电源电缆雷电感应电压特征分析

电源电缆雷电感应电压特征分析于晖;丁梅;张阳【摘要】通过开展自动气象站雷电防护试验,测量并量化分析了自然闪电条件下电源电缆的感应电压,探讨和分析了闪电事件中不同埋设条件下电源电缆感应电压的特点和规律.结果表明:土壤对闪电事件回击阶段的雷电电磁脉冲具有明显的屏蔽作用.对同一次自然闪电,相对于埋设在地面的电源电缆,埋设在地下0.5m处的电源电缆上感应电压脉冲波形峰峰值为52.2％.在选取的起始脉冲时间段内,感应电压均呈衰减振荡波形.通过频谱分析,相对于地面电源电缆,埋地电源电缆感应电压频谱在50 kHz～5 MHz的频段范围内频率分量的幅值始终较低,且保持了适当的比例,其中在905.5 kHz～1.535 MHz的频段幅值降低得尤为明显.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2015(043)001【总页数】7页(P36-42)【关键词】自然闪电;电缆;雷电电磁脉冲;感应电压【作者】于晖;丁梅;张阳【作者单位】北京市气象局,北京100089;北京市发展和改革委员会,北京100031;北京市气象局,北京100089;中国气象科学研究院,北京100081【正文语种】中文自动气象站是地面气象观测的基础观测设备，也是一种常见的在野外架设的电子设备。

当雷电击在野外架设的自动气象站附近，产生的瞬变电磁场在电源电缆上形成的雷电感应电压以及雷电下行先导在电源电缆上产生的静电感应均有可能影响与电源电缆相连的自动气象站正常工作甚至造成损坏。

由于自动气象站分布较广，所处环境复杂，特别是在多雷区，经常出现电源电缆雷电感应电压造成自动气象站不能正常运行的情况[1]。

为了因地制宜地采取雷电防护措施，防止或减少电源电缆雷电感应电压造成自动气象站等设备损坏，国内部分研究者对自动气象站电源线路雷电感应电压的防护技术进行研究[2-3]，提出采用屏蔽措施进行雷电电磁脉冲防护。

目前许多野外架设的自动气象站采用埋地电源电缆供电，利用土壤的屏蔽效能对雷电电磁脉冲进行防护，通常依据GB50057《建筑物防雷设计规范》和QX 30—2004《自动气象站场室防雷技术规范》中电涌防护相关要求进行设计。

尽管相关规范中对电源电缆提出埋地的要求，但开展自然闪电条件下埋地对电源电缆雷电感应电压防护作用的量化研究很少，主要是由于自然闪电发生的时空随机性，开展量化研究受到很大限制。

现有的埋地电缆雷电感应电压方面的资料主要通过对近地电缆高电压试验和仿真来完成[4-5]。

电缆金属屏蔽层具有明显降低雷电感应电压的作用[6]，试验中的电源电缆没有金属屏蔽层，进行雷电电磁脉冲与电源电缆耦合效应在芯线上产生雷电感应电压的实测[7]，能够真实有效地反映电源电缆不同埋设条件下产生的雷电感应电压特征。

2008—2010年，我们在广州野外雷电实验基地设计了针对埋地电源电缆的雷电防护试验。

自然闪电定位采用的是广东电网闪电定位系统的数据[8-9]，经人工触发闪电资料和定位系统资料详细对比分析，探测效率高[10]，能够为雷电感应电压的分析研究提供较可靠的数据。

本文对试验中获取的大量埋地电源电缆感应电压的数据进行分析，总结了云闪和地闪，闪电的不同阶段以及同一闪电事件中电源电缆处于不同埋设条件下感应电压呈现的特点和规律，对于研究不同类型闪电事件及闪电事件的各个子物理过程在埋地电源电缆上产生的感应电压特征具有积极的意义。

电源电缆测试场地布局见图1，主要由电源电缆和测量系统两大部分组成。

电源电缆铺设于地面和埋设于地下各一根，长度20 m，埋地深度为0.5 m。

电缆两端埋设垂直接地体,垂直接地体为2 m钢管，接地电阻为8.5 Ω，土壤电阻率为170 Ω·m。

电源电缆是无屏蔽层的3芯单股铜线扭绞电缆，单根芯线截面积为2.27 mm2,外绝缘护套材质为橡胶护套。

试验时，电源电缆芯线首端开路，测量芯线末端与地之间的雷电感应电压。

针对铺设于地面和埋设于地下两种状态，对测量到的电源电缆雷电感应电压进行分析。

测量系统主要集中在观测控制室内，感应电压的测量数据经采集系统由同轴电缆传至观测控制室内的数据采集设备中。

数据采集使用DL750示波记录仪，采样率10 M/s。

试验时，同轴电缆一端的芯线和屏蔽层分别与电源电缆的芯线和接地体相连。

同轴电缆另一端的芯线和屏蔽层与10倍衰减的电压测量探头相连。

同轴电缆与电压测量探头接口处安装50 Ω匹配电阻，电压测量探头接口与示波记录仪相连接，如图2所示。

快电场变化测量仪经同轴电缆与示波记录仪相连，连接端口处安装75 Ω匹配电阻。

所有测量设备及系统在武汉大学高压与绝缘实验室进行了测试标定，并对系统进行了现场的测试和标定。

2.1 云闪事件中埋地电源电缆感应电压特征云闪是发生在云体内部、放电通道未触及地面的雷电现象，是最经常发生的一种闪电放电事件。

一般认为云闪占全部闪电数的2/3以上，云闪辐射能量主要集中在2～3 MHz以下的低频段[11]。

Sunde[12]和米哈伊诺夫[13]假设放电过程中雷电流按正弦规律变化进行过相关的理论推导，得出云闪对埋地电缆的影响不大的结论，由于没有实测数据支持，使得他们的理论具有很大的局限性。

图3是在一次云闪事件中埋地电源电缆感应电压波形与快电场变化测量仪波形的比较图。

从图中可知，快电场变化正峰值为1416 V/m，负峰值为1554 V/m，而埋地电源电缆感应过电压的正峰值为0.53 V，负峰值为0.67 V，背景噪音0.2 V左右。

通过统计和分析2008年和2009年夏季野外试验获取的大量云闪事件在埋地电源电缆上产生的感应电压的资料，我们发现，感应电压幅值绝大多数在1 V以内，能够有效支持云闪对埋地电源电缆产生的影响不大这一结论。

2.2 地闪预击穿和梯级先导所致感应电压波形特征埋地电源电缆雷电感应电压的观测研究比较少，基于地闪回击本身强度大，雷电感应电压相应较高这一认识，国外文献中的观测结果主要针对闪电事件的回击过程，对闪电事件其他子物理过程和现象(如预击穿、先导[14]、连续电流过程、击间过程、M过程、K变化等)产生的感应电压研究就更少。

国内关于电源电缆雷电感应电压的研究大多是利用高电压实验对闪电事件回击过程进行模拟，已经取得了很大进步。

然而模拟雷电过程中高电压实验在诸如电磁场、源参数及空间尺度等方面仍存在一定的局限性。

梯级先导是地闪放电的始发阶段，也是闪电事件的主要物理过程之一。

Lalande等[15]和Rakov等[16]曾利用人工触发闪电技术试图模拟自然闪电中的下行梯级先导，试验中下行先导的长度只有几百米甚至更短，与自然闪电还存在很大的差别。

开展闪电事件中埋地电源电缆感应电压的观测，结合快电场变化测量仪数据进行综合分析，能够有效反映在闪电事件的预击穿、先导、回击等过程，埋地电源电缆感应电压与电场变化的关系，对于针对闪电事件特定阶段的感应电压分析具有积极意义。

从图4a中能够很容易地分辨出地闪的预击穿、先导和回击过程，快电场变化脉冲特征[17-20]与前人的研究一致。

其中预击穿过程持续时间约9 ms，具有显著的电场变化。

图4b中感应电压的波形与图4a中快电场变化波形相对应，回击发生时埋地电源电缆感应电压的幅值最大。

尽管在预击穿阶段雷电感应电压具有明显的波形，正峰值2 V，负峰值2.667 V，相对于回击阶段雷电感应电压正峰值18.93 V，负峰值3.867 V仍小得多。

图5a中闪电事件首次回击R及之前约300 μs内梯级先导的快电场变化波形呈脉冲状。

图5b中显示，梯级先导阶段埋地电源电缆雷电感应电压的波形变化较明显，与图5a中快电场变化对应，峰值小于回击阶段。

试验期间地闪在埋地电源电缆上产生的感应电压的统计数据也证实了这一点，这一结论对于试验布设以及仿真计算的参数化设置具有非常重要的价值，对于研究产生电场变化的物理过程具有重要意义。

2.3 地闪回击所致感应电压波形特征2.3.1 雷电感应电压波形特点雷电感应电压波形与电源电缆埋设状态密切相关。

图6是自然闪电F193753的回击阶段电源电缆在地面和埋地两种状态下的感应电压实测波形对比，其特点分析如下：地面电源电缆感应电压波形振荡为13个周期左右,单边最大值为峰峰值的52.83%；前8个脉冲负峰峰之间的时间差平均为0.94 μs。

波形持续时间为13.2 μs。

埋地电源电缆感应电压实测波形为8个周期左右,单边最大值为峰峰值的55.41%；前8个脉冲负峰峰之间的时间差平均为1.13 μs。

波形持续时间为12.8 μs。

当电源电缆芯线不接地时，电源电缆末端开路反射而使雷电感应电压波形产生振荡，再加上欧姆损耗和辐射损耗使雷电感应电压波形衰减，故芯线不接地的电源电缆雷电感应电压波形为衰减振荡波形。

经实测，地面和埋地两种条件下电源电缆雷电感应电压均呈衰减振荡波形，波形在振荡周期及衰减特性等方面具有较好的一致性，持续时间在7.6 μs左右。

经计算，图6中地面和埋地电源电缆雷电感应电压振荡频率分别为1.07、0.89 MHz，随埋设深度增大，振荡频率变低。

前人针对地面电缆雷电感应电压进行过理论计算和模拟实验，取得了类似的结果。

余同彬等[20]计算了40 m电缆不同高度时的开路振荡波形，取大地相对介电常数εr,g=5，电缆轴线高度h=0.0135 m时，f≈0.67 MHz。

周启明等[21]测量了水平极化辐射波模拟器条件下45 m地面电缆的振荡频率为1.11 MHz。

从图6中选取前8个脉冲周期进一步分析可知：雷电感应电压波形之间的差异主要表现在上升下降的幅度不一致，试验中其他闪电条件下也取得了类似的结果。

相对于地面电源电缆，埋地电源电缆雷电感应电压负峰出现时间平均延时0.19 μs，峰峰值之间的比例平均为33.42%，波形的衰减速度更快，持续时间更短。

图6中选取脉冲的峰值如表1所示。

由表1可知，地面和埋地电源电缆感应电压峰值从整体上看呈逐级衰减趋势，只有个别脉冲峰值不满足逐级衰减的要求。

由于电源电缆并不是理想的无损传输，产生的感应电压在电缆传输中会有能量损耗，再加上电缆的阻抗与绝缘材料引起的损耗，从而呈现衰减趋势。

2.3.2 频谱分析按照传输线理论,电源电缆平行于地面，其芯线与大地可以看做一对传输线[22]。

芯线不接地的电源电缆感应电压波形呈衰减振荡波形，其振荡频率f与电磁波的传播速度v成正比，与电缆长度L的两倍成反比[21]。

f=v/2L式中：为传输线上电磁波传播速度，μr、εr分别为传输线的磁导率和相对介电常数。

芯线的μr≈1，大地的εr=10，电源电缆绝缘护套εr=2.3。

按式(1)，h=0 m时，取v=c=3×108 m/s，电缆总长L=20 m，计算得f=1.564 MHz。

为了进一步研究电源电缆的感应电压特征，需要对其频谱进行分析。