脈沖電流與工頻電流短路分流研究

李洪陽，孫涌

（北京市雷閃防雷設施檢測服務中心，北京，102299）

關鍵字：脈沖；工頻；分流；趨膚效應

0 引言

在生活當中我們接觸到最多的是工頻電流，也總會把工頻電流和脈沖電流相混淆。以工頻電氣的連接方式設計脈沖回路，這會在工程建設和儀器設備上產生很大的隱患。國內學者對于雷電脈沖已經做了大量的研究。朱澤偉[1]通過對雷擊分流接地系統地電位特性試驗及仿真分析，模擬了雷擊時的地電位抬高問題。提出了減小地電位抬高的建議。楊琪[2]運用軟件和阻抗模型計算了發/變電站站外的短路避雷線的分流系數，總結電站接地電阻，桿塔接地電阻和避雷線型號均會對站外短路分流系數產生影響，表明了簡易公式計算分流系數并不準確。需要考慮多方面因素。江濤[3]研究了導體表面雷電脈沖電流分布研究。研究了其雷電流在金屬表面上的電流密度。以上作者均通過仿真與計算測出雷電的分流與分布情況，具體的沒有運用到具體的實踐當中，本文通過8/20μs 波形發生器。多個線圈采集的方式，測出雷電流的路徑與支路的分流大小和工頻電流對比觀察分析。在由三條線路或更多線路并聯的情況下，工頻與脈沖電流輸入和輸出端連接在正中和較正中間的位置中能更平均的起到分流的作用。

1 實驗設計

選取同等尺寸的材質長方形銅排。單個銅排使用LCR數字電橋在頻率50Hz下測量結果，電阻為2.6×10-4Ω、電感為0.161μH。在頻率10KHz下，電阻為3.6×10-4Ω，電感為0.184μH。等電位銅排連接方式如圖所示。實驗用四個0.001V/A 靈敏度的羅氏線圈[4]分別套在線路A.B.C.D 路上。接線方式按圖2 結點分別是1-5、2-6、1-8，本文使用工頻調壓器產生50Hz 電流和8/20μs 波形發生器10kHz電流作為電流源，利用TEK DPO 3034 示波器4 通道同時采集單次工頻電流,與單次脈沖波形的幅值進行分析。測試原理如圖1 所示。

圖1 測試原理圖

2 頻率電流下相同接線方式的通道電流值

2.1 工頻短路分流分析

采用工頻調壓器作為輸出源，調壓器的輸入和輸出端分別以1-5、2-6、1-8三種典型接線方式接在等電位排上，如下圖2 所示。調節輸出電流各通道的占比數據由表1 所示。

表1 工頻下各通道不同接線方式的電流分流數據

（1）由圖3 可知1-5 連接方式在工頻下通道A 的電流最大，其他路電流依次遞減。表明只要連接在輸出端和輸入端的回路上，線路都會獲得小部分分流。

（2）由圖二可知依舊是上下兩端的通道電流最大。電流會在2 點左右處分流，通道C,D 之和與A 通道相差不大。

（3）由圖5 可知1-8 的連接方式，電流在等距的兩個通道流過的電路一致。相比于其他方式接法電流流過每條線路相對于平均。

圖4 2-6 工頻接線方式通道占比

圖5 1-8 工頻接線方式通道占比

2.2 8/20 波形下不同接線方式脈沖分路電流分析

圖6 1-5 脈沖接線方式通道占比

圖8 1-8 脈沖接線方式通道占比

為防止脈沖沖擊源端的電磁輻射影響，實驗回路加裝屏蔽箱。沖擊端與接地端引出測試線，按2.1 接線方式依次接到等電位排兩端。沖擊電流設置短路7kA。測試并記錄幅值。

表2 脈沖下電流分流數據

（1）通過圖10,可看出2-6 接線方式在工頻電流與脈沖電流下，在分流上較其他方式相對更平均。

（2）通過圖9-11 比較，表明工頻電流與脈沖電流，在分流的整體趨勢上表現相一致。

圖9～圖11 工頻與脈沖電流不同通道的分流對比

（3）由圖10.11 比較工頻電流與脈沖電流在占比上會略有不同，主要回路表現在B.C 兩條中心通道不同頻率電流對線路趨膚效應引起的。

3 交叉式接法的脈沖路徑與分流節點論述

為了進一步研究脈沖電流在電路中的路徑問題，分兩次試驗通過節點分流法來觀測。1 點為脈沖電流的輸入點，電流在1 點處向兩側分流，在兩條必經的路徑上分別套上線圈測量數值記錄。當脈沖電流流經2 點和6 點時依舊會在這兩點分別分流，不考慮通道B 和C，在另外兩條路徑上測試。結果如圖12 所示。試驗2 如圖13 所示。

（1）圖12 中線圈1 到線圈2 的減小量與表二8/20 脈沖1-8 連接方式測得的通道B 數值基本吻合。

（2）由圖12 得知電流在線圈1 與線圈2 的中點處分流，上主路電流通過線2 高電位向下低電位分流。其結果為上主路減少量等于下主路增加量。

圖12、圖13 首尾脈沖電流觀測

（3）圖13 可知在線圈2處測得電流減小，線圈4 處電流依舊增加，可已知電流的流向為自1 點處分流，2 點3 點再次分流。

4 趨膚效應

當線路中為直流電流時，電流在導線內均勻分布。但當線路中的電流為特定電流時，由于電磁感應使導體橫截面上電流分布不均勻。隨著電流頻率的提高，電流分布會越來越向導線表面集中。當達到一定高頻時，電流中的較大部分電流都集中在導體的表面上，載流導線有效橫截面積減小，導線的電阻增加，趨膚效應越加明顯[5-8]。由圖10，11 可知是一個很典型的趨膚效應問題。1-8 接線方式的連接在工頻與脈沖上都表現為A,D 兩通道的分流電流值占比最大，但在總體的占比數值當中的表現脈沖電流的通道占比更大，符合趨膚效應原理。2-6 接線方式通道B 在占比數值上有明顯差異，體現為整體更平均。受頻率的變化更明顯。

由于趨膚效應，交變電流沿導線表面開始能達到的徑向深度[9]，計算公式為

Δ——穿透深度（m）

ω——角頻率，ω=2πf（rad/s）

μ——磁導率（H/m）

γ——電導率（S/m）

由公式計算可知工頻電流50Hz 穿透銅排的深度約為9mm，銅排的橫截面積均已占滿。脈沖電流10kHz下穿透銅排的深度約為0.6mm，按圖14實驗示意圖銅排規格計算通道載流面積，占銅排橫截面積的82%，剩余的中心由于趨膚效應的影響無電流通過。在不考慮電動力的作用下可選取同等橫截面積更薄規格的銅箔或銅管銅作為導線。

5 結論

通過趨膚效應穿透深度計算公式計算不同頻率下的穿透深度可得出最佳導體橫截面。其次，由節點法分析，兩種頻率的電流線路中分流的整體趨勢是一致的。脈沖電流會由高電位會向低電位分少部分電流，根據交錯式接法驗證中間兩個通道所分得的電流會相對的較少這是由于高頻電流的趨膚效應導致的。最后，在由三條線路或更多線路并聯的情況下，工頻與脈沖電流輸入和輸出端連接在正中和較正中間的位置中能更平均的起到分流的作用。