建筑电气系统在雷击过程中产生的浪涌外文翻译资料

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建筑电气系统在雷击过程中产生的浪涌

Y. Dulowast;, Binghao Li, Mingli Chen

建筑服务工程部、香港理工大学红磡，九龙，香港

文章信息:

文章历史：

2015年3月30日收到2015年9月30日修订后的表格

接受2015年11月26日

网上2016年1月4日可用

摘要：

本文利用FDTD方法对建筑物引起的雷电浪涌进行了研究。当建筑物中的下导体（DCS）放电雷电电流时，在相邻的配电线路中由于电和磁耦合而引起感应浪涌。开路中的感应电压和闭合电路中的感应电流分别由DC上的电流浪涌和电压浪涌决定。发现连接电容器可以减少感应浪涌电压，但可能不是有效的。然后建议在配电线路的两个远端安装SPD。它们不需要耗散在下层导体中观察到的大量雷电浪涌能量。SPDs的浪涌电流可以用封闭形式的公式来估计。

关键词：

雷电感应

浪涌

低压配电线路FDTD

1.引言

电子设备在建筑中大量涌现，以满足日益增长的商业需求。这种设备对雷电产生的电干扰是不可接受的。在过去的几年里，建筑物的浪涌环境变得越来越差，尤其是在防雷系统中采用绝缘导线时。为了保护敏感设备免受雷击，必须对建筑物的浪涌环境进行评估和表征。

建筑物中的雷电浪涌可以通过（A）电感/电容耦合和（B）电阻耦合产生。电阻耦合的机理在过去的几十年[1,2]中得到了广泛的讨论。在不同的情况下，分析了在低压系统上分散的浪涌电流/电压，并得到了很好的结果（3—6）。在IEEE标准（7—9）中引入了位置类别。对建筑物中的雷电浪涌进行了表征，并对不同位置的浪涌波形和振幅进行了分析。这些浪涌通常在建筑物外的电路入口处撞击。然而，在直接雷击过程中，由于电感/电容耦合引起的浪涌的工作很少。

本文对感应浪涌电压进行了分析。

建筑物在直接雷击期间的配电系统中的电流。该建筑物受到一个防雷系统的保护，该系统在建筑物配电线路附近放置绝缘绝缘导线。本文利用时域有限差分法（FDTD）对雷电防护系统和配电线路进行了建模。然后进行模拟研究配电线路中的感应浪涌。在研究中考虑了不同的CIR参数，如间距和距离，并揭示了它们对诱导浪涌的影响。研究了负载对电路的影响。提出了一种抑制分布式系统中感应浪涌的保护措施。这是提交给ICLP2014的论文的扩展版本[12]。

2.仿真模型

现代建筑采用绝缘绝缘导线（IDC）。它们安装在电气管道中，并与配电线路并联运行。当建筑物被闪电击中时，向下导体中的闪电电流发射电磁波，并向下传播到地面。雷电电磁脉冲会在相邻的导体中引起浪涌电压和电流，例如配电电缆。这些导体长度为零，垂直于地面运行。在这种情况下，传统的传输线理论不适用于浪涌分析。然后将FDTD方法应用于研究这些导体中的感应浪涌电压和电流。建筑物中的配电线路由单芯电缆构成。这些电缆从配电变压器垂直地流向不同的用户设备。注意，变压器通常被建模为快速瞬态分析中的入口电容。为了简化讨论，在参考坐标中去除入口电容，如图1所示。

图1。下导体与相邻分布电路的协调

图1示出了正在研究的Simuli ED系统的康涅狄格函数。它由一个单独的下导体和两个位于地上的单芯电缆组成。对于最坏情况分析，不考虑来自其他DCS中的电流的贡献。下导体由半径为5毫米的90米高圆柱体表示。它通过一个100欧姆集总电阻连接到一个完美的接地，并在另一端连接到一个电流源。向上的导体放置在上端以模拟光固化通道。两个分布电缆由圆柱体建模，高度（L0）为30米，半径（R0）为5毫米。下导体与两个导体的距离分别为R1和R2。在参考情况下，R1和R2分别等于0.5米和0.7米。配电线路的底端距地面60米。在下导体的顶端注入雷击回击电流。

仿真模型的工作容积为

4 m 4 m 92.1 m，它被六层完全匹配层（PML）包围，其中吸收边界条件被强制执行。模型中有七层吸收面，使得平面上的再入射波可以有效地最小化（10）。假定向上的导体运行到y，并且在上行通道中没有重新发生的浪涌传播到下导体。PML吸收边界条件，然后应用在高度92.1米的仿真模型。工作容积分为长方体细胞。长方体细胞在Z方向上的长度为5 mm，在边界附近逐渐增大至500 mm。在X和Y方向上的侧长度在导体附近为0.5毫米，并逐渐增加到500毫米。时间步长由Curand条件决定，图1示出了正在研究的Simuli ED系统的康涅狄格函数。它由一个单独的下导体和两个位于地上的单芯电缆组成。对于最坏情况分析，不考虑来自其他DCS中的电流的贡献。下导体由半径为5毫米的90米高圆柱体表示。它通过一个100欧姆集总电阻连接到一个完美的接地，并在另一端连接到一个电流源。向上的导体放置在上端以模拟光固化通道。两个分布电缆由圆柱体建模，高度（L0）为30米，半径（R0）为5毫米。下导体与两个导体的距离分别为R1和R2。在参考情况下，R1和R2分别等于0.5米和0.7米。配电线路的底端距地面60米。在下导体的顶端注入雷击回击电流。

仿真模型的工作容积为

4 m 4 m 92.1 m，它被六层完全匹配层（PML）包围，其中吸收边界条件被强制执行。模型中有七层吸收面，使得平面上的再入射波可以有效地最小化（10）。假定向上的导体运行到y，并且在上行通道中没有重新发生的浪涌传播到下导体。PML吸收边界条件，然后应用在高度92.1米的仿真模型。工作容积分为长方体细胞。长方体细胞在Z方向上的长度为5 mm，在边界附近逐渐增大至500 mm。在X和Y方向上的侧长度在导体附近为0.5毫米，并逐渐增加到500毫米。时间步长由Curand条件决定，C是光的速度，x，y，z是米中最小单元的边长。

图2。沿不同高度下导体的浪涌电流（IIDC）。

3.开路引起的浪涌

在模拟中应用了随后的回程电流来研究分配电路中的感应浪涌。电流源为快速前沿脉冲，上升时间为0.3 s，振幅为10 kA。图2示出了在下导体的不同位置处的浪涌电流（IIDC）的波形。由于在地面上的浪涌重击，在下导体的较低位置处的浪涌电流通常较高。振荡频率由IDC上两次往返行程的时间决定。由于注入浪涌的波前对感应浪涌有很大的影响，本文给出了2mu;s激波的时域结果。

在没有任何CONN的配电线路中的感应电压

模拟了载荷。为了比较，在模拟中应用了10 kA源电流，其上升时间分别为0.2 s、0.3 s和1 s。结果在图3中给出。观察到，当浪涌向下传播时，感应电压增加。当重新发生的浪涌传播回来时，感应电压趋于下降，并继续振荡到IDC上的浪涌电压。当IIDC的上升时间从0.2 s变化到0.3℃时，感应浪涌电压变化不明显，但在1上升时间的情况下，感应浪涌电压显著降低。这是因为在浪涌电流达到峰值之前，重新发生的浪涌回到观测点，如图3所示。

图3。在分配电路的底端感应电压。

还进行了计算机模拟来研究距离对分配电路的影响。当电路的两个相导体之间产生浪涌电压时，两个相导体R1和R2对IDC的影响是令人担忧的。然后通过改变距离R1和R2来评估分配电路中的峰值电压。

用距离R1和R2的不同值计算分布CIR端部的感应电压。表1和2分别示出了当间隔d（d＝R1～r2）为200 mm时的电压峰值，并且距离R1为0.5 m。注意到电压的峰值随着相导体距离的增加而减小，但随着导体间距的增加而增大。进一步的研究表明，在两种情况下，浪涌幅值与阳离子结果成线性关系，即，（1）具有可变R1，和（2）具有可变D。

4.短路引起的浪涌

4.1两端闭合回路中的激波

在这种情况下，分配电路在两端都短路，其模拟两端的短路或SPD与电路的连接。由于短路，两个远端有明显的零浪涌电压。然而，感应电流沿着两端之间的分配电路观察到。

图4示出当在下导体的顶端注入雷电电流时，在分配电路两端的感应电流波形。众所周知，在顶端的感应电流具有与源电流相似的波形。它达到大约475 A，大约0.3mu;s。到底是什么，在底端的浪涌电流有一个波形和峰值不同于那些在顶端上的电流，尽管它们在相同的闭环中。这种差异主要是由地面上的IDC电流的浪涌重新引起的。

为了比较，使用低频近似的感应电流也被评估。在低频下，只考虑由下导体上的电流引起的磁耦合。假定配电线路是由每一个导电导体组成，电源电流沿IDC保持不变。根据法拉第定律，在两个闭合导体上，感应电流ICAB1和ICAB2平衡了源电流引起的磁场强度，

其中x环代表闭环x的磁u，与导体x中的电流成正比。

将（3）代入（2）产生感应电流和IDC电流的方程。注意，IDC电流随IDC上的位置而变化。在分布电路上Z位置上的平均感应电流IAVR近似由下（4）

诱导电流ICAB1和ICAB2在（4）中一般是不同的。然而，它们往往在两个末端是相同的。

给出了FDTD法和低频近似公式的计算结果。4和5。图4示出了分配电路的两个远端的浪涌电流。可以看出，电流波形匹配得很好，浪涌电流的差值一般小于5%。图5示出分布电路中部（高于地面75米）处的浪涌电流。结果表明，用FDTD方法计算的ICAB1和ICAB2均不同，与（4）的估计结果不同。然而，如图5所示，平均电流的波形与低频近似结果匹配得很好。FDTD与中间点平均电流的估计结果的幅度差小于9%。

4.2 在一个开口和一个闭合端的电路中引入激波。

图6示出当端部闭合且底端开口时，沿分配电路的感应电压。结果发现，尽管在端部短路，但感应电压不等于零。振荡电压幅值向着开口端逐渐增大，在开口端达到最大值。感应电压峰值可达170 kV。当浪涌在IDC上向下传播时，配电电路中的感应伏特最初保持为零。这是由于电路中的IDC电流和感应电流之间的相互作用。当感应浪涌到达底端时，在那里观察到相当大的电压。这是因为在分配电路中感应的浪涌电流不能在底端进一步流动，并且在这个位置上浪涌电压的完全重新产生。感应浪涌电流然后返回到闭合端，并沿着电路产生浪涌电压。

浪涌电流沿电路继续传播，并在顶部（短路）和底端（开路）有随后的重新检测。这导致电路中浪涌电压的振荡波形。振荡频率由两次往返行程的时间来确定。这是因为具有一个开口端和一个闭合端的电路中的浪涌电流改变了它的极性在一个往返行程的时间段内。在其他位置的感应电压与开口端的电压相同。如图6所示，在其他位置感应电压的幅度一般较低。

类似于感应电流在闭环中，感应伏特年龄在开放端估计使用磁耦合公式。由低频磁耦合引起的感应电压VND由

其中L0是分配电路的长度。图7示出了在（5）在DIS-支路电路的底端计算的感应电压。发现感应电压随（5）与FDTD方法所得的结果完全不同。低频结果与IDC电流的导数成正比，并且随着电流导数变小而迅速衰减。FDTD结果是一个振荡浪涌。振幅逐渐增加到峰值，然后衰减到零。这是因为在开口端的电耦合是明显的，但在低频近似中没有考虑（6）。

1. 加载电路中的感应浪涌

在建筑物中使用的大多数设备都有一个输入电路（例如，EMI）。即使在待机模式下，它也与电源电路连接。输入电路一般有一个电容器，它可以压在连接的分配电路上引起的浪涌。在这一部分中，研究了输入电容对分配电路中感应浪涌的影响。

在模拟中，分配电路在底部负载电容器，并且在顶端上打开或关闭。在电路中放置的电容器是一个“X”电容器，通常用于开关电源的江见滤波器中。在仿真中考虑了两种不同的电容器模型。

模型A为0.22mu;m的纯电容，为R＝0.122欧姆，L＝0.38°H，C＝0.22mu;F的串联RLC电路。

第二模型考虑电容器的频率响应。

图8（a）示出当顶端打开时，使用这两种不同模型的电容器的浪涌电压波形。结果表明，模型A电容器的峰值电压达到300 V。与图2的结果相比，纯电容能够抑制感应浪涌电压的显著性。感应电压受注入浪涌电流上升时间或变化率的影响较大。当B型电容器连接到直流电路时，感应浪涌电压增加到几千伏。这是由电容器杂散电感引起的，电容在实际元件中是物理存在的。感应浪涌电压的振荡是由IDC上的浪涌电流的多次重新确定所决定的。

图8（b）示出电容器上的浪涌电流波形。当电路最终表现为开路时，电容器上的感应电流迅速衰减到零。同时发现两种模型下的浪涌电流很好地匹配。这表明，当负载阻抗变化较小时，浪涌电流不会发生明显变化。

图9示出了当分配电路在顶端短路时浪涌电压和浪涌电流的波形。在这种情况下，分配电路加载一个模型A电容器。研究发现，浪涌电流与早期短路的情况非常相似，并由IDC电流决定。这是因为电容器在高频下表现为短路。感应电压和电流最终都具有慢振荡波形，如图9所示。实际上，谐振电路是由底端电容和分布电感的等效电感形成的。值得注意的是，电容器电压在峰值达到6.5千伏，远高于顶部开口时的电压。它可能会损坏电容器或连接的负载。然而，当配电线路两端开放时，这个伏特比感应电压低得多。

图8。负载电路上的浪涌电压和电流，顶部有一个开口端 图9。浪涌电压和电流在负载电路上有一个封闭的顶端。

1. 用SPD保护诱导浪涌

电涌保护器（SPD）是抑制配电线路中雷电浪涌传播的有效手段。在高层建筑中，雷电浪涌可能会撞击到服务入口，或者是由下导体引起的。在后一种情况下，浪涌将从分布电路的顶端向下传播。为了抑制感应雷电浪涌，有必要在顶部安装一个S

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