一、雷电流波形及频谱分析

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、雷电流波形及频谱分析

由于雷电的随机性和复杂性,建立一个统一的数学模型是不可能的,但可以通过通道底部电流、回击传播速度、一定距离的电磁场等参数建立一个可接受的雷电数学模型创3]。在工程应用中大多数雷电模型是在下列条件下建立的。

(1)针对第一回击建立雷电模型,因为雷电第一回击是引起过电压的主要原因。(2)设定雷电通道都是垂直于地面的。因为雷电通道的曲折具有随机性,因此在计算雷电通道周围的

电磁场时由于雷电通道弯曲所带的影响并不大。

由此,将雷击电流表示为沿垂直通道向上传播的脉动行波i(z, t),假定大地为理想导体,地

面为雷电通道镜像分界面,任意瞬时的i(z',t)随高度z按指数规律衰减。表示为:

az'

i(z',t) i(0,t z'/u)e .................................................

......... .(1)

式中,a为衰减常数,其值与存储在阶梯先导的电荷分布及回击的放电情况有关,变化范围

为0.5-1.0(1/km);

v为脉冲电流沿回击通道的传播速度,其变化范围是0.6〜2.0*10 8m/s;i(0,t z'/u)为回

击通道底部的电流。

通道底部电流采用Heidler模型:

2 H j t 1

i(0,t) 仏二,)』e7, i exp[ (』)(n』)”.......................................... ⑵i1 1 1 (t/ 1i)i2i 1i

式中,I。为通道底部电流的峰值;i1为前沿时间常数;2i为延迟时间常数;1为峰值修正系数;n i为指数。

一典型雷电回击底部电流波形参数如下表:

将表中参数带入heidler模型计算公式,得出雷电通道底部电流波形。

在式i(z',t)中,取雷电通道的传播速度为v 1.3*10 8(m / s),衰减常数a=0.6 (1/km)

图2.1雷电通道底部电流波形

设e 为常量,e 0.577216。从而得到通道底部电流的频谱,

具体频谱分布如图

图2.2通道底部电流的频谱

从上图可以看出,通道底部电流的频谱中主要频谱分量大体集中在 0— 20KHZ 雷电流能

量主要分布在低频、感应雷部分。所以本文中涉及的防雷方案主要考虑从低频感应雷电流对 专变线的损害入手。

为了分析雷电模型的频谱,需对

heidler

2

模型进行laplace 变换,得到:

I(0,)

i

也—2^ sin(j

i

J 1i 1/

2i

1i 1/

2i

). e

ln(j

1i 1/ 2i )

1i

1/

2i

cos(zLJdz

z

cos(j 1i

1/ 2i )

2 0

j

ii 1/ 2i

sin(z)

dz

z

2.2所示

:

2.1基站变压器损坏机理分析

2.1.1现网数据分析

我们提取了2011年,佛山基站专变电受损情况的数据,经过统计结果如表 3.2所示

表2.1 2011年受雷电袭击基站损害原因分析表

序号基站名称启用时间受损时间损坏原因损坏机理

1 三水迳口** 2005/1/4 2011/5/4 感应雷损坏正变换过电压造成变

压器损坏

2 三水大塘** 2003/1/5 2011/6/4 设备老化设备老化

3 三水白坭** 2005/1/18 2011/3/2 感应雷损坏正变换过电压造成变

压器损坏

4 高明明城** 2005/11/9 2011/7/7 直击雷损坏正变换过电压造成变

压器损坏

5 高明杨梅** 2005/11/4 2011/4/1 感应雷损坏反变换过电压造成变

压器损坏

6 高明杨梅** 2005/1/5 2011 /5/1 感应雷损坏正变换过电压造成变

压器损坏

7 顺德容桂** 2006/6/11 2011/3/8 感应雷损坏反变换过电压造成变

压器损坏

8 南海狮山** 2005/11/4 2011/8/1 感应雷损坏反变换过电压造成变

压器损坏

9 顺德北窖** 2005/7/4 2011/9/12 感应雷损坏正变换过电压造成变

压器损坏

10 南海丹灶** 2006/7/4 2011/8/27 其他其他

从上表得出雷电袭击基站的损害机理统计表,如表 3.2所示。

表2.2 2011

损害机理比率

正变换过电压造成变压器损50%

反变换过电压造成变压器损30%

设备老化10%

其他10%

基站变压器受损分析

可见,低频感应雷电流造成基站专变电损坏的主要原因是正、反变换过电压造成的。

2.2基站变压器损坏的要因分析

根据实际的施工经验,我们发现以下五种情况正是导致基站变压器受损的要因。

2.2.1 5KA级的高压MOA避雷器不能适应基站的特殊运行环境

5KA级的高压MOA避雷器仅适用于一般应用场合(雷击频度、强度较低的场合)⑷。对于移动通信基站特殊的地理工况条件(基站位置往往较高、且有基站铁塔易于引雷),该类防雷器易于因受到的过电流的冲击超过其设计寿命而损坏,并因此导致变压器失去保护而损坏。

2.2.2大冲击电流情况下普通高压MOA避雷器残压过高

对于MOA避雷器而言,由于其保护能力(残压)是针对小电流情况而设计,在移动通信基

站特殊的地理工况条件,往往出现大幅值的过电流,在此大电流通过MOA避雷器时,引起实际残压过高,超过变压器的绝缘耐受水平,引起变压器的损坏。

2.2.3变压器低压侧没有配套的防雷措施

由于没有认识到对变压器低压侧进行防护的重要性,没有在低压侧配置避雷器,反变换过

电压或低压侧形成的过电压造成高压侧的绝缘的击穿。

如果只有高压侧装设避雷器,如图 3.1示。还不能使配电变压器免除雷害事故,这是由

于雷击高压线路中,避雷器动作后的雷电流将在接地电阻上产生电压降。

图2.1 只在高压侧设避雷器

变压器外壳

In I ]

、...\

T T'I

高压侧避雷器

2.2.4变压器配置的避雷器的接地位置不当

雷害现场配电变压器与避雷器的接地方式如图 3.2所示,当雷电流从配电变压器高压侧侵

入时,高压侧装有避雷器,雷电流将会通过避雷器入地。同时,将会产生地电位抬高,在避雷器端子间(a.b两点间)呈现电压峰值(即残压),这个电压峰值也就是等于加载于配电变压器的高压线端与地之间。由于各连接线长度不同,则U=Ldi/dt+IR中L值不一样,因此

在雷电流侵入时地电位的抬高也就不同。

图2.3 因避雷器接地位置不当造成端口等效残压过高的示意图

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