標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩波下壓敏電阻能量配合研究

蘇 奎，馬媛媛

（1.山東山大電力技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250353；2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266100）

標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩波下壓敏電阻能量配合研究

蘇 奎1，馬媛媛2

（1.山東山大電力技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250353；2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266100）

為了有效利用壓敏電阻對真實(shí)雷電過電壓進(jìn)行防護(hù)，需要對標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩波下壓敏電阻能量配合進(jìn)行研究。利用EMTP軟件搭建0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生電路，采用IEEE壓敏電阻模型進(jìn)行仿真沖擊。分析前后級壓敏電阻采用高低配合與低高配合方式的防護(hù)效果。最后討論不同前后級壓敏電阻連接導(dǎo)線長度對分流和能量吸收的影響。分析結(jié)果表明：壓敏電阻殘壓隨著充電電壓的增加而增大，低高配合方式下，前級壓敏電阻承受了絕大部分雷電流和能量，配合效果不如高低配合方式。前后級連接導(dǎo)線長度增加時，流過前級和后級的電流峰值均降低，但前級吸收能量增加，后級吸收能量降低。標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩波作用下，壓敏電阻前后級采用高低配合方式較為理想。

壓敏電阻；標(biāo)準(zhǔn)振蕩波；能量配合

0 引言

雷電過電壓是電力系統(tǒng)面臨的突出危害之一[1]，氧化鋅壓敏電阻因其優(yōu)異的非線性成為抑制過電壓的重要設(shè)備，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[2]。為了實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的有效防護(hù)，壓敏電阻常常采用兩級或多級保護(hù)方式[3]。目前對壓敏電阻配合機(jī)理的研究多是在 8/20 μs或10/350 μs沖擊源作用下[4-6]，具體配合方式、有效保護(hù)距離等相關(guān)研究較為成熟[7-9]。但是實(shí)測線路雷電過電壓觀測數(shù)據(jù)和人工引雷數(shù)據(jù)[10-11]都表明：過電壓波形呈衰減振蕩，且首個脈沖波頭時間非常短。采用8/20 μs或10/350 μs等單脈沖沖擊源進(jìn)行壓敏電阻配合分析可能與真實(shí)雷電過電壓波作用存在一定差異。IEEE標(biāo)準(zhǔn)[12]推薦采用0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波模擬真實(shí)雷電過電壓波形，需要研究標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩波作用下壓敏電阻能量配合特性。

筆者利用EMTP[13]搭建標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生回路，采用IEEE推薦的壓敏電阻片等效模型，分析壓敏電阻高低配合與低高配合方式的保護(hù)效果。最后討論前后級連接導(dǎo)線長度對前后級壓敏電阻流過電流和吸收能量的影響，為標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩波下壓敏電阻配合提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生器模型

根據(jù)IEEE給出的0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波定義[3]，第1個波頭時間為0.5 μs，振蕩頻率為100 kHz，在3～6個周期內(nèi)幅值衰減至初始峰值的50%以下。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生器電路圖。圖2給出了典型標(biāo)準(zhǔn)振蕩波波形，幅值為6 kV。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生器電路Fig.1 Circuit of the normal ring wave generator

圖2 0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波Fig.2 0.5 μs-100 kHz normal ring wave

2 壓敏電阻模型

壓敏電阻的保護(hù)水平與暫態(tài)波的頻率分量有關(guān)，波頭時間較陡情況下，電阻片殘壓與標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊下的電阻片特性有較大差異，電流陡波效應(yīng)較為明顯[14-15]。目前較為常用的壓敏電阻片模型主要有非線性電阻模型、非線性電感模型、IEEE模型[16]和PG模型。IEEE模型適用波頭時間范圍較寬，得到廣泛應(yīng)用[15]。圖3給出了IEEE壓敏電阻片模型等值電路圖。

在IEEE模型中，L1、R1組成低通濾波器，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。當(dāng)波頭時間較短時，L1、R1并聯(lián)阻抗的影響逐漸突出，非線性電阻A0電壓高于A1，導(dǎo)致壓敏電阻片殘壓較高。模型中各參數(shù)的取值與壓敏電阻結(jié)構(gòu)有關(guān)，具體計算公式參見相關(guān)文獻(xiàn)[16]。

圖3 IEEE推薦的MOA模型Fig.3 MOA model of IEEE

仿真中壓敏電阻參考電壓分別為390 V和680 V，對應(yīng)10kA電流沖擊下，電阻片的殘壓為650V和1120 V。仿真試驗(yàn)中采取680-390 V高低配合與390-680 V，低高配合兩種保護(hù)方式[17-18]。前后級壓敏電阻之間采用導(dǎo)線連接，導(dǎo)線長度為10 m。由于標(biāo)準(zhǔn)振蕩波波頭時間較短，將線路等效為電阻與電阻串聯(lián)，單位長度電阻0.062 Ω/m，單位長度電感2.48 μH/m。

3 仿真分析

3.1 前后級殘壓與分流

圖4（a）和圖4（b）分別給出了高低配合方式與低高配合方式下前后級壓敏電阻殘壓。

圖4 不同配合方式下前后級殘壓Fig.4 Residual voltages under different coordination modes

由圖4可看出，高低配合方式與低高配合方式下，壓敏電阻殘壓都得到了一定程度的限制，殘壓都是逐漸衰減趨于零。高低配合方式下前后級殘壓相差不大，低高配合方式下前后級殘壓相差較明顯。

表1和表2分別給出了不同充電電壓下，高低配合方式與低高配合方式下前后級壓敏電阻殘壓與流過電流。

表1 高低配合方式下前后級殘壓與電流Table 1 Residual voltages and currents under high-low coordination mode

表2 低高配合方式下前后級殘壓與電流Table 2 Residual voltages and currents under low-high coordination mode

通過對比表1和表2發(fā)現(xiàn)，高低配合方式與低高配合方式下前后級壓敏電阻殘壓與流過電流都隨著充電電壓的增加而增大。高低配合方式下，大部分雷電流經(jīng)由前級680 V壓敏電阻泄放，后級泄放電流占比隨充電電壓增加而降低，10 kV充電電壓下，后級泄放電流占前級的18%左右。低高配合方式下，絕大部分雷電流經(jīng)由前級390 V壓敏電阻泄放，后級泄放電流極少，10 kV充電電壓下，后級泄放電流僅占前級的5%左右。

3.2 前后級吸收能量

圖5給出了不同配合方式下，前后級壓敏電阻吸收能量隨充電電壓變化情況。

由圖5可看出，高低配合方式與低高配合方式下前后級壓敏電阻吸收能量都隨著充電電壓的增加而增大。壓敏電阻兩級配合的原則是前級泄放大電流，后級進(jìn)行進(jìn)一步電壓限制[19-20]。但是低高配合方式下，前級壓敏電阻吸收了絕大部分能量，后級壓敏電阻吸收能量極少，能量吸收比最高達(dá)41，這種方式下前級集中了過多能量會導(dǎo)致失效概率增加。高低配合方式下前后級能量吸收比最高僅為3.16，因此對于標(biāo)準(zhǔn)振蕩波的防護(hù)而言，壓敏電阻采用高低配合方式要優(yōu)于低高配合方式。

圖5 不同配合方式下前后級吸收能量Fig.5 Absorbed energy under different coordination modes

3.3 連接導(dǎo)線長度影響

除了充電電壓外，壓敏電阻前后級連接導(dǎo)線長度也會對級間配合產(chǎn)生一定影響[19]。圖6給出了不同連接導(dǎo)線長度下，前后級壓敏電阻電流及吸收能量變化情況。

圖6 前后級電流隨連接導(dǎo)線長度變化Fig.6 Current vs length of cable

圖7 前后級吸收能量隨連接導(dǎo)線長度變化Fig.7 Absorbed energy vs length of cable

從圖6和圖7可看出，當(dāng)兩級間連接導(dǎo)線長度增加時，流過前級和后級壓敏電阻的電流峰值均有所降低。前級壓敏電阻吸收能量有所增加，但增加幅度不大，后級壓敏電阻吸收能量則有所減小。

4 結(jié)論

利用EMTP搭建0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生電路，對兩級壓敏電阻配合方式進(jìn)行了仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）壓敏電阻高低配合方式與低高配合方式下，電路殘壓都得到了一定程度的限制，但是低高配合方式下，絕大部分雷電流和能量由前級壓敏電阻承受，容易導(dǎo)致前級壓敏電阻損壞。

2）當(dāng)前后級壓敏電阻連接導(dǎo)線長度增加時，流過前級和后級的電流峰值均降低，但前級吸收能量有所增加，后級吸收能量降低。

[1]張緯鈸，何金良.過電壓防護(hù)及絕緣配合[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]熊泰昌.電力避雷器[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]張棟，傅正財，趙剛，等.低壓配電系統(tǒng)中浪涌保護(hù)器配合機(jī)理[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（7）：145-149.ZHANG Dong，F(xiàn)U Zhengcai，ZHAO Gang，et al.The co?ordination mechanism of cascaded SPDs in low voltage dis?tribution systems[J].Transactions of China Electrotechni?cal Society，2009，24（7）:145-149.

[4]杜志航，楊仲江，姜山，等.基于限壓型電涌保護(hù)器能量配合的分析[J].電瓷避雷器，2009（5）：46-49.DU Zhihang，YANG Zhongjiang，JIANG Shan，et al.Analyse on energy coordination between based on voltage limiting SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2009（5）:46-49.

[5]姜輝，劉全楨，劉寶全，等.低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器能量配合研究[J].電瓷避雷器，2013（3）：137-142.JIANG Hui，LIU Quanzhen，LIU Baoquan，et al.Re?search on energy coordination of SPD in low-voltage distri?bution system[J].Insulators and Surge Arresters，2013（3）:137-142.

[6]LI M，YUAN J，ZHAO Z.Low-voltage SPD coordination analysis[C].2011 Asia-Pacific International Conference on Lightning.Chengdu，2011:913-916.

[7]袁智勇，許菁，何金良，等.低壓浪涌保護(hù)器的有效保護(hù)距離[J].高電壓技術(shù)，2003，29（8）：29-31.YUAN Zhiyong，XU Jing，HE Jinliang，et al.Analysis of the effective protection distance of Low-Voltage SPD to equipment[J].High Voltage Engineering，2003，29（8）:29-31.

[8]盛財旺，張小青，陳灝，等.三種低壓交流電源系統(tǒng)防雷保護(hù)電路的保護(hù)性分析[J].電瓷避雷器，2011（2）：48-52.SHENG Caiwang，ZHANG Xiaoqing，CHEN Hao，et al.Analysis of three types of lighting protection circuit for low voltage AC power system[J].Insulators and Surge Arrest?ers，2011（2）:48-52.

[9]段振中，柴健，朱傳林.限壓型低壓電涌保護(hù)器級間能量配合方式的仿真研究[J].電瓷避雷器，2013（1）：102-106.DUAN Zhenzhong，CHAI Jian，ZHU Chuanlin.Simula?tion research on energy cooperation mode between levels of Voltage-Limiting low voltage SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2013（1）:102-106.

[10]張義軍，張陽，鄭棟，等.2008-2014年廣東人工觸發(fā)閃電電流特征[J].高電壓技術(shù)，2016，40（11）：3404-3414.ZHANG Yijun，ZHANG Yang，ZHENG Dong，et al.Cur?rent characteristics of triggered lightnings in Guangdong from 2008 to 2014[J].High Voltage Engineering，2016，40（11）:3404-3414.

[11]申元，馬儀，王磊，等.實(shí)測過電壓/雷電流信號小波去噪方案探究[J].電工電能新技術(shù)，2014，33（10）：64-69.SHEN Yuan，MA Yi，WANG Lei，et al.Research on wavelet de-noising scheme for field overvoltage/lightning current signals[J].Advanced Technology of Electrical Engi?neering and Energy，2014，33（10）:64-69.

[12]IEEE C62.41-1991.Recommended practice on surge volt?age in low-voltage AC power circuits[S].

[13]吳文輝，曹祥麟.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算與EMTP應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[14]陳潔，郭潔，王磊，等.金屬氧化物避雷器模型的陡波特性分析[J].電瓷避雷器，2013（4）：68-74.CHEN Jie，GUO Jie，WANG Lei，et al.The V-A charac?teristics under steep-front waves of metal oxide surge ar?rester model[J].Insulators and Surge Arresters，2013（4）:68-74.

[15]王榮珠，張云峰，陳則煌，等.基于ATP-EMTP仿真軟件的MOV仿真模型的分析[J].電瓷避雷器，2014（5）：66-70.WANG Rongzhu，ZHANG Yunfeng，CHEN Zehuang，et al.Analysis of MOV simulation model based on ATP-EM?TP[J].Insulators and Surge Arresters，2014（5）:66-70.

[16]IEEE working group 3.4.11.Modeling of metal oxide surge arresters[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（2）:393-397.

[17]李清泉，范士鋒，袁鵬，等.振蕩波兩級低壓浪涌保護(hù)器配合情況的實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓電器，2004，40（1）：9-10，13.LI Qingquan，F(xiàn)AN Shifeng，YUAN Peng，et al.Experi?mental study of the cascaded SPD coordination under ring wave[J].High Voltage Apparatus，2004，40（1）:9-10，13.

[18]何金良，曾嶸.配電線路雷電防護(hù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[19]張棟.低壓配電系統(tǒng)中SPD保護(hù)和配合的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[20]SHIN H K，KIM D S，CHUNG Y K，et al.Energy coordi?nation of ZnO varistor based SPDs in surge current due to direct lightning flashes[C].2014 International Conference on Lightning Protection（ICLP）. 2014:136-140.

Study on Energy Coordination of Varistors under the Normal Ring Wave

SU Kui1，MA Yuanyuan2
（1.Shandong Province of Shandong Electric Power Technology Co.，Ltd.，Jinan 250353，China;2.Qingdao Vocational and Technical College of Hotel Management，Qingdao 266100，China）

In order to protect from lightning overvoltage through the use of ZnO varistor properly，studying the energy coordination of varistors under the normal ring wave is necessary.The 0.5 μs-100 kHz normal ring wave generator is established in EMTP and the IEEE ZnO varistor model is also used to simu?late the impulse.Protection effects of high-low and low-high coordination modes are analyzed.the influ?ence of pre and post varistor under different length of cable on diffluence and energy absorbing are dis?cussed.The results show that:residual voltages of varistor increases as the charging voltage increases;most current and energy is applied on the pre-stage varistor in low-high coordination mode which leads to poor coordination effect.Currents of pre and post varistors decrease with the decreasing length of ca?ble，but the energy absorbed in the pre varistor increase，while energy absorbed in the post varistor is op?posite.High-low coordination mode is appropriate for pre and post varistors under the normal ring wave.

varistor；the normal ring wave；energy coordination

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.017

2017-04-13

蘇奎（1980—），男，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)應(yīng)用管理和自動化。