混合波作用下兩級低壓浪涌保護器配合規(guī)律的研究

胡 偉， 貢春艷， 鄭一鳴， 洪 麗

（1.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

輸配電技術

混合波作用下兩級低壓浪涌保護器配合規(guī)律的研究

胡 偉1， 貢春艷1， 鄭一鳴2， 洪 麗1

（1.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

在低壓配電系統(tǒng)的防雷保護中，對一些敏感設備的過電壓保護采用單級SPD通常無法達到雷電防護水平的保護要求，需采用多級SPD配合的方式，才能達到更好的保護效果。在建立兩級SPD模型的基礎上，考慮了空載、電容負載、電感負載、電阻負載4種電纜末端負載及不同電纜長度對SPD配合的影響，利用PSCAD仿真軟件研究了20kV/10 kA混合波形作用下兩級低壓SPD的配合規(guī)律。仿真結果表明，在兩級SPD保護系統(tǒng)中，前級SPD分流比通常可達60%～100%，承受著相當大部分雷電流，而后級SPD選擇不當可能會使殘壓波形產生較大振蕩，由此帶來的較大殘壓幅值或較高振蕩頻率，對設備會有較大影響。

SPD配合；壓敏電阻；過電壓防護；混合波

0 引言

隨著近幾十年來電子技術突飛猛進的發(fā)展，如今已經進入由微電子、通信技術引領的信息化時代。這些電子設備由于制造技術方面的原因，普遍存在絕緣水平低、過電壓電流耐受能力差等致命弱點[1]。雷電危害源是指雷擊產生的雷電流和伴隨雷電流的雷電電磁脈沖，由于電子設備在防雷性能上的缺陷，對其進行浪涌防護十分必要。以壓敏電阻為核心制成的SPD（浪涌保護器）是綜合防護措施的最重要的手段，是組成LPZ（雷電防護區(qū)）的主要防護部件，目前已廣泛應用于電子設備的雷電防護。在低壓配電系統(tǒng)中，合理的SPD配合使用能有效限制系統(tǒng)的過電壓水平，保護用電設備的安全。

近年來，國內外已開展了較多的SPD配合研究[2-9]，IEC62305-4-2010《雷電防護第4部分：建筑物中電氣和電子系統(tǒng)》和GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》也給出了SPD選配的一般準則，但只是一般意義上、概念性的選配原則，且考慮的因素較少，模型簡單，缺乏對多種影響因素共同作用下系統(tǒng)性的研究。為此，選用PSCAD（電力系統(tǒng)計算輔助設計）軟件對兩級SPD問題進行仿真分析，考慮了端接負載、電纜長度等因素對SPD配合的影響，深入探討了各因素的影響機理。

1 模型及參數

圖1為仿真所采用的兩級SPD配合的電路示意圖[2]。

圖1 兩級SPD配合電路

模型由混合波發(fā)生器、兩級SPD（SPD1和SPD2）電纜、負載組成。其中，電纜長度可調，負載可分為空載、電容、電感、電阻4種類型。仿真中配電網額定線電壓選380 V，根據IEC60664-1《低壓系統(tǒng)內設備的絕緣配合第1部分：原則、要求和試驗》相關規(guī)定，220 V/380 V系統(tǒng)的過電壓等級為1500 V，負載的最大耐受電壓亦為此值。

1.1 混合波發(fā)生器

選用20kV/10 kA混合電流電壓波來模擬雷電沖擊，圖2為混合波發(fā)生器電路[3]。

圖2 20kV/10 kA混合波發(fā)生器

當輸出端短路時，輸出電流為波頭波長8/20 μs、幅值10 kA的雷電流沖擊波；當輸出端開路時，輸出電壓為波頭波長1.2/50 μs、幅值20kV的雷電電壓波。開路電壓峰值與短路電流峰值之比為2。

1.2 SPD參數的選擇

選用3種LA系列壓敏電阻為主要元件的SPD，其主要參數如表1所示。用于建模的壓敏電阻的伏安特性曲線可通過查閱產品手冊獲取。在PSCAD中，壓敏電阻用于非線性電阻模擬，數值計算方法采用分段線性化法[10]。

表1 仿真選用的壓敏電阻參數

1.3 配合方案

選用上述3種壓敏電阻，可組合出9種配合方式（見表2），表中壓敏電阻用其最大容許回路電壓表示。

表2 配合方式編號

以下將通過研究這9種配合方式在混合波作用下的特性，總結出兩級SPD保護的配合規(guī)律。

1.4 電纜模型參數

仿真選用單芯聚氯乙烯絕緣電纜，這是一種單芯無屏蔽電纜，其布置與幾何參數如圖3所示。其中，電纜埋深50mm；導體部分半徑0.8mm，相對介電常數4.55，電阻率為1.724×10-8Ω·m；絕緣層厚度0.6mm；土壤電阻率為100 Ω·m。

圖3 電纜布置

根據上述參數，經簡單計算可得，電纜單位長度的電容C0=452.4 pF，單位長度的電感L0=3.0685 μH，單位長度的阻抗Z=（0.00862+ j0.000964）Ω，對地導納Y=（0+j1.421e-7）S，波阻抗Z0=92.4 Ω。以下分別針對1 m，5 m，10 m，15 m，20 m共5種電纜長度進行討論。

1.5 負載

考慮工程實際中電源線可能帶有不同類型的電氣設備，因此仿真中對電源線末端情況作了不同考慮，將負載分為空載、容性負載、阻性負載、感性負載4種類型。其中，電容值選為100 pF，電阻值選為10 Ω，電感值選為100 μH。

2 仿真結果及分析

根據所選仿真參數，對混合波作用下兩級SPD配合問題進行仿真。最大容許回路電壓與通流容量是壓敏電阻的主要參數，分析配合方案是否可行的依據是：通過SPD1的電流是否超過選用壓敏電阻的通流容量；SPD2上的殘壓是否超過設備最大耐受電壓值。因此沖擊電流及殘壓值是討論兩級SPD配合的關鍵。按照線路末端負載對仿真結果進行分類，通過分析兩級SPD分流情況及SPD2殘壓，討論配合方案、電纜長度及端接負載對兩級SPD配合效果的綜合影響。

2.1 電纜末端空載

2.1.1 SPD1分流情況分析

計算電纜末端空載情況下，5種電纜長度在9種配合方式下，SPD1，SPD2上流過的電流峰值與總電流峰值之比。可以發(fā)現，SPD1承受了絕大部分電流，故僅將SPD1上流過的電流峰值與總電流峰值之比示于表3。

表3 末端空載各種情況下流經SPD1電流峰值與總電流峰值之比

從表3中可以看出：

（1）在各種情況下，SPD1上流經的電流值比例都較大。在320-660配合方式下，流經SPD1的電流峰值甚至基本與總電流峰值相等。即便是比例最小的情況（660-275），其值也達到68.9%。

壓敏電阻是一種非線性電阻，其伏安特性曲線隨著電流增大斜率變小，即電阻隨著電流的增大而減小。對于SPD1，承受著電纜入端的混合波，由于混合波具有較大的電壓幅值，在大電壓下，壓敏電阻表現為小電阻，因此會通過較大比例的電流，而混合波的電流峰值也十分可觀，因此，通過SPD1的電流絕對值也較大。

（2）對比各種配合方式的計算結果，可以發(fā)現，隨著電纜長度增長，SPD1分流比變大。

電纜長度越長，對電纜入端的等效阻抗就越大，越不利于電流的通過，在與SPD1分流時后者便會承受更大的電流。仿真結果與理論分析也是一致的。

（3）對于相同的SPD1、相同的電纜長度，SPD2額定電壓越高，SPD1的分流便越大。

2.1.2 SPD2殘壓分析

通?；旌喜ń涍^SPD1后仍有較大殘壓，對設備保護仍具有一定危險性，因此需要配置SPD2進一步限制過電壓的幅值。而SPD2上的殘壓即為作用在設備上的電壓，其值不能高于設備的電壓耐受峰值，因此，需要校驗各種情況下殘壓的波形。仿真計算不同配合方式下不同電纜長度SPD2上的殘壓，結果示于圖4。

觀察圖4，可以得出以下規(guī)律：

（1）電纜長度對SPD2殘壓大小有一定影響，但影響不顯著。在各種配合方式下都呈現相同的規(guī)律：電纜長度越長，波形衰減越大，SPD2殘壓越?。浑娎|長度越長，時延越大。

（2）所選SPD2額定電壓為275 V時，限壓能力很好，殘壓波形基本沒有振蕩；額定電壓為320 V時，在50 μs處發(fā)生了較小的振蕩。所選SPD2額定電壓較大時，殘壓波形峰值較高并出現了振蕩，電纜長度對殘壓峰值的影響體現在對振蕩情況的影響上。可以看出，電纜越長，振蕩幅值越大，振蕩頻率越低。振蕩幅值過大有可能造成殘壓超過設備耐受能力，而振蕩頻率過高也會對設備安全造成嚴重影響。

（3）SPD2選用額定電壓較低（275 V，320 V）的壓敏電阻時，無論SPD1如何選擇，SPD2對過電壓均有較好的限制作用。因此，設備上殘壓的限制主要取決于SPD2的選擇。

2.2 端接電容

2.2.1 SPD1分流情況分析

計算線路末端空載情況下，5種電纜長度在9種配合方式下，SPD1上流過的電流峰值與總電流峰值之比，結果示于表4。

表4 末端接電容各種情況下流經SPD1電流峰值與總電流峰值之比

圖4 末端空載各種情況下SPD2上的殘壓

比較表3與表4，可以看出，電纜末端空載與端接電容的計算結果基本一致。這是由于將電纜用π型等效模型分析，線路末端存在一對地導納，此處所用電纜等效對地電導為0，即對地表現為一電容，電纜端接的電容值為100 pF，電容值較小，與線路等效的電容合并之后近似等于線路導線電容的值，故端接小電容情況與空載情況基本相同。

2.2.2 SPD2殘壓分析

仿真計算端接電容時，不同配合方式下不同電纜長度SPD2上的殘壓如圖5所示。

同樣可以看出，殘壓波形與空載情況基本一致，僅在振蕩處振蕩頻率有些許差異，這是由于接入電容對振蕩頻率產生了一定影響，這與理論分析也是一致的。

2.3 端接電感

2.3.1 SPD1分流情況分析

計算電纜末端接電感負載時，5種電纜長度在9種配合方式下，SPD1上流過的電流峰值與總電流峰值之比示于表5。

端接電感時SPD1電流峰值與總電流峰值之比變化規(guī)律與空載和端接電容的情況基本一致，與理論分析也是一致的，但其值較空載情況小。

2.3.2 SPD2殘壓分析

仿真計算端接電感時，不同配合方式下不同電纜長度SPD2上的殘壓波形如圖6所示。

可以發(fā)現，殘壓波形與空載時對應的波形均十分相近，但在選擇額定電壓較高的SPD2時，出現了較為嚴重的振蕩，即SPD2的選擇決定了是否產生振蕩。殘壓波形的振蕩幅值較端接電容負載情況更大，個別情況甚至超過了1500 V的設備耐受值，且振蕩的持續(xù)時間更長、衰減較慢。同時殘壓的振蕩也呈現出電纜長度越長，振蕩頻率越低，振蕩幅值越大的規(guī)律。

表5 末端接電感各種情況下流經SPD1電流峰值與總電流峰值之比

圖5 端接電容各種情況下SPD2上的殘壓

由于電纜的等值電阻較小，因此阻尼作用較小。當選用額定電壓較低的SPD2時，SPD2對殘壓波形的阻尼作用也較小，所以殘壓波形會出現較為明顯的振蕩現象。電纜端部接電感，與電纜的參數相配合，因此會產生更為嚴重的振蕩波。

2.4 端接電阻

2.4.1 SPD1分流情況分析

仿真計算端接電阻時，5種電纜長度在9種配合方式下流經SPD1的電流峰值與總電流峰值之比，結果示于表6。

表6 末端接電阻各種情況下流經SPD1的電流峰值與總電流峰值之比

可以看出，SPD1分流隨電纜長度和配合方式的變化所呈現出規(guī)律仍與空載時一致。端接電阻時，SPD1分流較空載時小。

2.4.2 SPD2殘壓分析

仿真計算端接電感時，不同配合方式下不同電纜長度SPD2上的殘壓波形如圖7所示。

對比圖4可發(fā)現，殘壓波形與空載情況相比在峰值上并無太大差異，但在波形上明顯不同。在波形較陡的地方，電阻負載情況下有較大的衰減，且隨著電纜長度增長，衰減越明顯。與空載、電容負載及電感負載不同，在選用額定電壓較大的SPD2時，阻性負載情況下不會出現振蕩，可見電阻對波形的振蕩具有較明顯的衰減作用。因此在負載為電阻時，可適當放寬限壓的要求。

圖6 端接電感各種情況下SPD2上的殘壓

圖7 端接電阻各種情況下SPD2上的殘壓

3 結論

針對不同負載情況，研究了兩級SPD防雷保護系統(tǒng)的配合規(guī)律，分析了電纜長度、配合方式、負載類型對SPD1分流情況與SPD2殘壓的影響規(guī)律。得出了以下結論：

（1）在兩級SPD配合系統(tǒng)中，SPD1上流經的電流占總電流的60%以上，嚴重時甚至可以達到100%。進一步考察兩級SPD上吸收功率占總功率之比，發(fā)現不同負載情況下計算結果十分接近，變化規(guī)律一致。故僅將空載情況的計算結果示于表7、表8。

表7 末端空載各種情況下流經SPD1吸收功率與總功率之比

表8 末端空載各種情況下流經SPD2吸收功率與總功率之比

可以發(fā)現雷電波的功率大部分被SPD1吸收，在所選SPD1額定電壓較低時尤為嚴重，因此在選擇SPD1時還需注意能量耗散問題。

隨著電纜長度的增長，SPD1的分流比增大；選用SPD2的額定電壓越大，SPD1分流比越大。

負載類型對SPD1的分流比及功率分配比沒有顯著影響?？蛰d與電容負載對應的SPD1分流比最大，其次是電感負載，電容負載最小，但差異很小。綜上所述，對所有類型的負載，選取SPD1時需選擇具有較大通流容量的壓敏電阻。對于線路較短的情況，可以通過選取額定電壓較小的SPD2達到限制SPD1電流的目的；對于線路較長的情況，SPD1分流比例很大，只能通過選取通流容量較大的SPD或者采取多級保護的措施。

（2）電纜長度對殘壓大小有一定影響但不顯著。電纜長度越長，SPD2的殘壓波形衰減越快，殘壓峰值越小。選用額定電壓較小的SPD2能起到較好的限壓作用，設備上殘壓的限制主要取決于SPD2的選擇。

當電纜末端空載、接電容負載或接電感負載時，若選用的SPD2額定電壓較大，則殘壓波形峰值較大且會出現振蕩現象。電纜長度越長，振蕩幅值越大，振蕩頻率越低，端接電感產生的殘壓振蕩比末端空載與端接電容情況更為嚴重，振蕩持續(xù)時間更長，衰減較為緩慢。而端接電阻時，對于文中所述仿真選用的電阻值，并未出現振蕩現象，可見阻性負載有較為明顯的阻尼作用。

因此，為限制設備上過電壓峰值，同時避免振蕩，應選用額定電壓較低的壓敏電阻作為SPD2，當負載為電阻時，可適當放寬限壓的要求。

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（本文編輯：方明霞）

Study on the Coordination of Two-stage Low Voltage Surge Protective Device under Mixed Waves

HU Wei1，GONG Chunyan1，ZHENG Yiming2，HONG Li1
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou310009，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou310014，China）

In the lightning protection of low voltage distribution system，single-stage surge protection devices（SPD）cannot reach the lightning protection requirements for some sensitive devices.Thus，multi-stage SPD is adopted to achieve better protection effects.In this paper，coordination regulation of two-stage SPD was investigated under the mixed waves of20kV/10 kA.Four circumstances of cable terminal load，no load，capacitance load，inductance load and resistance load were considered as well as the cable length in the coordination regulation investigation.The simulation results indicate that the current ratio of the former SPD is approximately60%～100%，which endures the most lightning current；the latter SPD may influence the waveform of the remained voltage，leading to high voltage amplitude or high oscillation frequency，which may have significant impact on the devices.

SPD coordination；voltage-dependent resistor；over-voltage protection；mixed waves

TM862

：A

：1007-1881（2016）09-0001-07

2016-04-22

胡 偉（1980），男，高級工程師，從事高壓輸電線路、電纜及配電網設備的運維、管理工作。