雷電防護(hù)裝置檢測儀器研究

廖路 易小萍 許偉

中國氣象局氣候資源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化重點開放實驗室

重慶市防雷中心

摘要：雷電防護(hù)裝置檢測是指對為確定內(nèi)外部雷電防護(hù)裝置是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的全面檢測和信息綜合分析處理的過程。傳統(tǒng)的測量方法需要使用多個獨立的儀器或設(shè)備來測量不同參數(shù)，測量成本較高的同時增加了維護(hù)和操作的復(fù)雜性。針對上述問題,研究對一個包含了浪涌保護(hù)器（SurgeProtectionDevice,SPD）、接地電阻,以及土壤電阻率檢測的雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀METREL(MI2088)展開分析工作,并評估其測量精度。研究結(jié)果表明,測量儀測得的SPD、接地電阻以及土壤電阻率誤差均在±1.0%范圍內(nèi),滿足允許誤差±2.0%的精度要求,故雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀精度較高,在雷電防護(hù)領(lǐng)域內(nèi)具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：雷電防護(hù)裝置;浪涌保護(hù)器;接地電阻;土壤電阻率

0 引言

雷電是大氣中發(fā)生的電荷積累和放電現(xiàn)象，當(dāng)云層中的正電荷和負(fù)電荷分別積累到一定程度時，會發(fā)生電荷之間的電力釋放，從而形成一道閃電。當(dāng)閃電直接擊中建筑物或者附近的物體時，產(chǎn)生的電熱效應(yīng)和機(jī)械力會導(dǎo)致可能對建筑物本身造成嚴(yán)重?fù)p壞，還可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等危險事故，危及人員生命和財產(chǎn)安全[1]。隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快，各種場所面臨雷擊風(fēng)險的可能性也隨之增加，因此雷電防護(hù)裝置檢測是保障場所及人員生命財產(chǎn)安全的重要工作。雷電防護(hù)裝置檢測是指為確定內(nèi)外部雷電防護(hù)裝置是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的全面檢測和信息綜合分析處理的過程[2]。劉志剛等人為進(jìn)行雷電防護(hù)裝置中接地電阻的精準(zhǔn)檢測，通過理論計算分析得出，中小型接地裝置可采用等邊三角形法測量接地電阻，大型接地裝置可通過測試電氣完整性來保證接地電阻滿足設(shè)計要求，該測量方法可推廣應(yīng)用于所有的接地電阻測試[3]。GuerreroJM等人設(shè)計了直流-交流系統(tǒng)交流側(cè)的接地故障定位方法，該方法主要基于連接在直流母線中點和地之間的接地電阻，然后將瞬時電壓窗口記錄分析成直方圖，獲得兩個相關(guān)的代表性電壓峰值，以此估計故障位置[4]。以上研究成果均是對于接地電阻檢測，很少涉及浪涌保護(hù)器（SurgeProtectionDevice，SPD）的測量，且雷電防護(hù)裝置相關(guān)數(shù)據(jù)的測量需要使用多個獨立的儀器或設(shè)備，維護(hù)和操作復(fù)雜度顯著提高[5-6]。針對以上問題，研究利用具備多種測量功能的多功能雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀開展雷電防護(hù)裝置檢測，是提高檢測工作效率的必要條件。

1 雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)檢測儀器研究

雷電防護(hù)裝置檢測包括接閃器、引下線、接地裝置、防雷等電位連接、SPD、土壤電阻率等項目檢測。本文將對一個包含了接地電阻、SPD及土壤電阻率等重要數(shù)據(jù)測量的多功能雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀METREL(MI2088)開展測量分析工作。MI2088可進(jìn)行雙鉗接地電阻、四極接地電阻、土壤電阻率、絕緣電阻率、交直流電壓、電流有效值、壓敏電阻及過壓保護(hù)設(shè)備、等電位連接測試，其多功能性對于提高雷電防護(hù)裝置檢測效率以及檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實用性，為雷電防護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)，對增強(qiáng)雷電災(zāi)害防御針對性、降低雷電風(fēng)險具有積極作用[7-8]。結(jié)合檢測工作實際，重點從接地電阻、SPD及土壤電阻率測量三個方面數(shù)據(jù)來研究分析，多功能參數(shù)測量儀的實用性。

1.1、接地裝置測量原理及其方法

接地裝置是一種用來將電氣、電子設(shè)備正常不帶電的金屬外殼或者結(jié)構(gòu)物與地面建立良好電氣連接的裝置，其通過將雷電流或電流傳導(dǎo)至地中導(dǎo)體，并散入大地，使得電氣、電子設(shè)備金屬外殼或結(jié)構(gòu)物的電勢與地面電勢相平衡，以確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和人身安全。接地電阻作為接地裝置與大地之間的電阻，是雷電防護(hù)裝置檢測的重要數(shù)據(jù)，其主要包括自身電阻、接觸電阻與散流電阻。散流電阻是指接地系統(tǒng)中用于限制或分散電流流動的電阻，其主要作用是將電流向大地傾瀉，以均勻分配電流負(fù)載、降低熱量產(chǎn)生和減少可能的熱損壞[9]。由于散流電阻分量遠(yuǎn)大于接觸電阻與自身電阻，因此其值近似于接地電阻值。接地電阻值的測量主要依據(jù)接地裝置與零電位處的電位差，然后根據(jù)歐姆定律可得接地電阻值，基于以上理論，研究目前優(yōu)于三極三線法的四線法來進(jìn)行接地電阻值的測量。四線法測接地電阻接線圖見圖1。

圖1 四線法測接地電阻示意圖

圖1中四線法是在三極法的基礎(chǔ)上衍生而來，其比三線法多接入一根輔助導(dǎo)線。四線法測量由兩根輔助導(dǎo)線引至伏特計，可避免測量電阻時受到輔助導(dǎo)線線阻造成的壓降影響。由于伏特計內(nèi)電阻極大，流經(jīng)伏特計的電流值相比于流經(jīng)待測電阻電流值小到可忽略，故相較于三線法，四線法能消除輔助導(dǎo)線線阻對測量結(jié)果的影響。

1.2、SPD測量原理及其方法

SPD是一種用于保護(hù)電氣設(shè)備免受電源線路中的浪涌電壓或電流影響的裝置，其核心元件是壓敏電阻。壓敏電阻的伏安特性會直接影響SPD防雷元件的性能，見圖2[10]。

圖2 壓敏電阻的伏安特性

圖2中壓敏電阻的伏安特性是低電壓下表現(xiàn)為近似線性特性，在高電壓下表現(xiàn)出顯著的負(fù)阻特性，其中SPD工作區(qū)域就表現(xiàn)出顯著的負(fù)阻特性。該區(qū)域內(nèi)隨著壓敏電阻兩端電壓的上升，電阻值會迅速下降，促使電流急劇升高，從而使得雷電流泄入大地，以保障各種場所內(nèi)電氣設(shè)備安全。對于SPD檢測，壓敏電壓和泄漏電流是測量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。研究利用FW-SPD06防雷元件測試儀對SPD進(jìn)行測量。首先，升高SPD兩端的電壓，直至測量回路通過的電流升高到1mA，這時電壓即為壓敏電壓；然后將SPD兩端電壓降低到75%的壓敏電壓值，檢測回路中通過SPD的電流數(shù)值，這時回路電流即為泄漏電流。FW-SPD06檢測硬件如圖3所示。

圖3 FW-SPD06檢測硬件

圖3中FW-SPD06主要由信號取樣、差分放大、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDi-gitalConverter，ADC）、三菱微控制單元、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DigitatoAnalogCon-verter，DAC）、繼電器、高壓電源模塊等組成。高壓電源是一種電子設(shè)備，其通常由電源轉(zhuǎn)換器、控制電路、濾波電路和保護(hù)電路等組成，其可以加載測試所需直流電壓，用于提供高電壓輸出。高壓電源模塊主要為寬電壓供電，其可以自動適應(yīng)輸入電壓的變化，控制電壓輸入范圍是0-2.5V，輸出電壓范圍是10-2000V，高壓電源的輸出電壓隨著控制電壓變化而變化。ADC是一種模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的集成電路，可用于連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。ADC的工作原理是通過一系列的采樣和量化過程將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程，其具體步驟如下。首先在一定的時間間隔內(nèi)，對模擬信號進(jìn)行離散采樣并記錄其數(shù)值，然后對每個采樣點的模擬信號進(jìn)行量化，通過二進(jìn)制編碼將其映射到一系列的離散數(shù)值中。最后將量化后的數(shù)字信號輸出到三菱微控制單元進(jìn)行下一步的處理和分析。DAC與ADC相反，其是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的集成電路，常常被用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可供模擬電路使用的模擬電壓或電流。DAC芯片通常由數(shù)字輸入端、模擬輸出端和控制邏輯組成。DAC芯片的主要功能是接收來自三菱微控制單元的數(shù)字輸入，并將其轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，其輸出電壓范圍為0-2.5V，完全滿足高壓電源模塊的控制電壓需求。

為避免測量過程中的意外短接情況出現(xiàn)，測量回路內(nèi)還存有瞬態(tài)抑制二極管。瞬態(tài)抑制二極管是一種用于保護(hù)電子設(shè)備免受電壓瞬態(tài)峰值的影響的電子元件，其通常由硅材料制成，具有較高的響應(yīng)速度和能量吸收能力，能夠在短時間內(nèi)迅速導(dǎo)通并吸收過高的瞬態(tài)電壓[11]。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過瞬態(tài)抑制二極管的工作電壓時，瞬態(tài)抑制二極管會迅速導(dǎo)通，并將過電壓引導(dǎo)到地或其他安全地方，避免電壓過大而損壞測量回路元件，以保護(hù)電子設(shè)備的正常工作。

1.3、土壤電阻率測量原理及其方法

土壤電阻率是影響接地電阻的關(guān)鍵因素，其實質(zhì)是單位長度的土壤電阻的平均值與截面面積乘積，一般都需要通過現(xiàn)場測試獲取。在測試過程中，由于電流極位置不可能設(shè)在無窮遠(yuǎn)處，因此實際測得電位差小于相對于零電勢點的電位，故電流極與接地體之間的位置還應(yīng)設(shè)置補(bǔ)償點。假設(shè)被測接地極的半徑為r，大地為均勻土壤，則測量得到的電壓值計算見式（1）[12]。

式（1）中，Ueα是接地裝置e與電極α之間的電位差，P是土壤電阻率，deα、dxα、dex分別是接地裝置e與電極α、電極α與電極x、電極x與接地裝置e之間的距離。接地裝置e與電極α之間的電阻Reα、電極β與電極α之間的Rαβ的計算見式（2）[13]。

式（2）中，是接地裝置e與電極β、電極β與電極x之間的距離。

由式（1）、式（2）可知，土壤電阻率P是決定接電裝置接電電阻的重要因素，其是指邊長為1m的單位正方體土壤電阻。常用的土壤電阻率測量方法是溫納法，溫納法是四極法的一種，其采用四個電極，電極之間的距離平均設(shè)置為a，則土壤電阻率P的計算見式（3）[14]。

式（3）中，Rg是實測土壤電阻。

由于溫納法容易受到接地裝置向四周散流的影響，因此需在不同方向上反復(fù)進(jìn)行測量，并以不同方向上的測量平均值作為最后的土壤電阻率測量值。

2 雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀測量數(shù)據(jù)對比分析

為檢驗MI2088雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀的精度是否符合要求，本文將接地電阻、SPD、土壤電阻率三項數(shù)據(jù)的測量結(jié)果與傳統(tǒng)的單項檢測設(shè)備4102A接地電阻測試儀、FW-SPD06防雷元件測試儀和GEO-1022N土壤電阻測試儀的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。首先是接地電阻的精度檢測，研究選用接地電阻測試儀4102A的測量值作為參照值進(jìn)行實驗，見表1。

表1 接地電阻的對比

表1中，接地電阻測試儀4102A測量的電阻值分別為1.0、3.0、7.1、8.0、9.1Ω,雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀測量的電阻值分別是1.01、2.99、7.09、8.08、9.04Ω,測量電阻相對誤差是1%、0.3%、0.1%、1%、0.3%，由于接地電阻精度要求在±2%，而雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀的測量結(jié)果相對誤差在±1.0%以內(nèi)，故在測量誤差允許范圍內(nèi)，雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀達(dá)到測量接地電阻的精度要求。然后進(jìn)行土壤電阻率的精度檢測，研究選用GEO-1022N土壤電阻率測試儀的測量值作為對比值進(jìn)行實驗。GEO-1022N測試儀與雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀在同一個測量地點布線完畢后，引線地樁不再移動，只更換地樁上側(cè)測量儀器，以排除其他干擾變量存在而影響實驗結(jié)果，見圖4。

圖4 土壤電阻率測量對比試驗結(jié)果

圖4（a）是GEO-1022N測試儀與雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀的土壤電阻率對比結(jié)果，圖4（b）是雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀的絕對誤差與相對誤差結(jié)果。測量儀在向陽綠化帶、草坪測得的土壤電阻率分別為37.0、39.8Ω/m，小于GEO-1022N測試儀的37.3、39.9Ω/m。測量儀、GEO-1022N測試儀在多石子草地測得的土壤電阻率分別為134.4、134.2Ω/m。測量儀在向陽綠化帶、草坪、多石子草地的絕對誤差分別為0.3、0.1、-0.2Ω/m，其相對誤差分別為0.80%、0.25%、-0.15%，在±1.0%以內(nèi)，滿足土壤電阻率誤差±2%范圍內(nèi)的精度要求，故雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀能夠較為精確地測量土壤電阻率。研究還為檢測SPD的測量精度，控制穩(wěn)定輸出增幅為100V的直流電壓來實現(xiàn)定點校驗。

圖5 壓敏電壓比對試驗結(jié)果

圖5是壓敏電壓比對試驗結(jié)果，圖5（a）是FW-SPD06測試儀與測量儀的壓敏對比結(jié)果，F(xiàn)W-SPD06測試儀與測量儀測出的壓敏電壓均隨著輸出電壓的增大而提高。圖5（b）是測量儀絕對誤差與相對誤差結(jié)果，其絕對誤差值分別為-0.76、1.25、1.29、-1.83、-2.12V，相對誤差均在±1%范圍內(nèi)，滿足測量儀測量壓敏電壓的允許誤差為±2%的精度要求。

3 結(jié)束語

雷電防護(hù)裝置作為防御雷擊的重要設(shè)施，承擔(dān)著保護(hù)各類場所和人們生命財產(chǎn)安全的重要責(zé)任，因此對其進(jìn)行有效的檢測和評估具有重要意義。常規(guī)檢測方法需要使用多個獨立儀器分別測量接地電阻、SPD、土壤電阻率等相關(guān)數(shù)據(jù)，檢測效率較低。針對以上問題，研究分析集接地電阻、SPD、土壤電阻率等數(shù)據(jù)檢測的雷電防護(hù)裝置特征參數(shù)測量儀METREL(MI2088)，有助于更高效便捷的開展雷電防護(hù)裝置測量工作。通過測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，MI2088測量儀對接地電阻、土壤電阻率、SPD壓敏電壓的測量誤差均控制在±1.0%以內(nèi)，滿足測量的精度要求。但是研究仍存有不足之處，由于雷電防護(hù)裝置測量儀器不可避免會出現(xiàn)磨損、老化等損耗問題，產(chǎn)生損耗后的測量精確度具有未知性，后續(xù)工作將通過大量數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行測量儀的優(yōu)化。

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