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10/350µs波形的争论

事实中探求真理

The 10/350µs  waveform controversy

Seeking the Truth from Facts

关于对10/350µs波形的争论事实中探求真理

By Bruce Glushakow

作者:葛豪龙

在“第二届中国防雷论坛”的发言内容

主办单位:中国气象局

地点:北京国际展览中心一号楼层会议厅

时间: 2003 1114

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IEEE IEC
世界领先的两大电气标准制定机构

 

      国际上有两大主要的电气标准制定机构, IEC 成立于1906年,由52个正式的国家委员会组成,包括中国国家委员会;IEEE成立于1884年,有150多个国家参加,有350,000多的会员。这两个委员会都是由工程师和科学家们组成。通常情况下,他们对主要的技术问题观点是一致的。

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SPD 测试波形

 

      但在过去的8年中,在测试SPD的效能,在模拟直击雷放电的最佳方法上,这两个委员会产生了争议。 IEC 61643-110/350 µs波形定义为等级一(Class 1) 电涌防护器的测试波形,而IEEE C62.458/20 µs波形定义为测试波形。

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雷电:
最强大的自然力量之一

 

      大家一致同意的是雷击是自然界最强大的力量之一。参看展示片4

雷击的平均长度是10公里,速度是子弹的几千倍,温度可达30,000C,比太阳的表面温度高5倍。有记录的最大的雷击电流为952kA。 地球上每分钟都有数以千计的雷击发生。

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放电比较
8/20 
10/350

 

两种波形的不同点:

10/350µs 波形的赞同者们指出:任何给出的峰值电流,采用 10/350µs 波形,其释放的电荷总量(以安培计算)是采用 8/20µs波形放电量的25倍。10/350µs 波形的赞同者们认为 10/350µs波形最适合用于模拟直击雷的参数。 8/20µs 波形的赞同者们认为,经过 50多年的测试,8/20µs 波形已自我证明了是雷击的良好代表,因为使用 8/20µs 波形进行测试的电涌防护器显示了极高的成功率。

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10/350 定义

 

10/350µs波形是 8年前被采用的。在此我们将介绍一下这一争议的客观历史情况,期望能对这一问题有更进一步的了解,本着实事求是的原则,这也是伟大领袖邓小平留给了我们珍贵的遗产。

10/350µs波形描述了一个脉冲能量的两个参数,“ 10”表示 波形上升到峰值的90%所需要的时间(微秒);“350”表示波形下降到半峰值(50%)所需要的时间(微秒)。

10/350µs波形的争议围绕在“350µs—波形的尾部长度。 问题是: 它是否体现了实际雷击的尾部长度。

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10/1300 波形更长

 

10/350µs----->

10/1300µs---->

 

 

      对电涌防护器的测试曾用过许多不同的波形。在此我们将会对其中的几个进行回顾。10/350µs波形不是所使用过的最长的波形,曾经有过使用1300微秒作为电涌防护器测试的纪录。 德国的VDE0160标准引用了该波形,IEC TC 77也曾考虑在1991年采用 ,但在1991年的第九届苏黎世国际电磁兼容学术报告会上,国家标准及技术局(NIST)提出的研究及实验报告说服了TC77放弃了采用此波形。

 

10/1000µs

1985Odenberg先生及Braskich先生撰写的一篇论文报告:他们所记录的250,000个记录中,90% 的记录显示了电涌持续时间的50%900微秒到1000微秒之间。 这项研究引起了人们对 10/1000微秒测试波形的讨论。然而在此之前以及之后,没有人能够做出相类似的发现。 IEEE C62.41.1-2002 Odenberg先生的报告形容为是“独一无二的”。 由于这个原因,10/1000µs微秒波形从未被作为交流电源峰值电流测试波形 被强制使用。

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8/20 波形

至今,在大洲被连续使用了50

 

      8/20微秒波形是在1980年被IEEE指定为“标准电涌测试波形”的。 参看展示片8截止到那时,该波形已有20多年的成功测试历史。至今,此波形已被5大洲连续应用了50多年。 IEEE刚刚发表了共300页的三本书,名为《IEEE三部曲》,书中记录了采用 8/20微秒波形的成功方式和理由。 现在该书只有英文版, 如果您能够直接阅读英文,我将非常乐意帮助您得到该书。

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10/350 波形的来源

 

 

      特别重要的是该问题的答案: 10/350 微秒波形的来源是什么?它是从哪里起源的? IEC 61343-1附件A p.143IEC 61312-1标准的雷电测试参数的唯参照。 IEC 61312-1断言典型的雷击半峰值时间350微秒。IEC61312-1编者们的依据的是什么?他们采用10/350波形作为雷击参数的决定是建立在唯一的基础上,即CIGRE公布于Electra杂志第41期(1975)及69期(1980)的结果。 CIGRE(国际大电网委员会)在法国,是非官方国际协会。ElectraCIGRE的杂志。无论是英文或中文,上述两期版本都不易找到。但是,了解上述内容非常重要,因为它们是 10/350微秒被引用的基础。

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Electra 69 期如何描述雷击的持续时间? 

"对雷电流脉冲的尾部形状以及对雷击的持续时间都没有作新的评论或结论。"

—A.J. Eriksson

 

Electra 杂志第69 (1980)

我们先来看看 C IG R E 1980年的文章内容。 1980年出版的 Electra 杂志第 69期中有一篇文章,作者为 R.B. Anderson A.J. Eriksson,题目为:“工程应用的雷电参数” (REF 18)。本文有以下两个要点: (a) 雷击发生率及  (b)雷击头部特征。

关于脉冲的形状参数, E riksson 相信他应该将注意力主要集中在“头部特征,这在实施工程系统的预测研究中尤其重要(第85页)。” 关于雷击的持续时间或尾部的形状, E riksson 指出:对雷电流脉冲的尾部形状以及对雷击的持续时间都没有作新的评论或结论(第99页)。”也就是说:Electra 杂志第 69期,对雷击的持续时间没有任何观察数据或内容 。我们再来看看E lectra 杂志第 41

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Electra 41 期包括一篇  K. Berger 教授的文章,这就是他进行其著名的雷电测量的山脉.

 

Electra 杂志第41(1975)

 Electra 杂志第 41期中刊登了一篇位于瑞士卢干诺湖(Lake Lugano) 上的圣沙佛多尔山(Mount San Salvatore)上的一个雷电观测站的记录结果。 21 瑞士籍的作者、 K. Berger 先生,在此领域中进行了超过15年的相关研究,是该领域真正的先驱。他对雷电流脉冲形状特性的研究是第一个全面、完整的分析。他将雷电分类,定义了10个雷电测量的必要参数。几乎所有显要的发现都与他有关。本展示片为他所作的著名研究的山脉的图片。 尤其和我们的主题相关的是 Berger先生命名为“雷击持续时间” 的参数, 他将此参数定义为:“头部 2kA点与尾部电流幅度下降到它的峰值的 50% 的点之间的时间间隔。”

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90%的雷击=负极雷击
10%
的雷击=正极雷击

 

IEC 61312-1 特别注重 Berger先生提出的正极首次雷击的参数。

通常假设雷击中的 10%为正极放电而其它的 90%为负极放电。在正极放电的情况下,雷电流对大地呈正极放电,反之,则为负极放电。

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IEC 61312-1 解释为何他们选择使用Berger’s教授的正极首次雷击的

首先,假设10% 为正极而其它的90% 为负极 ,不考虑正极闪电比负极闪电低的比率,正极的雷击,只由单个长时延的首次冲击组成,它决定了雷击参数I Q W /R应考虑到的最大值。如果根据保护等级 I 的定义,雷击的覆盖率大约为 99%,概率小于10% 的正极雷击决定了峰值电流 I 、雷电放电值Q f,、短周期冲击放电值Q s及能量值W /R的最大值。余下的1% 的最大值发生在负极雷击的可能性要远小于发生在占10% 雷击概率的正极雷击上,因此,可以忽略不计。”

           IEC 61312-1 Annex A, p. 51.

 

IEC 61312-1将注意力集中在 10% 的正极放电雷击上, 原因是当时他们相信这些值要远远大于负极放电值。他们在同文中解释了他们的理论基础。

简单的归纳为, IEC 61312-1的作者们决定使用 Berger先生发现的极少出现的正极首次雷击的参数将会更“安全”。他们之所以这样做是因为他们相信正极雷击代表了最大的雷击。

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国家雷电监测中心对6千万个雷击进行研究后的结果。

 

国家雷电检测网络(N L D N )完成了

对超过6千万个雷击的测量,

这包括146万个高峰值电流到地放电。

得出的结论是“ 所有 Imax >75 kA

的放电中,高峰值负极云地放

电的数量大大多于高峰值正极云

地放电的数量。”

Cummins, K.L., K rider, E.P., and Malone, M .D .,

The U.S. Nationl Lightning Detection Network 

and Applications of Cloud-to-Ground Lightning Data by Electric Power Utilities,

-- IEEE Transactions EM-40, no. 4, Nov. 1998.

 

 

IEC技术委员会将注意力集中到了正极雷击上,这是否正确呢?

Berger先生发表了他的 21个正极雷击的研究结果的 20年后,国家雷电监测网络( NLDN)完成了对超过6千万个雷闪电的测量普查,结果显示:

所有Imax >75 kA 的放电之中,峰值负极云地放电的数量远远大于峰值正极云地放电的数量.

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Berger教授是如何看待应用他的那些正极首次雷击参数的? 

"尽管正极雷击比其对应的负极雷击有着更大的放电和较慢的头部,但它们没有足够的共有特征从而产生一个可以接受的电流形状的平均值;部分原因也许是由于在那个时期记录的正极雷击的数量少。图11中,显示了所记录到的21个波形中最为典型的4个波形。”

--BERGER

 

Berger 先生自己发表的意见是: 他发现的正极雷击数据不应被用来代表任何形式的波形,并登载在Electra 杂志第 41期的第 35页。

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IEC 61312-1应用10/350 波形, 基础建立在这4次雷击上。

Berger 教授只记录到21个正极首次雷击。 在这些雷击当中,他只发表了其中4个的波形。IEC 61312-1 将他们的雷电参数的基础建立在这4条曲线上。

 

事实上,IEC 61312-110/350波形的引用基础建立在仅仅4个雷击上。这里是一幅发表在Electra杂志上Berger的文章里的图表。

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IEC采用10/350 波形是以4个雷击为基础,甚至连作者本人都建议不应这样做,IEC的这种做法是否有足够的根据?结论将留待诸位自己去下.

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是否有其它更广泛的研究,来肯定或否定350微秒这个雷击的持续时间呢?

我要涉及的下一个问题是一个难题。这就是对以下问题的回答:“直击雷的真实持续时间是多少”。不少人在中文的刊物上发表了许多文章,陈述10/350波形代表了直接雷击。但事实是否如此?我们从对历史的回顾中了解到:它源自于一个研究结果,该结果的基础是1975年所记录到的4个雷击。之后,是否有其它更广泛的研究,来肯定或否定350微秒这个雷击的持续时间呢?

 

答案是肯定的。就这点,有一些非常著名的现代研究,以下是其中一部分的结果。

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日本方面的研究结果

 

日本一项3年的研究发现,所有记录到的雷击的平均半峰值时间为50微秒,而最长的持续时间为80-100微秒,其发生率仅为10%

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国家海洋和大气管理局的报告(NOAA)

美国国家天气服务局西部区办公室通过和土地管理局的合作协议得到了结束于1997年的为期15年的雷电数据,研究的结果表明雷击的时延在“20-50微秒”。

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在加拿大魁北克第10届国际高压工程研讨会上发表的一篇进行了7.5年的研究结果

19861993, 雷击参数(包括雷电流波形)在日本中央电力工业研究院进行的研究中有纪录,这些结果,在1997825日召开在加拿大魁北克第10届国际高压工程研讨会(ISH)上发表,包括雷电的半峰值为20µs

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国家气象服务中心美国西部15年的研究结果

然后向上向云层移动,这种重新组合产生了明亮的闪电。接近电力通道(闪电)附近的空气被急速加热,这又叫反转雷击。

       每次反转雷击的峰值电流为5300千安,时延为20-50微秒。单个雷击通常由23个反转雷击组成,但可以是120个不等。单个雷击也可以包含不沿原电离通道行走的反转雷击。在这种情况下,闪电可以表现为在原通道几百米范围内的一系列反转雷击。一般情况下,大多数的监测系统都将这种情况视为单个雷击。任何专业的气象文献均会对闪电的过程作更详尽的描述。

          每一次云到地(C G)反转雷击会同时产生一个唯一的可在大气中穿越数百英里的电磁脉冲,也就是这个电磁脉冲的特性,是监测雷击最常用的监测基础。        

 

美国国家气象服务中心的西部地区办公室通过与土地管理局的一个结束于1997年的长达15年的合作研究项目中获得了雷电的数据。研究的结果显示一个雷击的典型持续时间为20-50微秒。

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韩国电力公司使用大气研究系统公司生产的LPATS进行了一次5年的研究,结果发现所测量到的95%的雷击的半峰值时间小于22微秒。而达到半峰值的平均时间为10.82微秒。

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我想以IEEE的一项声明作为结束。某些人一直在中国宣传“IEEE将要采用10/350波形为其测试方法”。如我在前面所提及的,今年IEEE刚刚发表了三本300页的《IEEE三部曲》,三本新书包含了许多极具价值的新的技术数据。

在对雷电电涌环境模拟的测试波形及测试步骤进行了广泛而深入的调查后,IEEE 所作的结论是“IEEE Std C62.41.2-2002所建议使用的两种波形是,100 kHz 的环波及1.2/50µs-8/20µs组合波(后者包括两个波形,一个是电压另一个是电流).”

 IEEE C62.41.2TM.2002,评价了首次雷击的参数,包括在 IEC 61312文件中定义的 350微秒 “半峰值时间”,其结论是: 值得关注的是,如果将这些“要求”与根据IEEE C62标准系列来设计的电涌防护器的现场表现相比较,‘高能量’电涌的要求只基于有限的数据。

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