（信号与信息处理专业论文）电涌保护器的性能与试验方法研究.pdf

摘要 近年来，人们对雷电防护意识的加强和防雷技术的发展，尤其是接闪器、引下线、接 地体等外部防雷方法的使用使直击雷击造成的破坏正在减少，而伴随直击雷同时产生的雷 击电磁脉冲( l e m p ) 及雷电感应的破坏作用凸现出来，由此人们逐步注重内部的防雷方式， 包括屏蔽，等电位连接，接地系统设计。有时这些措施甚至还不够，一些电气电子信息设 备耐受过电压、过电流能力比较差，这时安装性能良好的电涌保护器( s p d ) 能使防护效果 得到显著的提高。 研究分析了雷电流的几个基本特征，使用m a t l a b 软件对国际上雷电流的四种数学表达 式进行波形仿真分析，比较了用于模拟雷电冲击电压、电流波的适用数学模型和幅频特性 以及能量分布。得出以下结论：双指数模型适合用来模拟常用测试波形1 0 3 5 0 p s 、1 2 5 0 9 s ； 幂级数函数模型适合用来模拟8 2 0 p s 。各种模拟雷电流的波形共同点是所包含的频谱从低 频一直延伸到高频，集中于低频处，通过对频谱分析得知能量主要集中在1 0 k h z 以内，在 1 m h z 以上时，能量分布趋于0 ，波头陡度与能量分布有关。频谱与能量的分布符合国内外 研究人员对实际雷电流观测分析的结果。 对常用s p d 测试方法进行了详细分析。在此基础上对s p d 性能展开研究：对压敏电阻 的几种组合进行试验，得出可行的组合方式。对开关型和限压型电涌保护器进行了配合实 验，两级之间的合适电感值能有效地分流线路上的暂态过电压、过电流，电感也能够降低 作用于后级压敏电阻上冲击电流的波头上升陡度，减少对设备的高频干扰；对常用的过电 压保护器件在雷电冲击电流、电压下的响应特性进行了试验，并给出了电子设备电涌保护 器的设计方法。 根据波的折反射和彼得逊法则，由集中参数等值电路代替分布参数线路，对过电压保 护器件和其他元器件的组合进行分析，包括并联电容、串联电感、t 型低通滤波器。用电 磁暂态过程仿真计算软件a t p 进行仿真研究，表明输出的电压陡度和幅值与滤波时间常数 有关以及t 型电路的特性阻抗和滤波时间能够影响限压效果。用仿真得出的数据送入 m a t l a b 进行频谱分析，表明用以上的组合能使较高的频率得到明显的抑制。最后指出为更 好的滤除雷电过电压中的高频分量，除了可以采用一般的低通滤波电路如t 型、l c 型等， 还可以对滤波电路进行改进，或采用多级保护电路得到更好的高频衰减。 关键词：电涌保护器数学模型测试方法配合t 型低通滤波 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l ee n h a n c el i g h t n i n gp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s sa n dl i g h t n i n gp r o t e c t i o n t e c h n i c a ld e v e l o p m e n t e s p e c i a l l ym e t h o d sa b o u tl i g h t n i n gr o d ，d o w nl e a d ，e a r t hb o d ya n ds oo n ； t h e s em e t h o d su s et oc a u s et h ed e s t r u c t i o nt h a tt h ed i r e c t l yl i g h t n i n gd e s t r o yt or e d u c e w i t h d i r e c t l yli g h t n i n gp r o d u c el i g h t n i n ge l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ( l e m p ) o rt h u n d e ri n d u c t i o nw h i c h t h ed e s t r o ye f f e c te m e r g e n c e f r o mp e o p l ep a yg r e a ta t t e n t i o na b o u ti n t e r n a ll i g h t n i n gp r o t e c t i o n i n c l u d eo fs h i e l d ，e q u i p o t e n tc o n n e c t i o n ，g r o u n d i n gs y s t e m ，s o m e t i m e st h e s em e a s u r e se v e na l s o i n s u f f i c i e n t s o m ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tc a p a b i l i t yo fe n d u r e st h eo v e rv o l t a g eq u i t eb a d s o m e e l e c t r i co re l e c t r o n i ce q u i p m e n t c a p a b i l i t yo fe n d u r e st h eo v e rv o l t a g eq u i t eb a d w h e ni n s t a l lt h e g o o dp e r f o r m a n c es u r g ep r o t e c t i o nd e v i c e ( s p d ) c o u l db ea b l et oi m p r o v ep r o t e c t i o nr e m a r k a b l e t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e ds e v e r a le s s e n t i a lc h a r a c t e r so fl i g h t n i n gc u r r e n t s t os i m u l a t i o n a n a l y s i sa b o u tt h u n d e rc u r r e n tf o u rm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n sb ym a t l a bs o f t w a r e c o m p a r e d w i t hs u i t a b l em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i m u l a t el i g h t n i n gv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v ea n da m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca sw e l l a st h e e n e r g yd i s t r i b u t i o n d r a wt h ef o l l o w i n g ：t h ed o u b l e e x p o n e n tf u n c t i o nu s e sf o rt os i m u l a t et e s t i n gw a v e10 35 0 9 s 、1 2 5 0 9 s ，p o w e rs e r i e sf u n c t i o nf i t f o rt os i m u l a t e8 2 0 9 s ，t h ec o m m o ng r o u n di s f r e q u e n c ys p e c t r u mw h i c ht h es i m u l a t i o n l i g h t n i n gc u r r e n t sc o n t a i nf r o ml o wf r e q u e n c yt oh i g hf r e q u e n c y ，a n dc o n c e n t r a t e si nl o w f r e q u e n c y t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs p e c t r u mo b t a i na b o u te n e r g yc o n c e n t r a t e si n 10k h z , w h e n a b o v e1m h z ，t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o nt e n d s0 w a v eg r a d i e n th a v ee n e r g yd i s t r i b u t i o nr e l a t e d t h e s p e c t r u ma n dt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o nc o n f o r mt ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e rt ot h ea c t u a l t h u n d e ro b s e r v a t i o na n a l y s i sr e s u l t ， h a sa n a l y s i st ot h ec o m m o n l ys p dt e s t m e t h o d s p r e a do u tr e s e a r c h t ot h es p d p e r f o r m a n c e i nt h i sf o u n d a t i o n c a r r i e so nt h e e x p e r i m e n tt o v a r i s t o rs e v e r a lk i n do f c o m b i n a t i o n s ，o b t a i n st h ef e a s i b l ec o m b i n a t i o nw a y a n dd o e st h ee x p e r i m e n ta b o u ts w i t c ht y p e a n dl i m i tv o l t a g et y p es u r g ep r o t e c t i o nd e v i c e t h ea p p r o p r i a t ei n d u c t a n c ev a l u e sb e t w e e nt w o c l a s s e sc o u l de f f e c t i v ed i s t r i b u t a r i e so v e r v o l t a g e ，o v e r - c u r r e n to nl i n e i n d u c t a n c ec o u l da l s o r e d u c ec u r r e n tw a v er i s eg r a d i e n tt h a ta f f e c t sl a t t e rm o va n dd e c r e a s eh i g hf r e q u e n c yt o e q u i p m e n t t h ee x p e r i m e n ta b o u tr e s p o n dc h a r a c t e r i s t i co fu n d e rt h el i g h t n i n gc u r r e n ta n d v o l t a g et oc o m m o nu s eo v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc o m p o n e n t g a v ed e s i g nm e t h o da b o u ts u r g e p r o t e c t i o nd e v i c eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h ew a v er e f r a c t i o no rr e f l e c t i o na n dp e t e r s o np r i n c i p l e ，r e p l a c e s t h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rl i n eb yt h el u m p e dp a r a m e t e re q u i v a l e n tc i r c u i t i th a da n a l y z e d o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc o m b i n a t i o nw i t ho t h e rc o m p o n e n t s i n c l u d i n gc a p a c i t a n c e ，i n d u c t a n c e ， tl o wp a s sf i l t e r d ot h es i m u l a t i o n sr e s e a r c h e s w i t he l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i t i o np r o c e s s c o m p u t a t i o ns o f t w a r ea t p , i n d i c a t e st h eo u t p u tv o l t a g eg r a d i e n ta n dt h ep e a k - - t o - p e a kv a l u eh a v e r e l a t e dt of i l t e rt i m e c o n s t a n t t h etc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ea n dt h ef i l t e rt i m ec a na f f e c t i i t h el i m i t i n gp r e s s u r ee f f e c t t h ed a t ao b t a i n sf r o mt h ee m u l a t i o ns e n d si nm a t l a bf o rs p e c t r a l a n a l y s e si n d i c a t e dc a no b v i o u s l ys u p p r e s s i o nh i g hf r e q u e n c y w i t ht h ea b o v ec o m b i n a t i o n f i n a l l y p o i n t e do u tf o rb e t t e rf i l t r a t i o nh i g hf r e q u e n c y i nl i g h t n i n go v e r 。v o l t a g e e x c e p tm a yu s ec o m m o n l o wp a s sf i l t e rc i r c u i tl i k et ，l ca n ds oo n ，b u ta l s om a ym a k et h ei m p r o v e m e n tt ot h ef i l t e r c i r c u i t ，o ru s e st h em u l t i s t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i tt oo b t a i na b e t t e rh i g hf r e q u e n c yw e a k e n k e yw o r d s ：s p d m a t h e m a t i c a lm o d e l t e s tm e t h o dc o o r d i n a t i o n t t y p el o w p a s s f i l t e r i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实 的。 一 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机 构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表 示了谢意。 作者签名： 茎堕： t ，啼r 日 期：血邃纽 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 差堑： 日 期： 瑙玛 电涌保护器性能及测试方法的研究 1 1 选题背景 第一章绪论 闪电，俗称雷电，是大自然中的超强放电现象。对地闪电的峰值电流一般为数十千安、 亦可超过1 0 0 千安甚至更高。 雷电活动能释放出巨大的能量，具有极强大的破坏能力。会对人们的生产、生活构成 危害，雷电灾害的严重性表现在它具有巨大的破坏作用如造成人员伤亡、财产损失等。雷 电灾害波及面广，包括农业、林业、牧业、建筑、电力、通信、航空航天、交通运输、石 油化工、金融证券等各行各业，几乎无所不及。雷电侵入地面建筑物或设备造成灾害是多 渠道的，危害形式有以下几种儿引：1 、直接雷击：这时雷电破坏作用主要表现在高温热效 应而非高电位，它能灼伤人体，引起建筑物燃烧，使设备部件熔化。2 、感应雷击：感应雷 击的方式不外乎两种：静电感应和电磁感应。a 闪电时，强大的脉冲电流使放电通道周围 的各种金属体、输电线和天线等导体表面上感应出与雷雨云下部相反的电荷。闪电结束， 放电通道中的电荷迅速中和，而导体上的感应电荷还不能立即消失，会产生很高的静电感 应电压，这种放电电流是一个很大的脉冲电流，造成设备损坏和人员伤亡。b 闪电时，雷 电流迅速变化，闪电通道周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近金属导体上感应出电动势 和感生电流，产生强大的电磁感应。此时，如果导体有裂口，便会在断开处产生火花放电， 烧坏设备。3 、电磁脉冲辐射：一次闪电经常由几个短脉冲放电组成。比如一次中等雷电放 电，后续脉冲电流的最大陡度为4 0 k a t s 而首次脉冲的电流陡度为1 2 k a i x s ，因此脉冲电流 向外辐射电磁波，通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁波及其敏感的电子、通讯、 计算机等设备。除此之外还有雷电过电压侵入和反击等也会对设备和人员产生危害。 随着人们对雷电防护意识的加强和防雷技术的发展，尤其是接闪器、引下线、接地体 等方法的使用使直击雷击造成的破坏正在减少，而伴随直击雷同时产生的雷击电磁脉冲 ( l e m p ) 及雷电感应的破坏作用凸显出来，它能在附近金属体或电力线和其它大范围的导线 系统中产生静电感应和电磁感应发生浪涌电压和电流。如今微电子技术、计算机技术高速 发展，应用于各行各业及现代生活的各个领域。计算机的运行经验和试验结果表明，当雷 电产生的磁场强度达0 0 7 g s t 寸，无屏蔽的计算机会发生误动作：当磁场强度超过2 4 g s 时， 计算机将发生永久性损坏。说明雷电对弱电设备的影响很大不能忽视。 电子设备和系统的信号电平越来越低，敏感性增强，覆盖区域很大的网络越来越多， 一旦损坏，都会造成运行中断的时间相当长，造成的间接损失比硬件损失要大得多。要防 护弱电系统、电子设备的安全，是一项系统工程，以下是一些事故的资料： 南京信息工程大学硕士毕业论文 1 、2 0 世纪8 0 年代，欧洲最大的计算机控制的卡车厂多次遭到雷电电涌的严重破坏。原 因是备料用的计算机与控制生产的计算机之间通过直流数据传输系统连接，这个对称数字 传输系统工作于3 5 0 m v ，由于内部防雷系统不到位，这些互联设备经常被浪涌所破坏， 造成停产嘲。 2 、1 9 8 9 年德国一家成衣制造厂的车间停产的原因是屋顶遭雷击，在此案例中，一条8 0 m 长的数据电缆干扰了中央计算机和设备控制系统。所谓外部防雷系统防护不了这种危害1 。 3 、1 9 9 2 年6 月2 2 日晚，雷击使我国国家气象中心计算机相连的网络中断，国际通信用 调制解调器被击坏，一些终端及数据传输端口损坏，导致部分工作中断达4 6 d 时左右 1 】。 4 、1 9 9 3 年4 月和1 9 9 7 年8 月上海奥林匹克俱乐部两次遭雷害，均造成计算机网络停 止工作，程控电话自动计费系统传输中断，其中一次在中断了2 0 多小时后才恢复工作。 为此，人们在做好传统的外部防雷的措施，也逐步注重内部的防雷方式，包括屏蔽， 等电位连接，接地系统设计，有时这些措施甚至还不够，于是人们研制出了电涌保护器 ( s u r g ep r o t e c t i v ed e v i c e ) 又称浪涌保护器、等电位连接器、防雷保安器、过电压保护 器、瞬态电压抑制器等。它可以在最短的时间( 纳秒级) 内将被保护的线路接入等电位系 统中，限制雷电反击、侵入波、雷电感应和操作过电压而产生的瞬时过电压和泄放电涌电 流，使设备各接口等电位，同时将电路中因雷击而产生的大量脉冲能量泄放到大地，降低 设备各接口端的电位差。通过对电源线路和通信线路等雷电入侵路径加装电涌保护器 ( s p d ) ，来阻止或减轻雷电对电源系统、通讯等网络系统的冲击。但是，由于电涌保护器 雷电流通过能力、限制过电压的能力以及多级电涌保护器之间的配合等对是否能有效的进 行雷电保护起着决定性的作用，且s p d 自身会的产生串扰、回波阻抗、信号衰减等，如果其 自身参数与网络参数差异很大，则在数据的传输过程中，会出现信号衰减值及串扰值增大， 阻抗的连续性被破坏，从而影响网络的正常传输。这就需要对s p d 产品的主要性能指标进行 测试分析。性能指标不合格的电涌保护器非但不能起到保护作用反而对保护设备产生危害， 国内的电涌保护器的研究和生产的年数还不长，对其测试方法和性能的研究也不是很成熟、 完善，所以有关电涌保护器测试方法和性能的研究对提高电涌保护器的保护能力有着推动 作用。 1 2 国内外研究现状 用于防雷的保护器经历了从电力系统防雷保护的避雷器到现在低压系统保护的电涌保 护器。电力避雷器发展的历程要比电涌保护器长很多，现在仍在广泛用于电力系统的避雷 中，它是一种限制由输配电线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的一种电器 设备，实质上它是一种放电器，并联在被保护设备附近。当作用电压超过电力避雷器的放 电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压，从而保护了其它电气设备绝缘免遭损伤。国 际、国内避雷器的发展经历了几个阶段h 1 ：碳化硅阀型避雷器( s i c a ) 、氧化锌电瓷避雷器 ( m o a ) 、合成绝缘氧化锌避雷器( c m o a ) 。m o a 相对于s i c a 而言，无机元件氧化锌电阻片 2 电涌保护器性能及测试方法的研究 取代了碳化硅电阻片，产品芯体性能有了质的飞跃：c m o a 相对- pm o a ，由于新型有机材料 的发现，产品外壳材料的性能又有了一次质的飞跃。 随着新型材料的研制，半导体技术的发展，适合保护低压配电系统、电子电气设备的 响应快、击穿电压小、残压低、体积小的防雷保护器件应运而生。比如有气体放电管、压 敏电阻、稳压管、同放管、瞬态抑制二级管等保护器件，由它们组成的电涌保护器范围从 低压配电系统的多级的电源保护，到通信信号线路、控制线路的保护。它们高到能泄放1 0 0 k a 的1 0 3 5 0 9 s 雷电波，保护水平小于4 k v ，在与后级配合的情况下能小丁- 2 5 k v ；低的能泄放 1 0 k a 或以上的8 2 0 9 s 雷电波，保护水平却只有几百幅甚至更小。电涌保护器正朝着两个方 向发展：新的元器件的发明以及对原有器件的改进：电路结构的改进。比如人们现在已经 开展用不同的方法合成掺杂z n o ，尤其纳米材料对压敏电阻性能进行改进，在添加纳米材 料后将能大幅度提高电压梯度、非线性系数和能量密度哺”刚。在电路结构上，德国的菲尼 克斯公司推出了主动能量控$ 0 a e c 技术| 8 l ，该技术的核心是一个属于b + c 类f l q s p d ，该类s p d 是在个用特殊合金材料的环形间隙的电极间加装了一个主动能量控制器，如图1 1 所示， 它是对以前的电压开关型s p d 进行的改进。其核心原理是在放电间隙之上增加一电子触发电 路，监测后级之上的残压，在后级能量承受极限之前，主动触发放电间隙使之工作，并因 开关型t 作之后维持放电电压较低为1 7 0 v 左右，使得点火电路和后级不再工作， 二作老化 时间延长，提高了使用寿命。b + c 配合的a e c 主动能量控制 ：二作原理如图1 2 所示。 1 1 主动能量控制器结构图 电予点火装霹 避譬器 一樊国 浪涌保护器 二类7 c 1 2a e c 主动能量控制工作原理 南京信息工程人学硕士毕业论文 它综合了放电间隙和氧化锌电阻的优点，且能使一、二级s p d 的使用不再受场地或空间 限制，可直接并联安装；能量分配主动控制，没有分配盲点；保护电平降低为9 0 0 v ，低于 一、二级配合的2 5 k v 。延长了使用寿命，给设备提供更可靠的保护。 新型防雷产品在不断涌现，能否起到良好的保护效果，则需要对其性能验证，在我国 建设了北京、上海两家防雷产品测试中心，使用世界上先进的瑞士h a e f e l y 公司提供的设 备对产品性能进行测试。现今国际上先进的产品测试设备有： ( 1 ) s s g a 2 0 0 1 8 0 冲击发生器，它能产生三种波形：3 0 0 k v 的c r o w b a r 触发电压； 1 0 3 5 0 9 s 最大11 6 k a 首次雷击电流波形；8 2 0 9 s 最大2 0 8 k a 后续雷击电流波形。在 1 0 3 5 0 9 s 波形条件下能达到1 1 7 k a 的大电流，5 0 a s 的电荷量，3 m j o h m 的比能量，l k a g s 的d i d t 的电流陡度。世界上这类冲击设备的数量不多，尤其c r o w b a r 触发电压达到3 0 0 k v ， 主球隙触发回路达2 0 0 k v 的设备更少。 ( 2 ) p s u r g e 3 0 2 是一套带去耦网络的1 2 5 0 9 s 和8 2 0 9 s 的混合波发生器，最大冲击电 流为3 0 k a ，适合i e c 6 1 6 4 3 1 中限制电压和动作负载在线测试。这套设备还可以通过变换 不同模块输出1 2 5 0 9 s 、8 2 0 i t s 、1 0 1 0 0 0 p , s 、1 0 3 5 0 9 s 等波形，满足i e c 6 1 6 4 3 1 、6 1 6 4 3 2 1 中各种输出波形。 ( 3 ) p s u g e 6 1 设备主要应用于信号s p d 测试，它能做o 5 p , s 、1 0 0 k h z 振铃波测试， 还能输出1 2 5 0 p s 、1 0 7 0 0 1 x s 的波形。 先进的测试设备加上合理的测试方法，才能最大限度的掌握防雷产品的性能情况。关 于电涌保护器的选用，安装，配合，测试等i e c 制定了一系列相关的标准如：i e c 6 1 3 1 2 3 电涌保护器( s p d ) 的要求( 草案) ，6 1 6 4 4 1 ( 3 7 a 4 8 c d ) 通信系统用s p d ，i e c6 1 6 4 3 1 、 2 、3 等。从9 0 年代起我国也相应制定了一系列防雷标准，有关低压电涌保护器性能测试 相关且应用最广泛的有g b1 8 8 0 2 1 、g b t1 8 8 0 2 2 1 等。这些标准可以作为s p d 测试方法 的一种指导。 虽然标准的颁布是来自于很多工程师集体智慧和经验的结晶但也并非完美无缺。电涌 保护器( s p d ) 的测试方法和性能在很多地方还值得进一步研究。比如在进行s p d n 试中的热 稳定性试验时标准上指明“任何电压开关型元件应用铜导线短路”。这会带米一些问题， 绝大多数s p d 产品根据实际情况有许多其它功能，对于这类s p d 将其中的“任何电压开关 型元件应用铜导线短路”是无法实现的1 9 。用电涌保护器的多级配置抑制由雷电波引起的 因线路较长或有末端开路的电源线造成的电压升高。这就产生了级间配合的问题，在国内， 曾发生第一级未损坏而第二级损坏了，这很可能是级间配合不当引起的”0 1 。s p d 级间配合是 否合适，在实际工程应用中可影响到保护效果。 1 3 本文的主要研究工作 过电压防护是一项综合性工程，分流、均压、屏蔽、接地、过电压保护是防护雷电等 4 电涌保护器性能及测试方法的研究 冲击过电压的关键，但由于电子系统( 设备) 耐受过电压的能力远比电力设备低，采用分流、 均压、屏蔽、接地措施和用于电气设备的普通避雷装置还不足以将雷电等冲击过电压限制 到电子系统( 设备) 耐受水平允许的范围，这时安装性能良好的电涌保护器能使防雷效果得 到显著的提高。论文对雷电波的频谱和能量分布，电涌保护器的性能参数，电涌保护器的 设计，电涌保护器与低通滤波器以及电涌保护器之间的能量配合进行了研究和探讨。 文章主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析了雷电流的几个基本特征，对雷电流的四种数学表达式：幂级数、双指数模 型、霍德勒模型、脉冲函数模型进行波形仿真分析，比较了雷电波模拟冲击电压电流波的 频谱分布，对比了1 0 3 5 0 9 s 、l o 7 0 0 9 s 、0 2 5 1 0 0 i t s 等波形的能量分布。 ( 2 ) 探讨了南京信息工程大学雷电冲击平台的使用和适合的试验类型、试验方法。对 开关型和限压型电涌保护器进行配合试验；对压敏电阻的几种组合进行试验。 ( 3 ) 对三种常用保护器件进行复合波冲击的测试，根据能量配合的原理，配置合适的 过电压保护器件，设计可靠的复合型过电压保护器。 ( 4 ) 从理论和仿真两个方面研究了压敏电阻与低通滤波器的组合，用a t p 仿真分析压 敏电阻与t 型低通滤波器组合的限压效果。 5 南京信息工程大学硕士毕业论文 第二章雷电流特性及其波形分析 2 1 雷电流的产生及其特性分析 2 1 1 雷电流的产生 雷暴云是雷电主要的产生源，当雷暴云中局部电场超过约4 0 0 k v m 时，就能发生闪电 放电。典型的雷暴云是具有强烈上升气流和下沉气流的积雨云。 闪电的产生离不开电荷，雷云的电荷产生主要有三种理论瞳“川：感应起电理论、温差 起电理论、破碎起电理论。除此之外还有雷雨云降水起电理论，热带对流云起电机制等， 不论哪种起电理论，都不太可能在雷雨云起电中发挥唯一性的作用，这可能是一个综合的 过程，在雷雨云起电中，上述各个理论都起到一定的作用。 2 1 2 雷电流特性 了解雷电流的特性对防雷设计有着重要作用。它主要包括主放电通道波阻、雷电流波 形、雷电流幅值概率分布、雷电流极性等h 1 。 1 主放电通道阻抗 主放电阶段雷电通道阻抗不是常数，是随通道电流的增大而减小。该参数以等值阻抗 z 0 来表示，雷电通道阻抗与流经被击物的雷电流幅值j 。，有关。 1 w f = r ：o 乙( 乙+ z 出) 式中1 w f 流经被击物的雷电流幅值( k a ) ；i r = o 流经的雷电流幅值( k a ) ：z 0 主放电阶段雷电通道阻抗( q ) ；z 被击物体等值阻抗( q ) ， 当z 0 为无穷大时，1 w f = i n ：o ，这时雷电通道是电流源。 2 雷电流波形 雷电流是一个非周期的瞬态电流，通常是很快上升到峰值，然后较为缓慢的下降。雷 电流的波头时间是指雷电流从零上升到峰值的9 0 的时间，又称为波前时间；波长时间是 指从零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的时间，又称为半峰值时间。由于在雷电流的 起始和峰值处常常叠加有振荡，很难确定其真实零点和到达峰值的时间，因此，常用视在 波头时间t 1 和视在波长时间t 2 来表示雷电流的上升时间和半峰值宽度，一般记为t 1 t 2 ， 6 电涌保护器性能及测试方法的研究 如图2 - 1 所示。 图2 1 雷电流波形图 一次雷击放电过程常常包含多次先导至主放电的过程和后续电流。一般一次雷电电流 有雷电电流脉冲2 3 个，多数是单极性的重复脉冲，约8 5 的雷电流波头在1 3 0 1 a s ，平均为 2 6 9 s ，雷电流波长约为1 0 3 5 0 f s ，在工程计算时，根据具体情况选用波形，可以用符合波头、 波尾时间的数学公式来计算。 3 雷电流幅值概率分布 不同地区的雷电流幅值分布是不同的，这主要与地区的纬度、地形、地貌、气象和雷 暴强度有关。我国电力行业标准d l t 6 2 0 1 9 9 7 ( 2 ) ，综合我国的观测结果，推出 厂 1 9 p = - 袁雷暴日大于2 7 - l g 尸一云雷暴日小- 于2 0 ) 式中尸雷电流幅值超过，的概率：，雷电流的幅值( k a ) 。 4 雷电流极性 实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负极性比例不同，负极性所占比例为 7 5 9 0 。从以上分析可以得出雷电流几个特征，如表2 1 1 23 所： 表2 1 雷电流特征 雷电流特征典型值变化范围 峰值电流值 2 0 l ( a2 2 0 0 k a 电流上升率 10 k a i t s 1 8 0 k a p s 波头时间 2 1 a s1 - 3 0 9 s 半峰值时间 4 9 s 10 3 5 0 p s 2 2 雷电流的数学模型 为了使用上的方便，在防雷计算中，需要波形用数学公式表达出，目前，国际上模拟雷电 波的函数和模型，有以下几种： 7 南京信息工程大学硕士毕业论文 2 2 1 雷电流的幂级数表达式 用于8 2 0 p s 破彤拟合的幂级数表达式为： 以) = 圾f 3 e7 ( t 0 ) ，( ，) ：掣：幻3 p 一( 单位雷电流函数) ( 2 1 ) 胁 式中表示电流；乞为电流峰值；k 为峰值电流修正系数，7 - 由雷电波拟合数据确定， t 为时间。根据雷电流波形的定义得出以下方程： t n 3 9 下= o 9 ( 2 2 ) t7 府，3 p 呼：0 5 又因为坐标轴中直线m p 可以知道： 0 = 哦+ 岛 ( 2 3 ) 屯。t 2 十t o 把式( 2 3 ) 带入式( 2 2 ) 得：k ( o 9 t , + f o ) 已 下 =09(2-09t1+to4 ) - _ ，_ _ _ _ _ _ _ 。 后( 如+ ) 3 口一t 2 + f t 一0 ：o 5 观察式( 2 4 ) 可知修正系数k 与视在波头f l 和视在波尾f 2 以t & t o 有关。 另外通过求望掣：3 缸2e x p ( 一三) 一l k t 3e x p ( 一三) ，在t 为电流峰值时， a t7 -丁7 - 掣乩从而= 3 7 ，把带入式( 2 1 1 ) ，得出电流峰值为 ，( ) = 矾3 p7 = | j ( 3 7 _ ) 3 e 3 ，可见电流峰值，( ) 与k 以及7 有关。 2 2 2 雷电流的双指数函数表达式 大量观测结果表明雷电流随时间近似指数规律上升至峰值，然后又近似指数规律下降， b r u c e 和g o d l e n 4 3 在1 9 4 1 年提出了雷电流波形双指数函数，表达式如下： f ( ，) = 纸( e 1 。一e - a t ) ( t 0 ) m 2 警瑚( e - a t _ _ e - a t ) ( 单位雷电流函数) ( 2 5 ) 电涌保护器性能及测试方法的研究 式中k y b 峰值电流修正系数，q 为拟合的波尾衰减系数，p 为拟合的波前衰减系数，l 为 电流峰值。 可以发现，该式的未知参量有三个o t 、p 、k ，同样先在雷电流峰值处求导，则 皇g 丝：尼( q p 一。“一p p 一所) ：o d t k 推出：i 三一h 旦，代入( 2 5 ) 从而得出电流峰值为，以) ：七。一a 击l i l 鲁一p p 击l l l 鲁) ， d a a 可见电流峰值与这三个参数都有关系，如果知道这三个未知参数，则可画出对应的雷电流 波形图，得到所对应如t o 、t l 、t p 、0 等值，从而也可反推出所得的雷电流是否符合要求。 2 2 3 霍德勒模型( h e i d l e r 函数) 该模型函数是1 9 9 5 年国际电工委员会在其发表的标准i e c 6 1 3 1 2 1 文件中推荐，建议用 它来作为研究雷电流模型的对象。 ( ) ”( 一上) i ( t ) = 帆l - e 吃f 0 1 + ( 二) ” 7 - 1 式中k 为峰值电流修正系数，1 、下：分别为视在波头和视在波尾时间，l 为电流峰 值。模型的上升沿由( 三) 一 1 + ( 三) ”】决定，衰减的下降沿由e 一去决定，这个函数可以 丁l下1 通过调节参数得到雷电流的特征如电流峰值、半峰时间、电流陡度等，缺点是他不是可积 函数。 一般取n = 1 0 ，这是基于霍德勒模型和传输线模型提出的，适用于首次雷击( 1 0 3 5 0 p s ) 和 后续雷击( 0 2 5 l o o p s ) 。 2 2 4 脉冲函数模型 脉冲函数模型适合用于雷电电磁场计算，在雷电电磁场计算中，雷电放电的回击过程 可以由简单的天线模型来模拟，由这一模型得到的雷电电磁场的表达式中的静电场项与回 击电流的时间积分有关，使得数值计算的工作量非常大。而通常用来表示雷电电流的双指 数函数在t = o 没有连续的一阶导数，因此不适合用于电磁场计算；而h e i d l e r 函数则没有明 显的时间积分式。用脉冲函数克服了双指数函数和h e i d l e r 函数的缺点，可以作为理想的雷 电电流的解析表达式u 副。 o 南京信息工程大学硕士毕业论文 f o ) ：阜 1 一e 一；】ne 卜去，f o ( 2 6 ) r _ l i 同样1 、7 - 2 分别为视在波头和视在波尾时间，k 为峰值修正系数：k = ( 1 - - t a ) 珂t a 吨， 其中乞= = 丁t 十聆7 - ， 对式( 2 6 ) 求导，则 警l 。= 每【，一e ( - 和r l e 卜专c 唔+ 去，e 卜卸一去，= 。 且连续可导。 2 3 雷电流波形和频谱仿真分析 2 3 1 雷电流波形函数的仿真 模拟雷电波形的函数在各类过电压计算和防雷保护中得到广泛应用，以上介绍了各类 常用的模型函数，长期以来在防雷研究中双指数模型应用范围较j “，其他模型则应用不多， 准确的选用合适的模型决定着能否给被保护对象提供更为安全的保护。 经过长期的观察总结，在建筑物防雷保护标准中，规定了首次雷击的雷电流参数 ( 1 0 3 5 0 9 s ) 和后续雷击的雷电流参数( 0 2 5 1 0 0 9 s ) 。另外建筑物防雷保护分为三级防护 区，每级防护区所使用的电涌保护器型号是不同的，在i e c 1 8 8 0 2 1 、2 1 中根据其应用场合， 对其给定的测试波形也不同。以下用m a t l a b 软件所仿真的波形为归一化波形。 ( a ) 1 0 3 5 0 t x s 波形仿真 注：脉冲函数7 。l2 l o p s 丁22 3 5 0 9 s ，n 2 l ；霍德勒函数丁l = l o p s 丁2 = 3 5 0 9 s ，n = l o ，k = l 。 l o 电涌保护器性能及测试方法的研究 ( b ) 8 2 0 9 s 波形仿真 注：脉冲函数丁l = 8 1 t s7 。2 = 2 0 9 s ，n = l ；幂级数k = o 0 1 2 4 3 x1 0 1 8 ，丁= 3 9 1 1 9 s 。 ( c ) 1 2 5 0 9 s 波形仿真 注：脉冲函数7 。1 2 1 2 p sr 2 2 5 0 声，n 2 1 图2 2 雷电流波形仿真图 l l 南京信息工程大学硕士毕业论文 表2 2 为不同模拟波形下，双指数函数模型的参数n 7 1 。 表2 2 双指数函数模型参数 波形( i t s ) q 8 七 8 2 0 7 7 1 4 x 1 0 4 2 4 8 9 x1 0 52 4 5 1 0 3 5 02 1 2 7 1 0 32 4 6 1 1 0 1 0 5 1 3 1 0 7 0 01 0 2 8 1 0 32 5 7 9 1 0 1 0 2 6 0 2 5 10 06 9 8 6 1 0 3i 0 8 5 1 0 7 1 0 0 5 1 2 5 01 4 7 3 x 1 0 4 2 0 8 1 0 01 0 4 3 注：为了精确，对k 参数进行了修改。 表2 - 3 雷电流参数( 1 0 3 5 0 p s ) 波头时间 函数 半峰值时间( i t s ) 波头陡度 ( i t s ) 脉冲函数 1 7 6 1 32 9 02 8 0 1 0 4 霍德勒函数 2 9 3 5 42 4 0 7 5 0 5 1 0 4 双指数函数 8 4 3 8 63 4 9 5 45 8 7 1 0 4 表2 - 4 雷电流参数( 8 2 0 i t s )