人工触发闪电全电流GPR抬升冲击SPD损坏试验研究

人工触发闪电全电流GPR抬升冲击SPD损坏试验研究

汇报内容

观测数据项目的来源研究意义和国内外相关工作试验和仪器设备全电流不同过程和案例分析251341、雷暴云起放电过程和雷击效应研究，国重项目课题，雷击全过程破坏效应及防护试验研究（2017YFC1501506)

，2018-2022年。

研究雷击全电流下浪涌保护器失效机制和损坏模式。

2、基于闪电放电特征的氧化锌SPD损害机理试验研究（41775007），国基金面

上项目，2018-2021年。

项目主要来源一、研究意义u低压电气系统电涌保护器（SPD）

是为电子设备提供安全保护

的重要器件，

但实际运行中经常遭受雷击而损坏。

SPD损坏的

四种途径IEC做了详细的阐述，

其中雷电流注入接地网瞬间高电

位反击（电流分流）

是设备及SPD损坏较为严重的途径之一

，

项目利用真实工况的地电位抬升电压波冲击氧化锌SPD，阐明

其损坏机理，

对于这类方式引起的灾害防御是具有现实的意义

的。u国际上大量光伏、风力等新能源发电及智能网关的出现，

带来

低压电力系统架构的变化，

安全可靠的浪涌保护尤显重要。国

际标准也开始关注全雷电波的危害和测试需求，Thomas（2021）

建议IEC

61643在开展SPD测试时不仅考虑多脉冲试

验，

还利用人工触发闪电获得的相关电流波形进行冲击测试。IEC

TC37国际标准越来越关注雷电注入/转移电荷的概念。闪电

物理过程不仅包含了多回击过程，

还包含了长连续电流过程以

及回击叠加M分量过程，

这些过程由于释放电荷量大、热效应

集中，

其破坏效应甚至比多次回击更大，

通过地电位反击很容易造成额定通流量的氧化锌SPD损坏。中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

ofTropical

and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou项目研究的意义和国内外相关工作在佛罗里达ICLRT通

信铁塔和架空配电

线路雷击的触发闪

电试验中也有长连

续电流损坏SPD的案

例

[Mataetal.2003;Schoene

etal.

,2009]

。

（地面注中国气象局广州热带海洋气象研究所

主电流反击杆塔）

DeCarlo

etal.(2008)利用人工

触发闪电开展居民

住宅楼分流试验时

发现，雷电的长连

续电流分量由于其

累积的能量大，是

线路SPD损坏的主

要原因。

（接地线母

排）

项目研究的意义和国内外相关工作杆塔反

击电流注入电流年份火箭发射次数成功次数成功率2018年432763%2019年563970%2020年16002021年20840%合计1357455%项目至2018年开展以来，共计发射火箭135枚，成功74次，成功率

55%

，获取了较多数据，保障了项目的顺利开展。试验和仪器设备-触发闪电试验中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

ofTropical

and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou试验和仪器设备-试验方式中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

ofTropical

and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou地网电位差雷电全电流GPR电位差冲击SPD试验主地网雷电全电流GPR冲击SPD试验10m被动地网主试验方式一试验方式二主地网10m10m10m试验和仪器设备-仪器架设和数据测量主地网规格为10m*10m

（网

格为5m*5m），埋深1m。中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou发展完善了近距离、强电磁环境下闪电通道底

部电流的多采样率、多量程同步测量技术，时间分

辨率最高可达10ns，实现了几安培到几十千安培大

动态范围电流的高精度捕获（100

MS/s采样率、

14位分辨率）

，已获取大电流回击过程500余次。试验和仪器设备-注入电流测量中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou日期SPD参数SPD损坏原因6.26限压型，标称放电电流20kA仅初始长连续电流过程损坏。7.2限压型，标称放电电流20kA分析发现是由149.2毫秒时初始长连续电流过程损坏7.3间隙型，标称放电电流50kA分析发现是由初始长连续电流过程叠加后续9次回击过程损坏7.24两个20kA并联仅初始长连续电流过程，由于电流较小，没有损坏。7.25限压型，标称放电电流20kA分析发现是由初始长连续电流和回击过程叠加引起的SPD损坏7.26限压型，标称放电电流40kA分析发现是由110.1毫秒初始长连续电流过程损坏。2018年开展人工引雷全电流直接加载注入地网，

地网反击浪涌保护器破坏试验，并成功获得10余次

SPD损坏试验个例。中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou观测数据u2019年继续开展试验，全电流冲击SPD和地网暂态效应试验共成功引雷24次，前半段开展主地网冲

击SPD试验，

SPD损坏5次。试验后半段主要开展10m地网GPR冲击SPD试验，

SPD不再损坏。u2019年，地网间电位差试验有两次个例，其中T0630，有6次回击，第2次回击后叠加了多个M分量，

释放大量的电荷。中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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Meteorology,

CMA,

Guangzhou观测数据长连续电流和回击相互作用冲击初始长连续电流冲击回击下降沿叠加M分量冲击全电流不同过程和案例分析213触发闪

电过程回击次数及

电流峰值初始长连续电流特征SPD损坏时刻之前的初始

连续电流特征SPD标称

放电电流

（kA）T0626无回击长连续电流长达480ms，2kA以上电流持续时间长达1.3ms。（只有小量程数据）无法判断（没有测量到残

压的数据）20T07021次回击，电流幅值为

19.1

kA。持续时间433.8ms，峰值电流为718.5A，平均电流146.1A，中和的电量为63.4C。持续时间为149.2ms，期间平均电流173.8A，泄放电量为25.9C。单位电阻能量值6410A2.s.20T07254次回击，最大回击电

流为26.1kA。持续时间313.6ms，峰值电

流为287.4A，平均电流

106.8A，中和的电量为33.5C。初始连续电流期间未损坏，第1次回击出现异常。20T0724无回击持续时间222.4ms，峰值电流为668.9A，平均电流为

113.9A，电量为25.3C。初始连续电流期间未损坏。40T07264次回击，最大回击电

流峰值大于

28.7

kA。持续时间183.3ms，峰值电

流为1079.2A，平均电流

176.4A，中和的电量为32.3C。持续时间为110.1ms，平均电流238.3A，泄放电量为26.2C。单位电阻能量值9147A2.s.40ChenS,

YAN

X,

YANG

B,etal.

TheDamageEffectsonSurgeProtectiveDevices

Causedbythe

Ground

Potential

Rise

DuringtheInitial

LongContinuous

Current

Processesof

Triggered

Lightning

Events.IEEE

TransactionsonPowerDelivery,

2021,36(4):2186-2193.初始长连续电流冲击中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou初始长连续电流过程引起GPR冲击SPD的闪电事件2018年夏季u

SPD没有损坏（In=40kA）u残压值不高，都小于600V，持续时间较长，约为175ms，

由于残压幅值较小，应流经SPD的电流很小，基本淹没

在测量的噪音中，冲击能量很小。u当ICCP的上升沿时间较短时，残压幅值的升高就尤为明

显，如-50ms前的一次波动，残压迅速上升，残压的大

小变化与电流的快速变化有一定的有关系。ChenS,

YAN

X,

YANG

B,etal.

TheDamageEffectsonSurgeProtectiveDevices

Causedbythe

Ground

Potential

Rise

DuringtheInitial

LongContinuous

Current

Processesof

Triggered

Lightning

Events.IEEE

TransactionsonPowerDelivery,

2021,36(4):2186-2193.初始长连续电流冲击中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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Marine

Meteorology,

CMA,

GuangzhouT0724u99.2ms出现了断崖式的突变现象，

SPD损坏u注入电流上升迅速，对应经SPD的电流就大，冲击能量

大。u至SPD损坏，触发闪电泄放电量为25.9C。单位电阻能

量值6410A2.s

（红色）。流经SPD的总电量为1.35C。（蓝色曲线）u能量累积达1169.9J

。（In=20kA，

8/20us，

其电量可达367.7mC，按T0702过程中主要阶段的平均残压813.8V计算，

一次标称放电电流冲击流经SPD的能量约300J）ChenS,

YAN

X,

YANG

B,etal.

TheDamageEffectsonSurgeProtectiveDevices

Causedbythe

Ground

Potential

Rise

DuringtheInitial

LongContinuous

Current

Processesof

Triggered

Lightning

Events.IEEE

TransactionsonPowerDelivery,

2021,36(4):2186-2193.初始长连续电流冲击中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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Marine

Meteorology,

CMA,

GuangzhouT0702u标称放电电流为40kA的氧化锌SPD损坏，损坏时刻为

29.9msu

出现了上升沿时间短的脉冲，残压和流经SPD电流迅速

上升。u至SPD损坏，触发闪电泄放电量为26.2C。单位电阻能

量值9147A2.s

（红色），流经SPD的总电量为1.35C。（蓝色曲线）u能量累积达1034.6J。ChenS,

YAN

X,

YANG

B,etal.

TheDamageEffectsonSurgeProtectiveDevices

Causedbythe

Ground

Potential

Rise

DuringtheInitial

LongContinuous

Current

Processesof

Triggered

Lightning

Events.IEEE

TransactionsonPowerDelivery,

2021,36(4):2186-2193.初始长连续电流冲击T0726（初始长连续电流只测到大量程，后面有4次回击，第4次电流非常大，造成系统瘫痪）

中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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Marine

Meteorology,

CMA,

GuangzhouT0726快速上升至1000J左右的时间约为8ms，

T0702则为14ms左右。由0.5ms能量曲线同样可见，

T0702最大值为71.0J，且

在能量主上升阶段出现了较多的振荡，而T0726过程0.5ms

内对应的最大值为143.1J,在能量主上升阶段呈现出单脉冲

的特征，也就是说T0726过程，

冲击SPD的能量更为快速、

更为猛烈，

而T0702相对较为缓和弱些。能量累积的分散性

最终造成两者冲击SPD完全不同的结果。ChenS,

YAN

X,

YANG

B,etal.

TheDamageEffectsonSurgeProtectiveDevices

Causedbythe

Ground

Potential

Rise

DuringtheInitial

LongContinuous

Current

Processesof

Triggered

Lightning

Events.IEEE

TransactionsonPowerDelivery,

2021,36(4):2186-2193.闪电事件电流峰值（A）大于50A持续时间（ms）大于100A持续时间

（ms）大于200A

持续时间

（ms）大于300A

持续时间

（ms）T0702198.39.124.8900T0726392.76.744.081.110.61初始长连续电流冲击0.5ms的能量值不同闪电事件流经SPD接地线电流特征参数中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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and

Marine

Meteorology,

CMA,

GuangzhouT0702和T0726案例比较触发闪电电

流峰值（kA）流经SPD电流

峰值(kA)占触发闪电

电流峰值比上升时间

(μS)半峰宽度(μS)流经SPD电量

(C）占触发闪电

电量比RS1

of

T072515.95.635.2%3.278.10.5865.9%RS2

of

T072524.27.129.3%15.568.60.5835.4%RS3

of

T072510.53.129.5%2.435.90.1534.1%RS4

of

T072526.15.621.5%10.566.30.4426.3%RS1

of

T072611.73.529.9%2.477.40.2839.4%RS2

of

T072621.96.127.9%%11.556.00.3638.7%Mean18.45.229.1%7.663.70.4040.0%在这样的一种模型下，回击过程进入SPD电源系统的电流占比29.1%，由于反击电流上升和半峰都比较宽，其电量平均值比较大，达0.4C，占触发闪电40%，是相当大的。ILCC过程T0702和T0726流经SPD电流，占注入电荷量（25.9C和26.2C）的5.15%和5.21%，

与回击过程占比相比是很小的，但其总量仍然很大（大约都为1.35C），约为3～4次约20kA回击过程释放电量的总和。中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

ofTropical

and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou和回击过程的对比回击过程对应流经SPD电流特征参数初始长连续电流冲击主要结论：u长连续电流，包括上行闪电（人工触发闪电）

、回击间的连续电流等注

入地网后（人工接地体），仅初始长连续电流过程（小电流长时间）也

能损坏SPD，且通过观测定量给出了损坏时的能量，大约为1000J

（20kA，

8/20μs）

。u传统标准只关注回击脉冲的过程（大电流短时间），观测试验和分析提供了SPD损坏的新视角。ChenS,

Yan

X,Zhang

Y,etal.SurgeProtectiveDeviceDamage

Causedby

Triggered

LightningReturnStroke,Subsequent

Continuous

Current

and

M

Component,Electric

Power

Systems

Research.初始长连续电流冲击中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

ofTropical

and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou回击下降沿叠加M分量冲击ChenS,

Yan

X,Zhang

Y,etal.SurgeProtectiveDeviceDamage

Causedby

Triggered

LightningReturnStroke,SubsequentContinuous

Currentand

MComponent,ElectricPowerSystemsResearch.中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

ofTropical

and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou试验布置（2019年的一次试验，T0630）

回击下降沿叠加M分量冲击ChenS,

Yan

X,Zhang

Y,etal.SurgeProtectiveDeviceDamage

Causedby

Triggered

LightningReturnStroke,Subsequent

Continuous

Current

and

M

Component,Electric

Power

Systems

Research.（6次回击，

-5.7～-31.1kA，

算术平均值-17.4

kA）中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou标称放电电流40kASPD损坏时刻，RS2，为什么会有这么大的能量冲击？T0630触发闪电电流波形触发闪电和SPD损坏4个阶段M1阶段M2阶段RS1阶段RS2阶段触发闪电电流峰值(kA)0.470.995.7319.55残压持续时间(ms)6.851.103.091.67残压峰值(V)-811.0-548.9-1004.3-1210.8平均残压(V)-718.2-510.0-797.5-1035.4冲击SPD电流峰值(A)-16.5-41.5-223.2-2461.5冲击SPD平均电流（A）-3.3-15.0-16.0-1359.6冲击SPD电荷量(C)-0.02-0.02-0.05-2.27冲击SPD能量(J)16.84.522.81934.4占总能量比值(%)0.850.231.1597.77u

RS2由开始至SPD损坏的1.67ms时间内，

经SPD泄放的电荷量为-2.27C（实验室测试用的峰值40kA（8/20μS）

波形，其流过SPD的电量仅为694.6mC，

3.2倍，

这个电量之大另

人惊讶）u

RS2开始至SPD损坏冲击SPD的能量达到1934.4Ju

RS2在回击电流回落过程中叠加的连续电流和多个大电流M

分量过程是致使SPD首先损坏的主要原因，

后面4次回击使SPD穿孔及部分炸裂。Chen

S,

Yan

X,Zhang

Y,et

al.Surge

Protective

Device

Damage

Caused

by

Triggered

Lightning

ReturnStroke,Subsequent

Continuous

Current

and

M

Component,Electric

Power

Systems

Research.回击下降沿叠加M分量冲击SPD损坏前四个残压阶段（M1、M2、RS1、RS2）的各项参

数中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou过程累积能量的巨大（中国气象局广州热带海洋气象研究所kAIns）titute

GuangzhouChe0n.58

1.70

Y,

etal.SurgeProtectiveDeviceDamage

Causedby

Triggered

LightningReturnStroke,SubsequentContinuous

Currentand

MComponent,ElectricPowerSystemsResearch.u6次M分量离回击的时间平均值

仅为0.880ms，第1次M分量仅

为短暂的56μs，最后一次仅为

1.835ms，都远远小于历史统计

的结果。u6次M分量的峰值电流和M分量

叠加的背景电流都很大，平均值

为3.87kA和2.75kA，远大于历史统计结果。u正是这样一次比较特殊的回击后

续电流和M分量事件，造成了冲

击SPD的电流和累积能量巨大，最终过程还没结束就损坏了SPD。回击下降沿叠加M分量冲击M217.977.160.0562.46M233.212.020.5290.5501.91M243.380.690.5621.1451.86M252.291.400.3541.5270.93（kA）（kA）t

M

(ms）

t

R

M

(ms）S

P

DM224.613.850.1230.1662.46平均值3.872.750.372背景电流间隔时间回击间隔M261.741.400.298IP

IB

ΔΔI过程的解析1.835

0.880SPDu

RS1冲击SPD的能量很弱，累积值为22.8J，

50μS内冲击SPD能量最大值仅为3.0J，对

应出现在驼峰的M分量处u

RS2三处峰值，上升沿，下降沿叠加M分

量。

50μS内冲击SPD能量最大值为104.3J，

整个过程大于100J的2次，大于80J的9次。u长时间大能量的冲击导致SPD失效回击下降沿叠加M分量冲击ChenS,

Yan

X,Zhang

Y,etal.SurgeProtectiveDeviceDamage

Causedby

Triggered

LightningReturnStroke,SubsequentContinuous

Currentand

MComponent,ElectricPowerSystemsResearch.中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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and

Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou50微秒能量值（蓝色）

能量累加（红色）

不同回击过程u

RS2对应的Qspd非常大，比其它5次回击总和还要大。u

RS4的Ispd饱和，

最大，

触发闪电注入的电荷量（Qtr）

最大，

其Qspd并不是很大。u

电荷量占比RS2非常大，

值得研究，

只有回击过程的RS5占23%，

也比较大，

其它的占比很小不到5%。u

不同回击过程QSPD与触发闪电注入不同的回击和M分量组合波形

有很大的区别。RSRS1RS2RS3RS4RS5RS6Ip（kA）5.719.613.531.321.413.2ISPD（A）223.22461.5499.0饱和3734.0447.3QTr（mC）1422.46019.83146.16328.11434.14148.1QSPD（mC）49.42634.5127.0估计不超

过600329.7130.4Q

S

P

D

/QTr3.5%43.8%4.0%--23.0%3.1%M分量和回击过程SPD电流和注入电

流之间的关系（

小电流区基本线性，随着电

流增加，SPD电流明显增加）

，RS2后面的M分

量删除，Ispd明显偏大很多。回击下降沿叠加M分量冲击Chen

S,

Yan

X,Zhang

Y,et

al.Surge

Protective

Device

Damage

Caused

by

Triggered

Lightning

ReturnStroke,SubsequentContinuous

Currentand

MComponent,ElectricPowerSystemsResearch.中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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Marine

Meteorology,

CMA,

Guangzhou6次回击及后续连续电流和M分量过程电流、电量参数不同回击过程主要结论：u回击下降沿叠加多个较大电流的M分量，

当其背景电流较大，

离回击母体时间间隔较短时，

冲击SPD的电流和电量明显偏大，破坏效应和破坏威力自然显著提升。u当电荷量累积达到2.27C，

冲击SPD的能量达到1934.4J时，标称放电电流40kA的氧化锌SPD失效。回击下降沿叠加M分量冲击ChenS,

Yan

X,Zhang

Y,etal.SurgeProtectiveDeviceDamage

Causedby

Triggered

LightningReturnStroke,SubsequentContinuous

Currentand

MComponent,ElectricPowerSystemsResearch.中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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CMA,

Guangzhou编号电流峰值/kA半峰宽度/µs10%–90%上升

时间/µs上升沿平均陡度

/kA/µs电量/(C)RS115.925.80.4926.40.88RS224.212.50.2675.71.64RS310.511.10.3722.80.44RS426.15.20.3168.51.67AVE19.213.70.3648.41.16RS3+M分量电流长连续电流和回击相互作用冲击T0725由初始长连续电流和后面4次回击组成，持续时间长约313.6ms，中和电

量约为33.5C

。RS4最大，26.1kA

。RS3后面紧跟较多M分量。

陈绍东，张义军，颜旭等。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，

热带气象学报，37(3):1-9

，2021.中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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CMA,

GuangzhouT0725ILC

C初始长连续电流阶段残压显示，

SPD并未损坏。

RS1，

SPD异常，

大约80μs时间内SPD并没有钳制住GPR电压，

电

压峰值达到7kV左右（部分箝制），

当电压降低时，

SPD又恢复了钳制

作用。RS2，同样也有85μs左右的饱和值，

其幅值超过了量程20kV，

说明

此时间段内SPD完全不起作用了，

之后恢复了残压(残压值高，

时间

长）

。突变，

残压没有结束就又不起作用了。

RS3，

电流最小的，

起初出现了52.2µs的残压，

就又突变了。

RS3之

后有7次M分量，

有3次大于1kA的，

第7次出现了短暂的残压，

95.3μs。

RS4，

彻底损坏，

只出现了60μs饱和值，

之后就是140V左右的电压

值。类似间隙的这个较低电压水平内部的晶粒和晶界层到底是如何的情况，

值得研究。

长连续电流和回击相互作用冲击中国气象局广州热带海洋气象研究所Institute

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CMA,

Guangzhou突变点突变点残压编号接地线电

流/kA半峰宽度

/µ