雷电防护系统风险综述评估和应用程序外文翻译资料

A Review of Lightning Protection System - Risk

Assessment and Application

Hui Hwang Goh*¹, Sy yi Sim², Jamil Shaari³, Noor Atiqah Azali⁴, Chin Wan Ling⁵, Qing Shi Chua⁶, Kai Chen Goh⁷

^1,3,4,5,6Department of Electrical Engineering, Faculty of Electrical and Electronic Engineering, Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, 86400 Parit Raja, Batu Pahat, Johor, Malaysia.

²Department of Electrical Engineering Technology, Faculty of Engineering Technology, Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, 86400 Parit Raja, Batu Pahat, Johor, Malaysia.

⁷Department of Construction Management, Faculty of Technology Management and Business, Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, 86400 Parit Raja, Batu Pahat, Johor, Malaysia *Corresponding author, e-mail: hhgoh@uthm.edu.my

Abstract

A lightning strike could bring thousands mega-ampere of current in a blink of eyes. As a result, a failure of grounding the strike may cause serious damage to the home and industrial appliances and gadgets. Hence, a lightning protection system is essential to the current transmission system. Lighting is a natural phenomenon that is unavoidable. Hence, the study of the properties and characteristics of lightning is a must in designing lighting protection system. Every application has different criteria to be fulfilled. The type of lighting protection system is categorized based on the location and user. The different of location is a public area, transportation system, power system transmission and generation system which include renewable energy source. Each area can conclude different level of protection. This paper is assessing the possibility and probability of transient impact on all applications including, public area, power system line, and generating system. The review includes countermeasure which addressed few steps to determine the effect of lightning and countermeasure of protection.

Keywords: lightning protection system, Surge protection devices

Copyright copy; 2017 Institute of Advanced Engineering and Science. All rights reserved.

1. Introduction

A deadly but beautiful natural sky phenomena are lightning. As the name implies, lightning is a sparkling flash of light that emitted due to electrical discharged that occur all around the world, whether the urban area, rural or even on space of fields. In theory, lightning is happening due to the disproportion of charges between thunderclouds to ground or clouds themselves [1]. Most lightning strikes occur between clouds and sometimes happen to be the lightning to the ground which is small possibility occur. A lightning strike could bring thousands mega-ampere of current in a blink of eyes [2]. Mostly, likely lightning targeting at the nearest point on earth to it which with high potential of positive charges. In another word means the closest point is referred to tall building, structure, electrical tower or even trees as long as they can discharge the electricity to the ground.

Globally know that human activity equipped with electrical and electronic devices whether used at home or work, which indeed are exposed highly to a lightning strike. When lightning struck, the overcurrent of lightning would create a huge transient onto the circuit line. Transient or surge is one of the major contributors for the electrical equipment to be damage, failure to operate and destruction. Therefore, it is essential to be equipped with protection system to prevail the effect of the lightning strike. To minimise damage may cause by a lightning strike, a lightning protection system (LPS) commonly is installed [3-5]. The primary function of LPS is to protect the building structure and all invaluable equipment in or on the structure. LPS act as a Faraday Cage protects defendless equipment from the threat of external electric field by diverting the electricity and its contents around the cage to the earth. Apparently, a good LPS provides lowest resistance path for a surge to flow to the ground for dispersing the transient.

Received June 9, 2017; Revised August 17, 2017; Accepted September 5, 2017

222 ^ ISSN: 2502-4752

Various characteristics have been taken into account to consider a single installation of a protective measure such the probability of occurrence, the probability of maximum current of a lightning strike and last but not least the economical aspect. The economic aspect played a significant role since it will contribute to preinstallation and post-installation of any protective measure. However, typical fuses and circuit breaker are not ample to suppress the high conductivity of transient induced by lightning. Thus, an alternative such mounting a surge protection device on a conduction link become crucial. Surge protection devices (SPD) are used to assist the whole protection system for a vulnerable threat of transient either voltage or current that comes from lightning or switching. There are many types of SPD available in the market according to the usage, functionality, and location [6]. However, the main functional aspect of SPD is to divert and protect the equipment as well as the safety of the surrounding.Various types had been researching over decades from small and economically like varistor to the bulky based intelligent systems. Many studies h

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雷电防护系统风险综述评估和应用程序

Hui Hwang Goh*1, Sy yi Sim2, Jamil Shaari3, Noor Atiqah Azali4, Chin Wan Ling5, Qing Shi Chua6, Kai Chen Goh7

马来西亚东侯赛因大学电气和电子工程学院电气工程系，马来西亚柔佛州巴图帕哈特帕里特拉贾86400号。马来西亚柔佛州巴都帕哈德帕利特拉贾86400号敦侯赛因大学工程技术学院电子工程技术系。马来西亚东侯赛因大学技术管理与商业学院建设管理系，马来西亚柔佛州巴杜帕哈特，帕利特拉贾，86400 *通讯作者，电子邮件:hhgoh@uthm.edu.my

摘要

一次雷击可以在眨眼间带来数千百万安培的电流。因此，罢工不停歇可能对家庭和工业用电器和小器具造成严重损害。因此，防雷系统对电流传输系统至关重要。照明是一种不可避免的自然现象。因此，研究雷电特性是设计防雷系统时必须考虑的问题。每个应用程序都有不同的标准需要满足。照明保护系统的类型是根据位置和用户进行分类的。不同的区位是包括可再生能源在内的公共区域、交通系统、电力系统传输和发电系统。每个地区可以得出不同程度的保护。本文评估了瞬态冲击对所有应用的可能性和概率，包括公共区域、电力系统线路和发电系统。综述了确定雷击效果的几个步骤和防护措施。

关键词:防雷系统，浪涌保护装置

版权所有copy;2017先进工程与科学研究院保留所有权利。

1. 介绍

致命而美丽的自然天空现象是闪电。正如闪电的名字所暗示的，闪电是一种闪烁的闪光，它是由于世界各地发生的放电而发出的光，无论是在城市地区，农村，甚至是在田野上。从理论上讲，闪电的发生是由于雷云与地面或云本身的电荷比例失调造成的。大多数雷击发生在云层之间，有时恰好是闪电击中地面，这种可能性很小。一次雷击可以在眨眼间带来数千百万安培的电流。大多数情况下，极有可能是闪电击中了地球上离它最近的一个点，这个点具有很高的正电荷电位。换句话说，最近的点指的是高楼大厦、构筑物、电塔甚至树木，只要它们能把电放电到地面。

全球都知道，人类活动装备了电子和电子设备，无论是在家里还是在工作中使用，这些设备确实高度暴露在雷击之下。当闪电击中时，闪电的过电流会在线路上产生巨大的瞬态。瞬态或电涌是电气设备损坏、故障和破坏的主要原因之一。因此，要想取得雷击的效果，必须配备防护系统。为尽量减少雷击可能造成的损害，一般会安装防雷系统(LPS)[3-5]。LPS的主要功能是保护建筑结构和所有在结构内或结构上的宝贵设备。LPS作为一个法拉第笼，通过将笼内的电流及其周围的内容物引到地面上，保护无止尽的设备免受外部电场的威胁。显然，一个好的LPS提供了最低的阻力路径，使浪涌流向地面，以分散瞬态。

为了考虑单个防护措施的安装，考虑了各种特性，如发生概率、雷击的最大电流概率以及最后但并非最不重要的经济方面。经济方面发挥了重要作用，因为它将有助于安装前和安装后的任何保护措施。然而，典型的熔断器和断路器不足以抑制雷电引起的瞬态高电导率。因此，在传导链路上安装这种电涌保护装置是至关重要的。电涌保护装置(SPD)用于辅助整个保护系统，以应对来自闪电或开关的瞬态电压或电流的脆弱威胁。根据用途、功能和位置[6]，市场上有许多类型的SPD。然而，SPD的主要功能是转移和保护设备以及周围环境的安全。几十年来，各种类型的智能系统一直在进行研究，从小型的、经济的压敏电阻到大型的基于智能系统。为了寻找一种合适的方法来减小雷击引起的浪涌效应，人们进行了许多研究。最近，研究人员采用了一种新的技术，通过在SPD[7]中应用火花隙系统，将瞬态效应降到最低。

因此，为了进一步了解电涌保护器在防雷情况下的作用，本文综述了市面上所有的电涌保护器，分析了每种电涌保护器的特点。本研究也正在研究适用于每一个发电与配电系统的电气连接中应用的适当的保护方法。

1. 雷电保护系统

目前，如IEC 62305所述，防雷系统(LPS)被认为是每一个安装结构的义务，以保护结构本身及其内容[3]。它包括设备和大楼内人员的安全。如前所述，安装LPS时必须注意各个方面，包括安全性、LPS的体系结构和安装成本。雷击是不可预测的，对有限合伙人的经济影响起着举足轻重的作用。与世界范围内的闪电总数相比，闪电对地面发生的概率接近5%。本文根据该地区的地理位置和应用情况对其进行了分类。分类区域包括公共区域、交通系统、电力系统传输和发电系统，其中包括可再生能源。

• 1. 公共区域

在现代，大多数新设计建筑物的防雷与电子设备、电器和设备有关，如闭路电视(CCTV)、计算机网络等。因为电子设备很容易受到雷击和冲击。对于具有良好电子系统的建筑物，除了安装避雷器将直接冲程引至地面外，还必须嵌入防雷措施。照明对策包括瞬态分流与平衡、屏蔽与接地。正常情况下，电涌保护装置(SPD)是通过在短时间内分流过流，防止电子设备电涌损坏，来辅助整个系统的保护。在成长初期，电子设备配备了现代化的结构。M. Abdel-Salam等人提出了一种金属氧化物压敏电阻作为防雷系统(LPS)[5]的一部分。在不同电压水平下，对串联布置的仿真模型进行了测试。结果表明，负载电平电压不会超过最大安全值。

在2008年，我们建立了一个模型来模拟建筑物[8]中电子设备的浪涌效应。设备的等效电路由正常的电阻负载、电感负载、电容负载和它们的组合组成。尽管如此，电路的拓扑结构仍然是通过级联所有的负载，但是在电路之间放置了一个SPD来将瞬态信号引导到地面。结果表明，对于不同类型的总设备在建筑中使用，需要不同等级的保护系统。结果表明，建筑物中安装的电缆类型对浪涌振荡的产生也起着关键作用。Shin等人通过改变SPD[9]的配位来研究电涌的影响。试验采用不同电压和SPD的布置方式进行。实验结果表明，安装距离对电涌的变化有不同的响应。在较短的距离内，在微秒的时间内，SPD不能反应，因为它应该为小的电流波动设定时间。然而，SPD在较长距离的协同作用是有效的。

2014年，H. Li等人引入spark gap技术SPD构建[10]。采用这种方法的原因是建筑物中敏感电子设备和电器的增加。市场上已有火花隙技术，但其应用仅限于要求比普通建筑更高电压水平的电力系统线路。实验结果表明，放电间隙SPD的协调配合不仅是减小电涌瞬态损伤的重要原因，而且还具有较强的抗干扰能力。

而T. Kisielewicz等人对建筑保护的方法则有所不同[11]。研究人员将SPD安装在低压(LV)架空线路上，试图在进入建筑物前抑制浪涌。模型建立时考虑了架空线路均为串联荷载，但阻力权重不同。仿真结果表明，I型SPD必须安装在需要保护的设备附近。距离如此之近，只有几厘米。同样的一组研究人员继续研究[12]，但现在用间接闪光对雷击进行研究。在建立的模型中，他们考虑了各种水平的间接浪涌。仿真验证了瞬态电涌的形态与直接冲击电涌相似，但间接冲击电涌更依赖于地面，无论是土壤阻力还是接地方式。表1总结了以前的专家所做的研究。从已有的研究来看，典型的建筑物荷载布置是串联的，具有不同的阻力权重。建筑防护用SPD的选型对设备的安全起着至关重要的作用。对于电力系统的高压或低压输电线路，SPD的安装是一种常见的做法，达到IEEE或IEC规定的标准。A. Pinto等人研究了[13]输电线路浪涌保护系统的特性。

研究人员还考虑了并联电阻和电感形成的负载，建立了SPD布置模型。SPD的连接采用IEEE标准模型，SPD与电容并联在负载之间，电容表示线路与地面之间的电介质。连接配置如图1所示。该装置的标称电压为462kV。输电线路上安装的SPD类型为MOV，采用氧化锌材料

M. Araujo等人建立了覆盖配电线路[14]近9km的MOV避雷器保护系统仿真模型。该模型于1999年由Pinceti和Giannettoni提出。因为他们称赞突出显示的模型是动态的，并且满足了他们预先分配的标准。如图2所示，通过将配电线路划分为8段，并连接3个避雷器模型。选择了典型的MOV ZnO进行安装。试验采用不同的电压水平来确定雷电对浪涌的抑制作用。甚至五组显示出更好的保护能力，他们说，三组避雷器足以应付这个长度。最后从经济学的角度进行了分析。

• 1. 电力系统传输

2016年，C. Weijang等人提出了可控超高压避雷器[15]。该超高压可控避雷器已在与常规MOV避雷器类似的额定828kV的现场进行了试验。可控超高压避雷器与固定避雷器串联布置。如图3所示，可控特高压避雷器用MOV2表示，mo2连接在固定避雷器下方，MOV1额定电压为124.2kV，占避雷器总额定电压的15%。可控特高压避雷器与控制单元并联。为了确定配电线路[14]上的空气开关是否发生短路，一组研究人员与能源供应商合作进行了实验。即使从结果来看，在打开的位置，空气开关可能会引起火花，可能导致短路故障取决于间隙。但为了防雷，空气开关处的避雷器不能拆装。

在马来西亚进行了一项详细的研究，分析了避雷器对500kV输电线路的适用性。因为，对于高电压水平，双路跳闸是不允许的。因此，I. Rawi等人[16]得出结论，避雷器的安装是必须的，要提高接地电阻，以避免任何不必要的雷击意外事件的发生。I. Rawi等再次对供电商进行了实验，测试了132kV架空线路[17]上的无间隙避雷器性能。无栅式避雷器是由明显与相导体相连接的块组成。它是用同样的材料，氧化锌、氧化锌、块体可以抑制暂态电压。经过一年的观察，无间隙式避雷器与间隙式避雷器的接地面积相当。然而，即使在多次安装SPD后，输电线路仍然暴露在故障中，这称为屏蔽故障。高压输电线路发生跳闸的一个典型原因是线路中存在的瞬态现象引起了直击雷击。从本质上讲，它可以分为两类:背闪和屏蔽故障。然而，自反闪建模研究接近饱和点以来，屏蔽失效问题越来越受到关注。

自1960年以来，采用电几何模型对输电线路屏蔽失效效应进行了建模。直到现在，该模型已经经历了很多修改，甚至将旧模型与leader progress model (LPM)结合起来。由于LPM的结构模型几乎等同于闪电的物理过程，因此LPM被边缘化。但是，由于屏蔽故障的精确求解仍然充满不确定性。以往大量的研究都提出了领导者演进模型的各种初始特征。2009年C. Christodoulou等人提出了一种概率方法来评估SPD在输电线路上的故障率。该概率是通过考虑计算以前的故障发生。结果表明，典型估计与概率计算有显著性差异。该方法还在实际的现场传输线上进行了测试，选定了测量区域。

过电压是变电站和配电线路故障的主要原因。为了了解感应过电压的特性及其产生的侵入性，以往的许多研究对模拟和实验都进行了研究。Z. Wang等人通过制造人工火箭触发雷击来实验诱发过电压，即使实验也经历了一些小的误差，但仍可以将数据简化到数值方法计算范围内。而X. Zhang等人在[20]实验中，对闪电过雷击引起的瞬态和电场分布进行了可视化。在超高压直流换流站上进行了实验研究。在800kV直流输电线路上进行了多点瞬态试验，结果表明，雷击点距变电站的距离影响了瞬态和电场分布特性。因此，电力系统线路上SPD的建设和选型必须遵循IEC或IEEE等国际标准的规定。但即使如此，在选择和安装时也必须考虑雷电发生的概率。妥协的一个最重要的方面是当不可预期的情况下，如SPD故障，导致屏蔽故障的对策保护。以往的研究表明，输电线路的主要风险是屏蔽故障，造成一次以上的跳闸，将造成重大的经济灾难。

表2列出了以往的研究记录和数据，无论是在模拟或实验中进行的。在模型安排上，主要采用IEEE标准和Pinceti和Giannettoni提出的动态模型。这两种模型都有各自的优点，但是安装的首选仍然取决于全世界应用的标准测量。

• 1. 一代系统

当前，可再生能源的发展迅速，已成为某一地区的主要能源之一。风力发电作为一种可再生能源也在稳步发展，吸引了众多研究者对其进行了深入的研究。在中国，风力涡轮机也吸引了闪电等自然现象，因为它的结构很高，由低电阻和导电材料建造而成。

因此，风力发电机的防雷保护问题近年来引起了专家们的广泛研究，成为轰动一时的新闻。风力涡轮机的建设涉及广阔的平原或公海。风力涡轮机似乎是唯一一个70米高的结构，相比之下，另一个相对较小的东西。日本某风力涡轮机的观测表明，闪电不仅在向下流动，云也以相反的方式落到地面，地面到云[21]。实验表明，某一地区的污染程度也对可能发生的雷击有一定的影响。这一观点得到了少数研究者的支持，他们认为与短结构[22]相比，突出高层建筑或结构更能吸引闪电的注意。H. Wu等分析了[23]闪电直接击穿时瞬态的影响。利用现有数据，进行了仿真计算。结果表明，海上风力发电机组必须选用接地电阻率高、接地施工方便的接地方式。

后来，T. Zhang等人引入了一种安装在风力涡轮机上的SPD，以减少直接雷击造成的破坏。提出的方法是将SPD与信号线连接成风塔结构。在模型构建上进行了仿真实验，结果表明，安装了SPD后，信号线的信号质量得到了提高。过电压对信号线的影响远小于未安装SPD。图4所示为SPD连接信号线的塔模型。因此，N. Malcolm等人提出了一种用于风力涡轮机结构[27]的无栅金属氧化物压敏电阻(MOV)。考虑了恶劣的环境和非线性特性。通过仿真，分析了安装在涡轮上的SPD与安装在结构附近的SPD相比，最大程度地减小了直接雷击的影响。如图5所示，该模型已经

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