兩級ZnO壓敏電阻間串聯(lián)電感應(yīng)用的分析

李祥超，楊 悠，蔡露進(jìn)，董昌鑫，徐曉培

（南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗室，南京210044）

兩級ZnO壓敏電阻間串聯(lián)電感應(yīng)用的分析

李祥超，楊 悠，蔡露進(jìn)，董昌鑫，徐曉培

（南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗室，南京210044）

針對退耦電感在多級電涌保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用的問題，通過對雷電波經(jīng)過串聯(lián)電感的理論分析，串聯(lián)電感對雷電波的傳輸有阻礙的作用，降低雷電波的陡度。利用理論與試驗相結(jié)合的方法，采用雷電沖擊平臺模擬8/20 μs的雷電流，對兩級ZnO壓敏電阻組成的電涌保護(hù)系統(tǒng)串聯(lián)不同的退耦電感進(jìn)行沖擊試驗，試驗得出：兩級相同參考電壓的ZnO壓敏電阻配合應(yīng)用中，第一級ZnO壓敏電阻殘壓及通流均大于第二級，第一級ZnO壓敏電阻在雷電過電壓的防護(hù)中主要起到釋放雷電波能量的作用；在相同雷電沖擊電壓下，退耦電感的電感值越大，第一級ZnO壓敏電阻通流、殘壓及吸收能量將增加，第二級ZnO壓敏電阻通流、殘壓及吸收能量將減少。在限壓型電涌保護(hù)器的實(shí)際應(yīng)用中具有參考價值意義。

能量；ZnO壓敏電阻；多級SPD能量配合；通流；殘壓

0 引言

雷電（也稱為“閃電”）是雷暴天氣中發(fā)生的一種長距離瞬時放電現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計自然界中1/3的閃電會擊中地球，被稱為地閃。地閃放電過程中產(chǎn)生的大峰值電流、高峰值功率、炙熱的高溫、強(qiáng)電磁輻射和沖擊波等物理效應(yīng)，會地面的建筑物、電力和電子設(shè)備、航空、航天、通信等產(chǎn)生破壞作用，甚至威脅到人的生命[1-2]。在輸電線路中由于雷電的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)產(chǎn)生的雷電過電壓嚴(yán)重地影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的甚至造成設(shè)備的損壞。ZnO壓敏電阻作為常用的防雷器件，具有通流容量大、殘壓低、響應(yīng)時間短的特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用[3-6]。

國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對ZnO壓敏電阻在電涌保護(hù)的應(yīng)用中做過大量的實(shí)驗及理論研究：李祥超、唐宏科、王金虎等人研究了雷電流通過退耦電感時，可以將電涌保護(hù)器的殘壓降低15%～30%，有效地提高了電涌保護(hù)器的保護(hù)效果[7]；李祥超等在集散控制系統(tǒng)電涌保護(hù)器的設(shè)計專利中，提出了利用電感作為退耦元件，能夠有效地降低電涌保護(hù)器的殘壓[8]。王慧穎在電涌保護(hù)器的能量配合應(yīng)用中，利用傳輸線理論分析了能量配合的關(guān)系，并且與等同的電感值進(jìn)行了對比。以上學(xué)者均對多級電涌保護(hù)器如何提高保護(hù)效果做了研究，然而對兩級ZnO壓敏電阻串聯(lián)退耦電感各級殘壓及通流的影響沒有做進(jìn)一步的研究。退耦電感的取值在兩級相同電涌保護(hù)器的應(yīng)用中，其殘壓、通流及吸收能量的研究在實(shí)際防雷應(yīng)用中具有一定參考價值[9-14]。

筆者針對退耦電感在多級電涌保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用，采用雷電沖擊平臺模擬8/20 μs的雷電流，對兩級ZnO壓敏電阻組成的電涌保護(hù)系統(tǒng)串聯(lián)不同的退耦電感進(jìn)行沖擊試驗，得出兩級相同參考電壓的ZnO壓敏電阻配合應(yīng)用中，第一級ZnO壓敏電阻與第二級ZnO壓敏電阻的通流、殘壓及吸收能量的對應(yīng)關(guān)系。為退耦電感在多級SPD系統(tǒng)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 兩級ZnO壓敏電阻間串聯(lián)電感的理論分析

電力供電系統(tǒng)的過電壓通常分為兩類：一類由于雷電放電引起的，稱為雷電過電壓或大氣過電壓；另一類是由于供電系統(tǒng)的操作或故障引起的，稱為操作過電壓。任何電氣設(shè)備的絕緣耐受電壓都是有限的。當(dāng)作用到其上的過電壓超過耐受絕緣電壓時，設(shè)備的絕緣將遭到破壞，影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。因此對供電系統(tǒng)中的過電壓必須采取合理的措施加以限制。對于過電壓抑制措施常采用ZnO壓敏電阻，其具有響應(yīng)時間短（為 ns數(shù)量級），殘壓低的特點(diǎn)。在抑制過電壓的實(shí)際應(yīng)用中，常采用多級保護(hù)的方式對電氣設(shè)備進(jìn)行過電壓的抑制。為了增加ZnO壓敏電阻的通流容量及更低的殘壓要求，常采用兩級保護(hù)的方式，兩級間串聯(lián)退耦電感，前級主要用來釋放雷電波的能量，后級主要用來箝位，這樣能夠提高對電氣設(shè)備的保護(hù)效果。

在電力系統(tǒng)中將雷電波等效為一無限長直角波。如圖1所示。

圖1 雷電波通過串聯(lián)電路Fig.1 Lightning wave cross series circuit

Rn1、Rn2為ZnO壓敏電阻，L為退耦電感，圖1表示雷電波U1侵入到具有退耦電感的線路上的情況。L前后的線路分別為ZnO壓敏電阻Rn1、Rn2，當(dāng)ZnO壓敏電阻在雷電波作用下動作時，其動態(tài)阻抗分別為Z1和Z2。雷電波U1通過Rn1時，也就是Rn1在雷電波U1的作用下動作。當(dāng)Rn1在雷電波作用時，其前端電壓為U1q。當(dāng)U1q到達(dá)L的連接點(diǎn)A時將產(chǎn)生反射。因為L為集中參數(shù)元件，在其上只有電壓降而無波過程，所以在L和Rn2的B上沒有反射過程，所以B點(diǎn)的電壓波為A點(diǎn)的電壓波上的分壓，Rn2動作時的動態(tài)電電感值為Z2，也就是在Z2上的分壓根據(jù)彼得遜法則分析可得到圖1（b）所示的等值電路，由此可寫出回路方程。

Z2中的電流波：

式中T該回路的時間常數(shù)：

由式（2）分析可知，U2q是隨時間按指數(shù)規(guī)律上升的。如果將雷電波導(dǎo)設(shè)為直角波，當(dāng)t＝0時，U2q＝0，t→∞ 時，U2q→（Z2/Z1+Z2）U1q，近似看為 Z2上的分壓。因此無限長直角波通過電感后變?yōu)橐恢笖?shù)波頭的行波，串聯(lián)電感起到了降低來波上升陡度的作用。U2q的穩(wěn)態(tài)值與線路Z1和Z2直接相連時一樣，因此串聯(lián)電感對穩(wěn)態(tài)值沒有影響。

由式（2）可求得電壓波U2q的陡度為

最大陡度出現(xiàn)在t＝0時，即：

從式（4）可以看出，L越大則陡度降低越慢。作用到電氣設(shè)備上雷電波的陡度越大，對電氣設(shè)備雷電波的陡度越大。故降低入侵波的陡度對電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)具有很重要的意義。

2 試驗方案及試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗方案

通過雷電沖擊控制系統(tǒng) ICGS產(chǎn)生的 8/20 μs模擬雷電流，依次施加以1 kV為一個步長的，范圍在5～14 kV的沖擊電壓，對由兩個ZnO壓敏電阻構(gòu)成并在兩壓敏電阻之間串聯(lián)一個電感的多級保護(hù)系統(tǒng)做沖擊試驗。選用的ZnO壓敏電阻的參考電壓均為610 V，與兩級SPD串聯(lián)的電感值分別為3 μH，5 μH ，10 μH。 如圖所示。 利用 2臺 Tektronix TDS 2022B型示波器采集總通流和第一級壓敏電阻兩端的殘壓及第二級ZnO壓敏電阻兩端通流和殘壓。

圖2 兩級ZnO壓敏電阻與電感串聯(lián)配合電路Fig.2 The circuit of the inductance and two stages ZnO varistor

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

圖 3為沖擊電壓為 10 kV，L＝3 μs時，兩級 ZnO壓敏電阻兩端電壓與電流采集圖像。由于使用的雷電沖擊控制系統(tǒng)ICGS在測量時數(shù)值過大，因此測量值是實(shí)際值等倍數(shù)縮小的值，即

式中：14.4為分壓器的分壓比，0.005為羅氏線圈的電壓—電流的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

后文中的數(shù)值均為計算后實(shí)際數(shù)值，為便于畫圖，圖中數(shù)值均為測量數(shù)值。圖3（a）中，CH1為沖擊電路總電流，CH2為第一級SPD兩端電壓。由圖（a）可以看出，第一級壓敏電阻處于深度擊穿區(qū)，此時壓敏電阻兩端電壓隨著電流的增加而增加。圖3（b）中，CH1是第二級SPD流過的電流，CH2為其兩端電壓。 以其半個周期為例，在 0 μs～12.3 μs時間段內(nèi)，ZnO壓敏電阻兩端電流隨著時間的增大而增大，剛開始在 0 μs～0.6 μs 時間內(nèi)，電流較小，壓敏電阻的內(nèi)阻對電壓的變化及其敏感，因此內(nèi)阻隨電流的增大而急劇減小，由于I＝U/R，所以壓敏電阻兩端電壓也隨之急劇增大；當(dāng)隨著電流的增大，壓敏電阻已靠近擊穿區(qū)或進(jìn)入擊穿區(qū)，此時電流對內(nèi)阻的影響幾乎可以忽略不計，其兩端電壓趨于平緩基本不變；電流達(dá)到峰值后減小，直到離開擊穿區(qū)，氧化鋅壓敏電阻的內(nèi)阻開始對電流變化變得敏感，在26 μs～27.5 μs時間段內(nèi)，隨著電流的減小，其內(nèi)阻開始增大，電壓也隨之變小。

圖3 兩級壓敏電阻兩端電壓和電流的波形圖Fig.3 Oscillogram of the current and voltage with the two ZnO Varistors

2.2.2 兩級ZnO壓敏電阻通流分析

圖 4是中（a）、（b）分別為兩級 ZnO 壓敏電阻串聯(lián)電感值為 3 μH，5 μH，10 μH 時第一級和第二級壓敏電阻兩端的通流隨沖擊電壓變化的曲線。由圖3可以看出，當(dāng)沖擊電壓從5 kV以1 kV為一個步長依次沖擊到14 kV時，第一級壓敏電阻的通流變換范圍在15.61 kA～42.73 kA之間，而第二級壓敏電阻的實(shí)際通流卻大大小于第一級通流在0.18 kA～10 kA之間；根據(jù)公式

第一級通流陡度：

圖4 兩級ZnO壓敏電阻兩端的通流Fig.4 Throughflow in both ends of two stages ZnO Varistors

第二級通流陡度：

可得：隨著電感值的增大，第二級通流的陡度逐漸減小，這對電氣設(shè)備的保護(hù)具有重要意義。因為雷電波在傳播過程中，第一級、第二級ZnO壓敏電阻動作，在連接點(diǎn)A、B位置上將出現(xiàn)雷電波的反射和折射現(xiàn)象，同時雷電波的部分能量被SPD1、SPD2吸收轉(zhuǎn)換為熱能，雷電波其余的能量轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，如電場能，磁場能，電磁輻射等能量。由于兩級ZnO壓敏電阻之間有電感的隔離，電感的電感值對電流具有抑制的作用，當(dāng)沖擊電壓進(jìn)入電路時，率先經(jīng)過的是第一級ZnO壓敏電阻，因此在電感的干擾下，第一級壓敏電阻的承擔(dān)了大部分沖擊能量。剩余部分則由第二級SPD壓敏電阻吸收，這樣就實(shí)現(xiàn)了兩級能量配合，能更有效地保護(hù)接入線路的負(fù)載設(shè)備。

一般來說，在多級SPD能量配合保護(hù)中，各個SPD分別適時啟動泄流和限壓工作，以便更好的保護(hù)電氣設(shè)備。在兩級SPD均為ZnO壓敏電阻時，第一級SPD主要用于泄流。由表1可以看出：

式中：P為百分比，I1為第一級的通流，I2為第二級的通流

隨著電感值的增加，P也隨之減少。聯(lián)系圖3中第一級SPD隨著電感值的增加，壓敏電阻兩端的通流也隨之增加，但第二級SPD中，隨著電感值的增大，通流反而減小。即可得出結(jié)論：相同沖擊電壓下電感值越大，第一級SPD對總電流的分流越大，泄流效果愈好。

2.2.3 對兩級ZnO壓敏電阻殘壓的分析

殘壓是指當(dāng)流過放電電流時保護(hù)器指定端的峰值電壓。圖5中的（a）、（b）分別是兩級ZnO壓敏電阻串聯(lián)電感為 3 μH，5 μH，10 μH 時第一級和第二級壓敏電阻兩端的殘壓隨沖擊電流變化的曲線。圖4中可得到：第一級SPD實(shí)際殘壓變化范圍在15.26 kV～42.62 kV之間，第二級SPD實(shí)際殘壓變化范圍在14.98 kV～18.14 kV；電感值越大殘壓越小，當(dāng)電感值由5 μH變?yōu)?0 μH時，第二級SPD殘壓陡度顯著減小?？傻贸鼋Y(jié)論:由兩級ZnO壓敏電阻構(gòu)成的SPD多級能量保護(hù)系統(tǒng)中，第二級SPD承擔(dān)箝壓的作用，電感值越大，第一級SPD箝壓能力越好。

表1 5～14 kV的沖擊電壓下不同電感值對應(yīng)的第二級與第一級通流比的百分比Table 1 The percentage of the first stage and the second stage corresponding with different inductances under impulse voltage of 5 to 14 kV

2.2.4 兩級ZnO壓敏電阻的能量分析

SPD電涌保護(hù)器的損壞歸根結(jié)底是能量過大對防雷器件是破壞所引起的，因此，評判一個電涌保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)劣，分析其吸收的能量多少是至關(guān)重要的一部分。表2中的數(shù)值是根據(jù)公式W＝UIt求出能量再進(jìn)行運(yùn)算所得。由表可以看出第一級SPD的能量吸收率在28%～43.9%，第二級SPD的能量吸收率在5.5%～12.5%。第一級SPD吸收了大部分的能量；隨著電感值的增加第二級SPD能量吸收率隨之減少，有力的證明了電感值L的增大，對兩級ZnO壓敏電阻構(gòu)成的SPD保護(hù)系統(tǒng)的能量配合具有優(yōu)化作用。

表2 兩級ZnO壓敏電阻吸收能量百分比Table 2 Energy absorbing percentage of two stages ZnO Varistors

圖5 各級ZnO壓敏電阻兩端的殘壓Fig.5 Residual voltage on both ends of two stages ZnO Varistors

3 結(jié)論

通過波的傳輸及試驗結(jié)合，詳細(xì)地對兩級ZnO壓敏電阻的能量配合進(jìn)行了分析研究，通過沖擊試驗得出用不同電感值時兩級ZnO壓敏電阻的通流值、殘壓值及能量的關(guān)系，并對以上試驗數(shù)據(jù)對比分析，得出如下結(jié)論。

1）實(shí)驗表明，在由兩個ZnO壓敏電阻構(gòu)成的兩級SPD能量配合系統(tǒng)中，第一級SPD的通流均遠(yuǎn)大于第二級SPD，第一級SPD起到泄流的作用。

2）在相同的沖擊電壓下，電感值L越大，第一級SPD對總電流的分流越多，其泄流效果越好。

3）在5～14 kV沖擊電壓范圍內(nèi)，電感L越大，第二級SPD的通流及殘壓陡度越小，對電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)具有很重要的意義。

4）第一級SPD能量吸收百分比在30%～40%以內(nèi)，第二級SPD的能量吸收百分比在5.5%～12.5%，第一級SPD吸收了大量的能量，同時，隨著電感值L的增大，第二級吸收能量的百分比逐漸減小。更有效的實(shí)現(xiàn)了兩級SPD之間的配合與保護(hù)。

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The Analysis of Series Inductance Application between Two Stages ZnO Varistors

LI Xiangchao，YANGYou，CAI Lujin，DONG Changxin，XU Xiaopei
（Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

Based on the application of the decoupling inductance in the multilevel surge protection device （SPD）system，through the series inductance theoretical analysis of lightning wave，series inductance has the interruptive effect on the transmission of lighting wave.Combining the test and the theoretical analysis of lightning passing series connection inductance，simulating 8/20 μs lightning waveform by the impulse current generator system （ICGS），the impulse test are carried out on different decoupling inductances in SPD system which consists of two stages ZnO varistors，the test results show that both the residual voltage and the current of first stage are larger than the second in ZnO varistors application with the same reference voltage for two stages，and the first stage mainly release the lightning wave energy in the lightning overvoltage protection;On the same condition of the impulse lightning voltage，the current，residual voltage and energy absorbing of the first stage ZnO varistors will increase and these of the second stage ZnO varistors will reduce with the increase of decoupling inductance value.It has reference for the application of the limiting voltage SPD.

energy；ZnO varistor；multistage SPD system energy cooperation；throughflow；residual voltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.001

2015-11-13

李祥超 （1969—），男，副教授，主要從事電涌保護(hù)器研發(fā)與測試。

973國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計劃 （批準(zhǔn)號：2014CB441405）；大學(xué)生省級指導(dǎo)項目 （項目編號：201510300085）。