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

陈绍东，张义军，颜旭，杜赛，吕伟涛，张阳

（1.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州510641；2.复旦大学，上海200433；3.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081）

1 引言

雷电流通过接地系统泄放入大地的同时，会瞬间使接地系统的电位升高，该高电位极易损坏与接地系统相连的电气设备[1-3]。电涌保护器(surge protective device，下文记做SPD)俗称避雷器，作为一种保护电气设备免受雷击时高瞬态过电压危害的防雷器件，通常是与被保护物并联，其通过将瞬态过电压限制在一定水平，并通过接地线将电涌电流泄放入接地系统，起到保护后端电气设备的目的，因其与接地系统相连，经常遭受雷电地电位反击而损坏。

针对SPD冲击能量耐受能力的研究，前人已开展了大量的研究工作[4-7]，也对其失效机制和损坏形式有了较深入的认识[8-10]。现阶段，SPD的耐受能力试验和新产品应用前的测试都在高压实验室完成，以单脉冲测试为主，其波形和测试方法已经较成熟，近年来也引入了全雷电波测试的概念开展多回击等测试[11-12]，但仍然与自然界的闪电存在差异，所以在实际的系统运行中，由于闪电事件造成额定电流范围内的SPD损坏[13-14]还是难以避免的。

由于自然闪电发生的不确定性，在自然环境下开展相关研究较困难，利用人工触发闪电开展该方向研究在当前是一种较好的途径[15-17]，但基于此开展地电位抬升冲击SPD的试验国内外较少报导。国外基于触发闪电开展诸如居民楼、通信铁塔或者架空配电线路雷击分流试验时，发现了SPD损坏的现象[18-19]，分析后发现SPD的损坏与闪电的物理过程是密切相关的，触发闪电的初始长连续电流过程也经常导致SPD的损坏[20]。地电位抬升对设备的损坏要关注闪电的不同物理过程，回击、M分量和长连续电流过程引起的地电位抬升和反击进入SPD的能量都有不同的特征。本文利用触发闪电直击于地网，分析了地网地电位抬升反击引起氧化锌SPD损坏的事件，评估了闪电全物理过程引起的地电位抬升对氧化锌SPD的损坏效应。

2 试验布置

试验在位于广州市从化区的中国气象局雷电野外科学试验基地开展。地电位抬升(Ground potential rise，GPR)冲击氧化锌SPD试验布置如图1所示，触发闪电成功后，雷电流从引流杆下地网中心O点注入地网，地网的电位瞬间大幅升高，在地网F点处通过氧化锌SPD的接地线反击使电压波进入埋地电缆，埋地电缆在远端接地，当地电位抬升冲击氧化锌SPD的时候，电缆中就会有电流流过，该电流由带宽为150 Hz～150 mHz，衰减倍数为100倍的皮尔森线圈测量，埋地电缆为单芯截面2.5 mm2的两芯多股铜芯电缆，电缆全长120 m，通过穿金属管埋地深度0.2 m的方式布置，远端接地点处用40 mm×40 mm×4 mm镀锌角钢接地，长度为2.5 m，该接地点处工频接地电阻为120Ω。氧化锌SPD两端的残压信号先经过阻容式分压器(分压比为4000：1，高压臂阻抗为300 pF，带宽为DC-300 MHz)进行分压，然后经过100倍衰减器衰减后，再由采样频率为10 ms/s的高压隔离采集系统光电转换传输至控制室内记录。

图1 地网地电位抬升反击氧化锌SPD试验布置示意图

引流杆下的地网尺寸为10 m×10 m(5 m×5 m网格)，由水平接地体和垂直接地体共同组成，水平接地体采用40 mm×4 mm的镀锌扁钢连接，埋深0.8 m，垂直接地体采用40 mm×40 mm×4 mm镀锌角钢，长度为2.5 m，每隔5 m均匀分布于地网的四周，测得地网的工频接地电阻为15.8Ω。

触发闪电电流波形由引流杆下同轴分流器进行采集，其采样带宽为DC-20MHz，之后通过HBM系统采集和记录，其采样频率为100 ms/s，雷电流的采集使用了大小两个量程，大量程数据用于分析回击等较大物理过程(如回击)，小量程数据用于分析较微弱的雷电物理过程(如M分量)。本试验采用的氧化锌电涌保护器标称放电电流(In)20 kA，最大放电电流(Imax)40 kA，电压保护水平(Up)1750 V，直流1 mA测量的压敏电压大约为600 V，文中根据压敏电阻上保持压敏电压的时间长短来判断残压的持续时间。触发闪电成功后通道底部电流的测量和地网电位抬升及氧化锌SPD残压、泄放电流等测量是两个不同的测量系统，两者并不同步。

3 数据分析

2018年7月25日14 时01分(北京时间，下同)成功触发了一次负极性闪电(下文记为T0725)，T0725包含初始长连续电流(Initial long continuous current，ILCC)和之后的4次回击过程(Return stroke，4次回击下文记作RS1～RS4)，7月25日仅有这一次触发闪电成功，测量系统较完整记录了此次触发闪电的雷电流数据和地网上地电位抬升数据，下文将进行详细分析。

3.1 触发闪电电流

图2是T0725触发闪电通道底部电流波形图(图2a、2c为小量程数据)，初始长连续电流过程起始于-305.3 ms，结束于8.3 ms，持续时间长约313.6 ms(图2a)，其中最大的电流峰值为287.4 A，平均电流为106.8 A，中和电量约为33.5 C。4次回击过程，电流幅值最大为26.1 kA(RS4)，最小10.5 kA(RS3)，算术平均值19.2 kA。T0725触发闪电RS2和RS4在回击电流回落阶段紧跟M分量过程，两次过程对应释放的电量相对比较大，RS3后出现了较长的回击间连续电流过程(long continuous current，LCC)，持续时间长达55.7 ms，同时叠加了多个M分量过程(峰值大于1 kA的有3个，分别记为M1、M2、M3，图2c中的RS3为饱和状态)，如图2c所示，触发闪电4次回击的参数详见表1。

表1 T0725闪电通道底部电流波形特征参数表

图2 T0725触发闪电通道底部电流波形(a)以及不同放电阶段波形放大图(b～d)b.初始长连续电流放大波形；c.RS1回击放大波形；d.RS3后回击间连续电流放大波形(此处RS3饱和)。

3.2 氧化锌SPD残压

闪电电流注入地网后由地电位抬升反击引起电涌保护器动作产生的残压总波形如图3所示。T0725触发闪电成功后，测量系统并没有完整测量到闪电放电全过程对应的SPD动作情况，对比图2可见，测量系统只测量到了闪电的初始长连续电流过程后半部分(起始时间为-200 ms)对应的SPD动作情况，前面103.5 ms的过程没有测量到。回击阶段的残压由于氧化锌SPD出现异常，其幅值都远超过氧化锌SPD箝制电压的范围(幅值均超过10 kV)，为了便于分析闪电整个过程的残压，图3中将残压值超过1200 V的数据直接进行了饱和处理。

图3 T0725地网地电位抬升反击引起氧化锌SPD残压波形

3.2.1 连续电流阶段残压

图4是T0725初始长连续电流阶段对应氧化锌SPD残压和触发闪电电流波形图，初始长连续电流阶段，地电位抬升反击氧化锌SPD呈现较小的残压值，峰值电压为647.2 V，观测到的连续电流阶段残压持续时间为165.0 ms(假设500 V为动作电压)，平均残压为585.9 V。对比触发闪电电流波形图可知，未测量到的前半部分氧化锌SPD的残压会更大一些。另外，试验中连续电流阶段氧化锌SPD动作产生的电流本身比较小，其基本淹没在测量系统的噪音中，无法计算和分析流经氧化锌SPD的电量和能量。由图4残压的变化曲线可知，当残压结束时，其幅值缓慢降为零(而对应注入地网的雷电流也接近于零值)，没有出现瞬间的断点，说明当长连续电流过程结束时，氧化锌SPD应该是正常的。

图4 T0725初始长连续电流阶段触发闪电电流(红色)和地网抬升反击引起氧化锌SPD残压(黑色)波形

3.2.2 回击阶段残压

T0725回击阶段地网地电位抬升反击引起氧化锌SPD动作的残压放大波形如图5所示，第1次回击发生时，氧化锌SPD就呈现出了异常情况，大约80μs时间内氧化锌SPD并没有钳制住地网上瞬间升高的电压，电压峰值达到7 kV左右，当电压降低时，氧化锌SPD又恢复了钳制作用，残压及饱和总持续时间为485.0μs。RS1末尾残压并没有出现突变的现象，说明RS1末尾氧化锌SPD动作是正常的。第1次回击发生后电压峰值达7 kV，其幅值虽然没有钳制住，但明显受到了抑制，说明氧化锌SPD出现异常，但电压峰值还是受到了氧化锌SPD部分的抑制作用。第2次回击，同样也有85μs左右的饱和值(图5)，其幅值超过了量程20 kV，说明此时间段内氧化锌SPD完全不起作用了，之后恢复了残压。残压持续时间较长，因为回击后叠加了长连续电流和M分量的过程，残压和饱和持续时间长约982.8μs，接近1 ms，但对比流经氧化锌SPD接地线电流可发现，实际的残压并没有结束，RS2后面叠加的M分量产生的残压持续时间还很长，只是此时氧化锌SPD又不起作用了，说明其确实出现故障了，由RS2残压的突变也可说明这一点(图5)。之后第3次回击，由于触发闪电电流较小(是4次回击中电流峰值最小的)，地网地电位抬升反击氧化锌SPD开始时电压并没有饱和，氧化锌SPD钳制住了电压，残压峰值很高，为1113.3 V，平均残压为1039.8 V，但其持续时间很短(52.2μs)，之后氧化锌SPD又出现了异常，也同样出现了残压的突变点。RS3之后出现了较长时间的回击间连续电流叠加M分量过程，M分量有7次，其中电流大于1 kA的有3次(M1、M2、M3)，第7次M分量氧化锌SPD又短暂出现了一次残压的波形，见图6中M7，其残压峰值相对较小，为809.3 V，平均残压为776.7 V，持续时间为95.3μs，之后氧化锌SPD再也没有动作过，内部氧化锌晶体结构应该是彻底损坏了。第4次回击残压只出现了约60μs的饱和值(幅值超过量程20 kV)，之后电压就维持在一个较低的水平，这个电压值约140 V，类似于间隙型SPD击穿后的电压水平。氧化锌SPD不能正常钳制但又超过其动作电压的情况下就维持着这个低电压水平，RS2、RS3和RS4后都持续较长的时间，如图6中RS3之后M分量对应着大约有十几毫秒的持续时间，然后出现遮断，M7出现短暂残压后又出现了大约10 ms的低电压水平值。

图5 T0725回击过程对应的残压放大波形

图6 T0725 RS3后连续电流(红色)和对应的残压(黑色)波形

3.3 氧化锌SPD接地线电流

图7是T0725各次回击使氧化锌SPD动作时接地线上的电流波形，RS2对应的接地线电流峰值最大为7.1 kA，RS3最小为3.1 kA，峰值平均为5.4 kA。由此可看出，闪电直接注入接地网后，通过接地线反击进入到电源系统的电流比较大，其平均值与触发闪电电流峰值之比为28.9%。对比触发闪电电流的峰值，氧化锌SPD接地线电流峰值与之并没有特别好的正比例关系，除电流峰值外，与电流上升沿、半峰宽度等都有一定的关系。4次回击的上升沿(10%～90%上升时间)存在明显的差异，如图7所示，RS1和RS3对应的SPD接地线电流波形的上升沿较快，10%～90%上升时间分别为3.2μs和2.4μs，而RS2和RS4对应的SPD接地线电流波形的上升沿则明显缓慢很多，分别为15.5μs和10.5μs，且在上升过程中出现了初始峰值，初始峰值前后呈现出快上升(约1μs)和慢上升两个阶段(图7)。RS2和RS4对应的SPD接地线电流波形上升沿出现初始峰值和呈现快、慢两个阶段，可能与地电位抬升反击SPD并造成其异常有关。4次回击对应的SPD接地线电流波形半峰宽度范围35.9～78.1μs，平均值62.2μs。流经氧化锌SPD电流10%～90%上升时间和半峰宽度平均值远大于触发闪电电流对应的时间，其比值分别为22倍和4.5倍。触发闪电注入地网后，电流在泄放入地和流向远端接地体的过程中，都会受到导体电感的作用，电感所形成的磁场反过来又会阻碍电流的泄放，从而会造成波形10%～90%上升时间和半峰宽度增加，从这个角度讲，流经氧化锌SPD电流的观测结果是可信的。流经氧化锌SPD接地线电流4次回击的其它参数详见表2。

表2 T0725流经SPD接地线电流波形特征参数表

图7 T0725回击使氧化锌SPD动作时接地线上电流波形

4 讨 论

触发闪电T0725注入地网后，由于地电位抬升反击引起氧化锌SPD损坏的整个过程相对是比较特殊的，氧化锌SPD两端的残压基本上贯穿了整个闪电的放电过程，直至最后一次回击过程氧化锌SPD彻底不再起钳制作用。对比夏季试验的其它过程，有的在长连续电流过程中氧化锌SPD就已经损坏，T0725是剖析闪电放电过程损坏氧化锌SPD的较好例子。从上面的分析可看出，T0725初始长连续电流过程中是比较弱的(最大电流幅值为287.4A)，氧化锌SPD并没有出现异常，但由于长连续电流与首次回击的时间间隔非常短(大约10 ms)，可想象长连续电流过程对氧化锌SPD的温升作用对于回击冲击氧化锌SPD造成异常有很大的影响。当第1次回击地电位抬升反击作用于氧化锌SPD时，对于峰值电压，氧化锌SPD只起到了部分的钳制作用，当电压减小时又恢复了较好的钳制功能。当第2次回击冲击时，氧化锌SPD在地电位反击电压的波峰阶段完全失去了钳制作用，虽然在电压回落的过程中再次恢复了功能，但由于M分量较长时间的作用，其能量累积再次让氧化锌SPD失效。第3次回击发生时，由于闪电电流是最弱的，地电位反击电压相对较小，氧化锌SPD对峰值电压初始阶段进行了短暂的钳制，第4次回击时，SPD彻底失效。从上面的分析可看出，电压的峰值和较长的持续时间都会损坏氧化锌SPD内部晶粒和晶界结构。在实际应用过程中，氧化锌SPD的损坏或失效与自然闪电整个放电过程是密切相关的，瞬间的大能量或者累积的能量冲击达到其损坏的临界点，氧化锌SPD都有可能失效。文献[19]在土壤中注入雷电流后，由于初始长连续电流和继后回击两个过程的地电位反击造成线路中SPD的损坏，与本文的试验结果类似。

上述分析可看出当地电位反击过程中较大的浪涌电压来袭时，特别是电压的快速上升阶段，氧化锌SPD内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易局部遭到破坏(形式主要为穿孔)，电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过，氧化锌电阻片失去作用，而当电压缓慢下降时，电压在氧化锌SPD内部晶界层的分布趋于均匀，这时没有损坏的晶界结构起到了钳制电压的作用，从而又恢复了SPD的钳制电压的功能。这也解释了T0725过程中，氧化锌SPD时而失效时而恢复的现象。也正因为出现了内部晶界层的局部破坏，形成了短暂的“漏洞”的现象，在电压波上升至最大峰值时，对应的电流出现了异常的初始峰值，如RS2和RS4，而在电压上升至峰值过程有钳制作用或部分钳制作用时，对应流经氧化锌SPD的接地线电流就没有出现初始峰值的现象了。

一次标称放电电流波形为8/20μs，峰值为20 kA的冲击波，流经氧化锌SPD的电量可达368 mC，对比实测接地线电流波形4次回击的电量值发现，除RS3外，其余3次回击的电量都略大于这个值（表2）。虽然实测接地线电流波形冲击的陡度要明显小于8/20μs波形，但可近似认为氧化锌SPD在短暂的时间内经受了3次8/20μs波形的多脉冲冲击。在氧化锌SPD承受3次脉冲冲击的同时，还承受了初始和回击间较长时间的连续电流的冲击，共同的作用致使氧化锌SPD彻底损坏。试验后发现氧化锌SPD电阻片由于受热不均匀(图8)，电阻片正北和北偏东边缘处有明显的烧蚀的痕迹，且出现了针眼大小的穿孔现象，如图中黄色圈内，电阻片和导电部分的焊锡都已熔化脱落。对比其它损坏SPD的触发闪电过程，T0725是损坏最轻微的，穿孔是最小的，更没有炸裂。

图8 T0725过程后损坏的氧化锌SPD电阻片

5 结论

触发闪电注入人工地网后引起的地电位抬升电压非常高，通过地网接地线反击作用于氧化锌SPD后容易造成氧化锌SPD的损坏，损坏与触发闪电的放电过程密切相关。T0725由初始长连续电流、4次回击以及回击间的连续电流共同作用最终导致氧化锌SPD的损坏。

初始长连续电流阶段，地电位反击冲击氧化锌SPD呈现较小的残压值，峰值电压为647.2 V，残压持续时间为165.0 ms，平均残压为585.9 V。当回击发生时，较大的地电位抬升反击特别是电压的快速上升阶段，氧化锌SPD内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易局部遭到破坏，形成穿孔，电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过，氧化锌电阻片失去钳制作用，残压饱和，而当电压缓慢下降时，电压在氧化锌SPD内部晶界层的分布趋于均匀，没有损坏的晶界结构起到了钳制电压的作用，从而又恢复了氧化锌SPD的钳制功能。

氧化锌SPD损坏但不是太严重的情况下，GPR反击形成的电流仍会进入电源系统，4次回击过程流经氧化锌SPD的电流峰值最大达7.1 kA，平均为5.4 kA，占触发闪电注入电流的28.9%。流经氧化锌SPD的电量范围0.15～0.58 C，平均值0.44 C，其值大于8/20μs标称放电电流20 kA单脉冲释放的电量。