基于闪电放电特征的氧化锌SPD损害机理试验研究

The failure of SPD in low-voltage power distribution system due to lightning will cause serious damage to rear-end protective equipments. Since a lightning process contains many sub-physical processes with the time scale of microsecond and submicrosecond, the damage mechanism of SPD in real lightning environment can't be fully discovered by traditional high-voltage impulse tests. Based on artificially-triggered lightning technology, the influence and damage mechanism of the voltage of ground potential rise and the induced overvoltage of line coupling caused by different discharge processes on SPD are studied in real lightning environment. The impact effects of ground potential rise and the induced voltage of line coupling due to discharge processes such as lightning return stroke, long continuous current and M-component are paid special attention to during the occurrence of nearby lightning flashes, and the physical mechanism of the damage of SPD caused by different discharge processes is well defined. Based on existing mode and observation data, the interaction between grounding grids and the mechanism of action of ground potential rise on SPD in power system due to different discharge processes of lightning are simulated and studied. The development of the project will improve our scientific understanding for the damage mechanism of different discharge processes of lightning on SPD in real lightning environment, and provide the foundation of scientific experiment for the research, development and application of new technology for lightning protection.

雷电引起低压配电系统SPD失效会造成其后端保护设备的严重损坏。一次雷电过程包含有多种微妙、亚微秒时间尺度的子物理过程，传统高压冲击试验并不能充分揭示真实雷电环境中SPD的损坏机理。本项目基于人工触发闪电技术，在真实雷电环境下，研究闪电不同放电过程引起的地电位升高电压和线路耦合感应过电压对SPD的影响及损害机理，特别关注近距离闪电发生时，闪电回击、长连续电流、M分量等不同放电过程形成的地电位升高和线路耦合感应电压波对SPD的冲击影响，明确不同放电过程造成SPD损害的物理机制。在现有模式和观测数据基础上，模拟研究不同闪电放电过程地网间相互作用及地电位升高对电源系统SPD作用机理。项目开展将提升真实雷电环境下不同闪电放电过程对SPD损害机理的科学认识，为雷电防护新技术研发和应用提供科学试验基础。

地网地电位抬升（GPR）和近距离闪电电磁感应耦合产生的过电压及其冲击SPD损坏效应和机制一直是雷电防护研究中值得关注的科学问题，人工触发闪电技术成为真实雷电环境下观测和研究这些问题的重要手段。. 在地网地电位抬升的观测试验中，成功的解决了观测中零电位的布设技术难题。获取了大量的基于触发闪电回击和M分量等过程的地电位升高和线路耦合感应以及冲击SPD的雷电观测资料。. 开展了雷电流直接注入地网后主动地网和被动地网地电位升高（GPR）的观测，发现冲击接地电阻值并不随电流峰值的变化而变化，冲击接地电阻与电流10-90%上升时间呈一定的反比例关系，说明冲击电流频率较高时，接地体的电感效应使冲击接地电阻偏大。被动地网GPR电压峰值出现较大衰减，后者是前者的13.2%；被动地网10-90%上升时间和半峰宽度相较主动地网值变长，说明GPR高频分量随着距离有显明的衰减。. 开展了基于邻近触发闪电的1km架空线路耦合感应过电压对SPD影响和损害的观测，发现感应耦合冲击SPD的电涌能量并不大，多回击脉冲并不容易损坏SPD，触发闪电的10%～90%电流平均陡度是决定SPD接地线电流峰值和浪涌能量大小的关键因子。. 开展了主动和被动地网地电位抬升冲击SPD的试验，发现主动地网GPR仅初始长连续电流过程也能损坏SPD的现象，并揭示了长连续电流GPR损坏SPD的关键因子。明确了闪电初始长连续电流过程和回击两种不同过程损坏SPD的失效模式和机制。相隔10m的被动地网产生的转移电位衰减很大，其冲击SPD的能量较小，SPD是不容易损坏的。对不同闪电物理过程及其相互叠加引起的GPR冲击SPD进行了数值分析，并与实际观测结果进行了对比。. 本研究增进了在真实雷电环境下地网地电位升高和近距离耦合感应过电压两种方式不同闪电物理过程冲击损坏SPD的科学认识。共地和不共地地网间相互作用研究、GPR反击损坏SPD定量观测结果等在电子电气接地系统领域具有参考和应用价值。