wǎng)上瞬間升高的電壓，電壓峰值達(dá)到7 kV左右，當(dāng)電壓降低時，氧化鋅SPD又恢復(fù)了鉗制作用，殘壓及飽和總持續(xù)時間為485.0μs。RS1末尾殘壓并沒有出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，說明RS1末尾氧化鋅SPD動作是正常的。第1次回?fù)舭l(fā)生后電壓峰值達(dá)7 kV，其幅值雖然沒有鉗制住，但明顯受到了抑制，說明氧化鋅SPD出現(xiàn)異常，但電壓峰值還是受到了氧化鋅SPD部分的抑制作用。第2次回?fù)簦瑯右灿?5μs左右的飽和值(圖5)，其幅值超過了量程20 kV，說明此時間段內(nèi)氧化鋅SPD完全不起作用了，之后恢復(fù)了殘壓。殘壓持續(xù)時間較長，因?yàn)榛負(fù)艉蟑B加了長連續(xù)電流和M分量的過程，殘壓和飽和持續(xù)時間長約982.8μs，接近1 ms，但對比流經(jīng)氧化鋅SPD接地線電流可發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的殘壓并沒有結(jié)束，RS2后面疊加的M分量產(chǎn)生的殘壓持續(xù)時間還很長，只是此時氧化鋅SPD又不起作用了，說明其確實(shí)出現(xiàn)故障了，由RS2殘壓的突變也可說明這一點(diǎn)(圖5)。之后第3次回?fù)?，由于觸發(fā)閃電電流較小(是4次回?fù)糁须娏鞣逯底钚〉?，地網(wǎng)地電位抬升反擊氧化鋅SPD開始時電壓并沒有飽和，氧化鋅SPD鉗制住了電壓，殘壓峰值很高，為1113.3 V，平均殘壓為1039.8 V，但其持續(xù)時間很短(52.2μs)，之后氧化鋅SPD又出現(xiàn)了異常，也同樣出現(xiàn)了殘壓的突變點(diǎn)。RS3之后出現(xiàn)了較長時間的回?fù)糸g連續(xù)電流疊加M分量過程，M分量有7次，其中電流大于1 kA的有3次(M1、M2、M3)，第7次M分量氧化鋅SPD又短暫出現(xiàn)了一次殘壓的波形，見圖6中M7，其殘壓峰值相對較小，為809.3 V，平均殘壓為776.7 V，持續(xù)時間為95.3μs，之后氧化鋅SPD再也沒有動作過，內(nèi)部氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)該是徹底損壞了。第4次回?fù)魵垑褐怀霈F(xiàn)了約60μs的飽和值(幅值超過量程20 kV)，之后電壓就維持在一個較低的水平，這個電壓值約140 V，類似于間隙型SPD擊穿后的電壓水平。氧化鋅SPD不能正常鉗制但又超過其動作電壓的情況下就維持著這個低電壓水平，RS2、RS3和RS4后都持續(xù)較長的時間，如圖6中RS3之后M分量對應(yīng)著大約有十幾毫秒的持續(xù)時間，然后出現(xiàn)遮斷，M7出現(xiàn)短暫殘壓后又出現(xiàn)了大約10 ms的低電壓水平值。

圖5 T0725回?fù)暨^程對應(yīng)的殘壓放大波形

圖6 T0725 RS3后連續(xù)電流(紅色)和對應(yīng)的殘壓(黑色)波形

3.3 氧化鋅SPD接地線電流

圖7是T0725各次回?fù)羰寡趸\SPD動作時接地線上的電流波形，RS2對應(yīng)的接地線電流峰值最大為7.1 kA，RS3最小為3.1 kA，峰值平均為5.4 kA。由此可看出，閃電直接注入接地網(wǎng)后，通過接地線反擊進(jìn)入到電源系統(tǒng)的電流比較大，其平均值與觸發(fā)閃電電流峰值之比為28.9%。對比觸發(fā)閃電電流的峰值，氧化鋅SPD接地線電流峰值與之并沒有特別好的正比例關(guān)系，除電流峰值外，與電流上升沿、半峰寬度等都有一定的關(guān)系。4次回?fù)舻纳仙?10%～90%上升時間)存在明顯的差異，如圖7所示，RS1和RS3對應(yīng)的SPD接地線電流波形的上升沿較快，10%～90%上升時間分別為3.2μs和2.4μs，而RS2和RS4對應(yīng)的SPD接地線電流波形的上升沿則明顯緩慢很多，分別為15.5μs和10.5μs，且在上升過程中出現(xiàn)了初始峰值，初始峰值前后呈現(xiàn)出快上升(約1μs)和慢上升兩個階段(圖7)。RS2和RS4對應(yīng)的SPD接地線電流波形上升沿出現(xiàn)初始峰值和呈現(xiàn)快、慢兩個階段，可能與地電位抬升反擊SPD并造成其異常有關(guān)。4次回?fù)魧?yīng)的SPD接地線電流波形半峰寬度范圍35.9～78.1μs，平均值62.2μs。流經(jīng)氧化鋅SPD電流10%～90%上升時間和半峰寬度平均值遠(yuǎn)大于觸發(fā)閃電電流對應(yīng)的時間，其比值分別為22倍和4.5倍。觸發(fā)閃電注入地網(wǎng)后，電流在泄放入地和流向遠(yuǎn)端接地體的過程中，都會受到導(dǎo)體電感的作用，電感所形成的磁場反過來又會阻礙電流的泄放，從而會造成波形10%～90%上升時間和半峰寬度增加，從這個角度講，流經(jīng)氧化鋅SPD電流的觀測結(jié)果是可信的。流經(jīng)氧化鋅SPD接地線電流4次回?fù)舻钠渌鼌?shù)詳見表2。

表2 T0725流經(jīng)SPD接地線電流波形特征參數(shù)表

圖7 T0725回?fù)羰寡趸\SPD動作時接地線上電流波形

4 討 論

觸發(fā)閃電T0725注入地網(wǎng)后，由于地電位抬升反擊引起氧化鋅SPD損壞的整個過程相對是比較特殊的，氧化鋅SPD兩端的殘壓基本上貫穿了整個閃電的放電過程，直至最后一次回?fù)暨^程氧化鋅SPD徹底不再起鉗制作用。對比夏季試驗(yàn)的其它過程，有的在長連續(xù)電流過程中氧化鋅SPD就已經(jīng)損壞，T0725是剖析閃電放電過程損壞氧化鋅SPD的較好例子。從上面的分析可看出，T0725初始長連續(xù)電流過程中是比較弱的(最大電流幅值為287.4A)，氧化鋅SPD并沒有出現(xiàn)異常，但由于長連續(xù)電流與首次回?fù)舻臅r間間隔非常短(大約10 ms)，可想象長連續(xù)電流過程對氧化鋅SPD的溫升作用對于回?fù)魶_擊氧化鋅SPD造成異常有很大的影響。當(dāng)?shù)?次回?fù)舻仉娢惶磽糇饔糜谘趸\SPD時，對于峰值電壓，氧化鋅SPD只起到了部分的鉗制作用，當(dāng)電壓減小時又恢復(fù)了較好的鉗制功能。當(dāng)?shù)?次回?fù)魶_擊時，氧化鋅SPD在地電位反擊電壓的波峰階段完全失去了鉗制作用，雖然在電壓回落的過程中再次恢復(fù)了功能，但由于M分量較長時間的作用，其能量累積再次讓氧化鋅SPD失效。第3次回?fù)舭l(fā)生時，由于閃電電流是最弱的，地電位反擊電壓相對較小，氧化鋅SPD對峰值電壓初始階段進(jìn)行了短暫的鉗制，第4次回?fù)魰r，SPD徹底失效。從上面的分析可看出，電壓的峰值和較長的持續(xù)時間都會損壞氧化鋅SPD內(nèi)部晶粒和晶界結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，氧化鋅SPD的損壞或失效與自然閃電整個放電過程是密切相關(guān)的，瞬間的大能量或者累積的能量沖擊達(dá)到其損壞的臨界點(diǎn)，氧化鋅SPD都有可能失效。文獻(xiàn)[19]在土壤中注入雷電流后，由于初始長連續(xù)電流和繼后回?fù)魞蓚€過程的地電位反擊造成線路中SPD的損壞，與本文的試驗(yàn)結(jié)果類似。

上述分析可看出當(dāng)?shù)仉娢环磽暨^程中較大的浪涌電壓來襲時，特別是電壓的快速上升階段，氧化鋅SPD內(nèi)部半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(晶界層或晶粒)很容易局部遭到破壞(形式主要為穿孔)，電壓波沿著破壞的晶界層“漏洞”迅速通過，氧化鋅電阻片失去作用，而當(dāng)電壓緩慢下降時，電壓在氧化鋅SPD內(nèi)部晶界層的分布趨于均勻，這時沒有損壞的晶界結(jié)構(gòu)起到了鉗制電壓的作用，從而又恢復(fù)了SPD的鉗制電壓的功能。這也解釋了T0725過程中，氧化鋅SPD時而失效時而恢復(fù)的現(xiàn)象。也正因?yàn)槌霈F(xiàn)了內(nèi)部晶界層的局部破壞，形成了短暫的“漏洞”的現(xiàn)象，在電壓波上升至最大峰值時，對應(yīng)的電流出現(xiàn)了異常的初始峰值，如RS2和RS4，而在電壓上升至峰值過程有鉗制作用或部分鉗制作用時，對應(yīng)流經(jīng)氧化鋅SPD的接地線電流就沒有出現(xiàn)初始峰值的現(xiàn)象了。

一次標(biāo)稱放電電流波形為8/20μs，峰值為20 kA的沖擊波，流經(jīng)氧化鋅SPD的電量可達(dá)368 mC，對比實(shí)測接地線電流波形4次回?fù)舻碾娏恐蛋l(fā)現(xiàn)，除RS3外，其余3次回?fù)舻碾娏慷悸源笥谶@個值（表2）。雖然實(shí)測接地線電流波形沖擊的陡度要明顯小于8/20μs波形，但可近似認(rèn)為氧化鋅SPD在短暫的時間內(nèi)經(jīng)受了3次8/20μs波形的多脈沖沖擊。在氧化鋅SPD承受3次脈沖沖擊的同時，還承受了初始和回?fù)糸g較長時間的連續(xù)電流的沖擊，共同的作用致使氧化鋅SPD徹底損壞。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)氧化鋅SPD電阻片由于受熱不均勻(圖8)，電阻片正北和北偏東邊緣處有明顯的燒蝕的痕跡，且出現(xiàn)了針眼大小的穿孔現(xiàn)象，如圖中黃色圈內(nèi)，電阻片和導(dǎo)電部分的焊錫都已熔化脫落。對比其它損壞SPD的觸發(fā)閃電過程，T0725是損壞最輕微的，穿孔是最小的，更沒有炸裂。

圖8 T0725過程后損壞的氧化鋅SPD電阻片

5 結(jié)論

觸發(fā)閃電注入人工地網(wǎng)后引起的地電位抬升電壓非常高，通過地網(wǎng)接地線反擊作用于氧化鋅SPD后容易造成氧化鋅SPD的損壞，損壞與觸發(fā)閃電的放電過程密切相關(guān)。T0725由初始長連續(xù)電流、4次回?fù)粢约盎負(fù)糸g的連續(xù)電流共同作用最終導(dǎo)致氧化鋅SPD的損壞。

初始長連續(xù)電流階段，地電位反擊沖擊氧化鋅SPD呈現(xiàn)較小的殘壓值，峰值電壓為647.2 V，殘壓持續(xù)時間為165.0 ms，平均殘壓為585.9 V。當(dāng)回?fù)舭l(fā)生時，較大的地電位抬升反擊特別是電壓的快速上升階段，氧化鋅SPD內(nèi)部半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(晶界層或晶粒)很容易局部遭到破壞，形成穿孔，電壓波沿著破壞的晶界層“漏洞”迅速通過，氧化鋅電阻片失去鉗制作用，殘壓飽和，而當(dāng)電壓緩慢下降時，電壓在氧化鋅SPD內(nèi)部晶界層的分布趨于均勻，沒有損壞的晶界結(jié)構(gòu)起到了鉗制電壓的作用，從而又恢復(fù)了氧化鋅SPD的鉗制功能。

氧化鋅SPD損壞但不是太嚴(yán)重的情況下，GPR反擊形成的電流仍會進(jìn)入電源系統(tǒng)，4次回?fù)暨^程流經(jīng)氧化鋅SPD的電流峰值最大達(dá)7.1 kA，平均為5.4 kA，占觸發(fā)閃電注入電流的28.9%。流經(jīng)氧化鋅SPD的電量范圍0.15～0.58 C，平均值0.44 C，其值大于8/20μs標(biāo)稱放電電流20 kA單脈沖釋放的電量。