組合波負(fù)峰對(duì)浪涌防護(hù)影響研究

武海軍

（烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，內(nèi)蒙古烏海016000）

組合波負(fù)峰對(duì)浪涌防護(hù)影響研究

武海軍

（烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，內(nèi)蒙古烏海016000）

組合波是電涌保護(hù)器性能試驗(yàn)與浪涌抗擾度試驗(yàn)的必備波形，但是目前IEC和IEEE相關(guān)規(guī)范針對(duì)組合波的定義存在一定差別，主要在于波形是否存在負(fù)峰，因此需要組合波負(fù)峰存在與否對(duì)浪涌防護(hù)的影響。利用EMTP軟件搭建兩種組合波發(fā)生電路，分別產(chǎn)生不存在負(fù)峰與存在負(fù)峰的組合波，同時(shí)結(jié)合IEEE壓敏電阻模型進(jìn)行仿真沖擊，分析壓敏電阻殘壓與吸收能量的差異。最后討論不同負(fù)載性質(zhì)下連接電纜長度對(duì)兩種組合波沖擊后負(fù)載端電壓的影響。分析結(jié)果表明：組合波負(fù)峰存在與否對(duì)壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，但對(duì)殘壓波形影響較大；壓敏電阻在存在負(fù)峰的組合波沖擊下的箍位時(shí)間較短。存在負(fù)峰的組合波沖擊時(shí)壓敏電阻吸收的能量始終小于不存在負(fù)峰組合波沖擊情況。兩種組合波沖擊后負(fù)載端相對(duì)電壓差異隨著電纜長度的增加而增大，阻性負(fù)載和容性負(fù)載變化更為明顯。

組合波；負(fù)峰；壓敏電阻；負(fù)載

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，雷電浪涌對(duì)電力、電子、通信等系統(tǒng)的危害也日益嚴(yán)重[1]。電涌保護(hù)器（SPD）是低壓弱電系統(tǒng)中抑制過電壓的重要設(shè)備，在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2]。為了確保SPD有效地起到防護(hù)作用，必須對(duì)SPD的相關(guān)參數(shù)與性能進(jìn)行測試，同時(shí)需要根據(jù)設(shè)備的浪涌抗擾度合理選用SPD。

GB18802.1—2011[3]規(guī)定針對(duì)SPD的相關(guān)性能測試必須采用組合波沖擊，GBT3482—2008[4]和GBT17626.5—2008[5]也規(guī)定了電子設(shè)備的雷擊試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)需要采用組合波。因此，對(duì)組合波產(chǎn)生的試驗(yàn)和仿真進(jìn)行研究具有重要的價(jià)值。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)組合波發(fā)生電路進(jìn)行了許多研究與模擬，通過電路解析法計(jì)算組合波浪涌信號(hào)發(fā)生器（CWG）電路參數(shù)[6]，利用軟件仿真產(chǎn)生組合波波形[7-8]，并對(duì)組合波沖擊下的耦合方式影響等進(jìn)行了相應(yīng)分析[9-11]。但是目前研究所使用的組合波波形大多依據(jù)IEC Std.61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)[12]，短路電流波形存在一個(gè)負(fù)峰，而IEEEStd.C62.41.2-2002[13]給出的組合波波形則不存在負(fù)峰。因此，需要研究組合波負(fù)峰存在與否對(duì)SPD浪涌防護(hù)特性的影響。

筆者利用EMTP軟件[14]搭建不存在負(fù)峰與存在負(fù)峰的組合波發(fā)生電路，結(jié)合IEEE壓敏電阻模型，討論組合波負(fù)峰存在與否對(duì)壓敏電阻殘壓與吸收能量的影響，然后分析不同負(fù)載性質(zhì)下連接電纜長度對(duì)兩種組合波沖擊后負(fù)載端電壓差異的影響，為設(shè)備的浪涌防護(hù)提供相關(guān)參考。

1 組合波電路

根據(jù)IEEEStd.C62.41.2-2002和IEC Std.61000-4-5給出的組合波定義，組合波開路電壓波形為1.2/50 μs，短路電流波形為8/20 μs，開路沖擊電壓和短路沖擊電流幅值之比（等效輸出阻抗）為2 Ω。除了對(duì)波形相關(guān)參數(shù)和允許誤差進(jìn)行定義外，IEC Std.61000-4-5規(guī)范還限定了組合波負(fù)峰不能超過最高幅值的30%，而IEEEStd.C62.41.2-2002給出的波形則不存在負(fù)峰。相關(guān)規(guī)定的差異導(dǎo)致（CWG）電路的設(shè)計(jì)有所差別。

沖擊電流或電壓波形是否屬于振蕩波決定了其基本電路設(shè)計(jì)形式的選用，而根據(jù)相關(guān)研究[15]，波形是否是振蕩波可以通過波尾時(shí)間tt與波頭時(shí)間tf比值。若沖擊電流波形的tt/tf＜3.8，則其屬于振蕩波，沖擊電壓波形的波尾時(shí)間tt/tf＜3.5，則其屬于振蕩波，反之為非振蕩波。由此可知，1.2/50-8/20 μs組合波屬于非振蕩波電壓、振蕩波電流。

圖1給出了不產(chǎn)生負(fù)峰的組合波浪涌信號(hào)發(fā)生器電路[16]。

圖1 不產(chǎn)生負(fù)峰的組合波浪涌信號(hào)發(fā)生器電路Fig.1 Circuit of a CWG without undershoot

利用拉氏變換對(duì)圖1電路進(jìn)行分析，開路電壓為：

逆變換成時(shí)域公式為

等效輸出阻抗為

根據(jù)組合波波形參數(shù)，結(jié)合2 Ω等效輸出阻抗，即可確定信號(hào)發(fā)生器電路參數(shù)，具體過程參見文獻(xiàn)[17]。

圖2給出了產(chǎn)生負(fù)峰的組合波浪涌信號(hào)發(fā)生器電路。

圖2 產(chǎn)生負(fù)峰的組合波浪涌信號(hào)發(fā)生器電路Fig.2 Circuit of a CWG with undershoot

利用拉氏變換對(duì)圖2電路進(jìn)行分析，開路電壓為：

逆變換成時(shí)域公式為

短路電流為

轉(zhuǎn)換成時(shí)域公式為

根據(jù)組合波波形參數(shù)，可以得到α、β、ω、δ的取值，即可確定信號(hào)發(fā)生器電路參數(shù)，具體過程參見文獻(xiàn)[18]。

圖3給出了兩種電路產(chǎn)生的組合波短路電流波形，幅值均為3 kA。可以明顯看出圖3中第2個(gè)波形存在一個(gè)負(fù)峰。

圖3 兩種短路電流波形對(duì)比Fig.3 Short-circuit current waveforms with and without undershoot

2 壓敏電阻模型

圖4給出了一個(gè)簡單的浪涌沖擊試驗(yàn)電路模型。壓敏電阻與負(fù)載之間采用電纜連接，長度取10m。電纜采用單芯聚氯乙烯（PVC）絕緣電纜[19]，不考慮屏蔽層，標(biāo)稱截面2 mm2，電阻率1.72×10-8Ω.m，絕緣層厚度0.6mm，相對(duì)介電常數(shù)4.55，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

圖4 試驗(yàn)電路模型Fig.4 Experimental circuits

目前較為常用的壓敏電阻模型主要有非線性電阻模型、非線性電感模型、IEEE模型[20]和PG模型。IEEE模型適用波頭時(shí)間范圍較寬，且模型與試驗(yàn)結(jié)果[21]較為吻合，因而得到廣泛應(yīng)用。圖5給出了IEEE模型壓敏電阻等值電路圖。

圖5 IEEE推薦的MOA模型Fig.5 MOA model recommended by IEEE

在IEEE模型中，L0是構(gòu)成內(nèi)外部磁場的電感，R0是抑制數(shù)值振蕩的電阻，C是壓敏電阻固有電容，L1、R1構(gòu)成低通濾波器。模型中各參數(shù)的取值與壓敏電阻結(jié)構(gòu)有關(guān)，具體計(jì)算公式參見文獻(xiàn)。仿真中壓敏電阻參考電壓U1mA取690 V，10 kA雷電流沖擊下殘壓為1 120 V。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 壓敏電阻殘壓

圖6給出了不同負(fù)載性質(zhì)下不存在負(fù)峰與存在負(fù)峰的組合波沖擊后壓敏電阻殘壓波形。負(fù)載分別去電阻10 Ω、電容、電感1 μF、電感100 μH，組合波幅值為6 kV。

圖6 不同負(fù)載下殘壓波形Fig.6 Residual voltages with different types of loads

由圖6可以看出，無論是阻性負(fù)載、容性負(fù)載還是感性負(fù)載，組合波負(fù)峰存在與否對(duì)壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，但對(duì)殘壓波形有較大影響。存在負(fù)峰時(shí)，壓敏電阻箍位時(shí)間較短，殘壓波形衰減較快，且下降波形存在明顯的二次振蕩，這主要是負(fù)峰的作用影響。不存在負(fù)峰時(shí)，殘壓波形衰減較慢，曲線較平緩。

3.2 吸收能量差異

表1給出了負(fù)載為10Ω電阻時(shí)，不存在負(fù)峰與存在負(fù)峰的組合波沖擊下壓敏電阻吸收能量。

表1 壓敏電阻吸收能量差異Table 1 Energy absorbed by varistor with and without undershoot

通過表1可以看出，雖然負(fù)峰存在與否對(duì)壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，但對(duì)壓敏電阻吸收能量有較大影響。隨著沖擊電壓幅值的增大，兩種情況下壓敏電阻吸收能量均隨之增加，但是存在負(fù)峰組合波沖擊下壓敏電阻吸收能量始終小于不存在負(fù)峰組合波沖擊情況，這主要是由于兩種情況下的壓敏電阻殘壓和通流波形持續(xù)時(shí)間不同。但是兩種情況下的吸收能量相對(duì)差異隨著沖擊電壓的增大而減小。

3.3 電纜長度影響

圖7給出了不同負(fù)載性質(zhì)下不存在負(fù)峰與存在負(fù)峰的組合波沖擊后負(fù)載端電壓差異隨電纜長度的變化。負(fù)載分別取電阻10 Ω、電容1 μF、電感100 μH，組合波幅值為6 kV。

圖7 電纜長度對(duì)負(fù)載端電壓影響Fig.7 Voltages of the load vs length of the cable

由圖7可以看出，不存在負(fù)峰與存在負(fù)峰的組合波沖擊后負(fù)載端電壓差異受電纜長度影響較大。阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載端電壓相對(duì)差異均隨著電纜長度的增加而增大，但是對(duì)感性負(fù)載的影響不如阻性、容性大。由于電纜波阻抗和負(fù)載阻抗不匹配引起沖擊波在壓敏電阻與負(fù)載端來回折反射產(chǎn)生振蕩，電纜越長，振蕩越明顯，從而放大了兩種組合波沖擊后的電壓差異。

4 結(jié)論

利用EMTP軟件搭建兩種組合波發(fā)生電路，分析組合波負(fù)峰存在與否對(duì)設(shè)備浪涌防護(hù)特性的影響，得到如下結(jié)論：

1）組合波負(fù)峰存在與否對(duì)壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，對(duì)殘壓波形有較大影響。存在負(fù)峰的組合波沖擊下的壓敏電阻箍位時(shí)間較短。

2）存在負(fù)峰的組合波沖擊時(shí)壓敏電阻吸收的能量始終小于不存在負(fù)峰組合波沖擊情況。

3）不存在負(fù)峰與存在負(fù)峰的組合波沖擊后負(fù)載端相對(duì)電壓差異隨著電纜長度的增加而增大。

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Study on Influence of Combination Wave Undershoot on Surge Protection

WU Haijun
（Mechanical and Electrical Engineer Department,Wuhai Vocationamp;Technical College,Wuhai 016000,China）

Combination wave is essential in surge protection device(SPD)performance test and surge immunity test.But IEEE Std.C62.41.2and IEC Std.61000-4-5 have some difference in waveform undershoot definition.So study on influence of combination wave undershoot on surge protection is neces?sary.The combination wave generator(CWG)with and without undershoot are established in EMTP while the IEEE varistor model is also applied.Residual voltage and its waveform with different types of loads are analyzed.Voltage differences with and without undershoot under different lengths of cable are also dis?cussed.Results show that the presence or absence of undershoot has no effect on residual voltage,but the presence of undershoot will reduce the clamping time.Energy absorbed by varistor without undershoot is always higher than that with undershoot.Voltage differences with and without undershoot increase with the increasing of cable length which is particularly obvious under resistive and capacitive loads.

combination wave；undershoot；varistor；load

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.028

2017-03-01

武海軍（1968—），男，高級(jí)工程師，主要從事電機(jī)技術(shù)、發(fā)電廠電氣設(shè)備、工廠電氣控制技術(shù)等課程的教學(xué)和科研工作。