振鈴波作用下低壓配電系統(tǒng)SPD防護失效概率分析

徐敦彬，袁光偉，郝 威，高海龍，王永力

（國網(wǎng)江蘇省電力公司徐州供電公司，江蘇徐州 221005）

0 引言

雷電過電壓是電力系統(tǒng)運行面臨的主要威脅之一[1]，氧化鋅壓敏電阻因其優(yōu)異的限壓特性成為應(yīng)用最為廣泛的電涌保護器件[2]。目前針對壓敏電阻防護研究，一般采用8/20 μs、10/350 μs等脈沖電流波形或8/20-1.2/50 μs組合波波形[3-4]，具體配合機理、搭配方式、保護距離等相關(guān)研究較為成熟[5-6]。但是實際線路雷電過電壓觀測數(shù)據(jù)[7]表明：雷擊過電壓一般呈衰減振蕩波形，首個脈沖波頭時間非常短。采用單次脈沖源或組合波波形對低壓配電系統(tǒng)壓敏電阻防護分析可能與真實雷電過電壓作用存在較大差異，尤其是在熱量、電荷累積方面[8]。因此，IEEE相關(guān)標準[9]中也推薦采用0.5 μs-100 kHz振鈴波模擬真實雷電過電壓。需要研究振鈴波作用下低壓配電系統(tǒng)，尤其是具體配電制式中電涌保護器的防護效果。

本文利用 EMTP[10]搭建 0.5 μs-100 kHz振鈴波發(fā)生回路，采用P-G氧化鋅壓敏電阻等效模型，分析TN-C-S配電系統(tǒng)下壓敏電阻防護效果，通過累積能量計算壓敏電阻失效概率，并討論沖擊電壓幅值和接地電阻對壓敏電阻失效概率的影響。

1 振鈴波發(fā)生電路模型

根據(jù)IEEE給出的0.5 μs-100 kHz振鈴波定義[9]，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60%以下。圖1給出了振鈴波發(fā)生電路圖。振鈴波發(fā)生電路主要由5個部分組成：高壓貯能電路、振蕩電路、時間常數(shù)匹配電路、輸出阻抗匹配電路和高壓開關(guān)電路[11]。

圖1 振鈴波發(fā)生器電路Fig.1 Circuit of the ring wave generator

根據(jù)IEEE C62.41—1991給出的位置類別，振鈴波試驗的電壓等級見表1[11]。

表1 振鈴波試驗的電壓等級Table 1 Experimental voltage level of the ring wave

A類位置表示長支線電路及引出線，B類位置表示饋線、短支線電路及負載中心。圖2給出了A類振鈴波波形，電壓幅值為6 kV。

2 低壓配電線路沖擊模型

圖3給出了TN-C-S配電系統(tǒng)采用壓敏電阻防護分析模型[12]。仿真過程中，在L線與N線間施加沖擊電壓，在L線與N線、N線與PE線間安裝SPD。

圖2 0.5 μs-100 kHz振鈴波Fig.2 0.5 μs-100 kHz ring wave

圖3 TN-C-S配電系統(tǒng)分析模型Fig.3 Analysis model of TN-C-S distribution system

壓敏電阻與負載之間采用電纜連接，電纜型號為單芯聚氯乙烯（PVC）絕緣電纜，電纜電氣參數(shù)通過下式計算[13]：

式中：a為電纜芯線半徑；l為電纜長度，ρ為電纜電阻率。電纜線長度10 m，電纜標稱截面2 mm2，電阻率1.72×10-8Ω·m，相對介電常數(shù)4.5，相對磁導(dǎo)率1。

目前較為常用的壓敏電阻電路模型主要有非線性電阻模型、非線性電感模型、IEEE模型[14]和PG模型[15]。相關(guān)實驗與仿真數(shù)據(jù)[16]表明，P-G模型具有較高的精度且電路模型較為簡單，因此仿真中采用P-G壓敏電阻電路模型，壓敏電阻標稱放電電壓為470 V。

3 仿真分析

3.1 SPD殘壓與通流

圖4給出了振鈴波作用下L-N線間、N-PE線間壓敏電阻殘壓和電流。振鈴波波形分別采用A類6 kV和B類6 kV，接地電阻Rg取4 Ω。

圖4 SPD殘壓與電流Fig.4 SPD residual voltages and currents

由圖4可看出，無論是A類波形還是B類波形，振鈴波作用下L-N線間、N-PE線間電壓均得到較好的抑制，負載設(shè)備及其絕緣均不會遭受過電壓威脅。雖然N-PE線間SPD殘壓遠低于L-N線間SPD殘壓，但仍存在一定電位差，會產(chǎn)生電壓漂移。SPD間通流相差較大，L-N線間SPD最大通流遠大于N-PE線間SPD。由于B類波形的虛擬阻抗較小，B類波形作用下，SPD的殘壓與通流均高于A類。

3.2 沖擊電壓幅值影響

表2給出了L-N線間SPD殘壓與通流隨沖擊電壓幅值變化情況，接地電阻4 Ω。

表2 SPD殘壓隨沖擊電壓幅值變化Table 2 Residual voltages vs impulse voltage amplitudes

由表2可看出，L-N線間SPD的殘壓和通流隨著沖擊電壓幅值的增大而增加，但是B類波形作用下，殘壓增加幅度相對較小。B類波形下，SPD的殘壓和通流均高于A類，因此對SPD防護的威脅也更大。

3.3 SPD接地電阻影響

圖5給出了L-N線間殘壓隨接地電阻變化情況，沖擊電壓幅值6 kV。

圖5 SPD殘壓隨接地電阻變化Fig.5 SPD residual voltages vs grounding resistance

由圖5可看出，無論是A類還是B類波形，L-N線間SPD的殘壓隨著接地電阻的增加而增大50 Ω接地電阻情況下，B類波形沖擊后SPD殘壓為1209V，超過了I類電壓保護水平1.2 kV[17]，不能為負載設(shè)備提供有效過電壓防護。

3.4 失效概率

由于振鈴波沖擊持續(xù)時間為μs量級，大量能量迅速注入壓敏電阻，局部熱量不能及時向外傳遞，因此沖擊作用可以看作絕熱升溫過程。大量熱量積累導(dǎo)致壓敏電阻內(nèi)部晶粒熱導(dǎo)率的下降，部分熱導(dǎo)性能較差的晶界由熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入熱不平衡狀態(tài)，晶界區(qū)電荷量產(chǎn)生變化，最終可能引起壓敏電阻破裂破壞。

通過比較壓敏電阻吸收能量Es是否超過其能量閾值ER來判斷壓敏電阻是否失效。計算中壓敏電阻能量閾值取3 840 J[18]。壓敏電阻吸收的能量Es計算如下：

式中，u（t）和i（t）分別為流經(jīng)壓敏電阻的電壓和電流。

壓敏電阻超過其能量閾值后的累積失效概率函數(shù)服從威布爾分布[18]：

由于N-PE線間SPD承受的殘壓和通流幅值較小，主要考慮L-N線間SPD的失效概率。圖6給出了L-N線間SPD失效概率隨沖擊電壓幅值變化情況，接地電阻4 Ω。

從圖6可以看出，L-N線間SPD失效概率隨著沖擊電壓幅值的增加而增大。B類波形作用下，SPD失效概率的變化尤為明顯。當(dāng)沖擊電壓達10 kV時，B類波形作用下，SPD失效概率超過了10%。殘壓持續(xù)時間過長和熱量來不及向外泄散是導(dǎo)致較高失效概率的原因。

圖7給出了L-N線間SPD失效概率隨接地電阻變化情況，沖擊電壓幅值6 kV。

圖6 失效概率隨沖擊電壓幅值變化Fig.6 Failure probability vs impulse voltage amplitudes

圖7 失效概率隨接地電阻變化Fig.7 Failure probability vs grounding resistance

從圖7可以看出，L-N線間SPD失效概率隨著接地電阻的增加而增大。B類波形作用下，SPD失效概率明顯高于A類，且這種趨勢隨著接地電阻增大愈發(fā)明顯。這主要是由于B類波形作用導(dǎo)致的SPD通流受接地電阻影響較大。因此，為了確保SPD的防護效果，需要盡可能降低SPD的接地電阻。

4 結(jié)論

利用EMTP軟件搭建0.5 μs-100 kHz振鈴波發(fā)生電路，模擬真實雷電過電壓，對低壓配電系統(tǒng)SPD防護效果進行分析，得到結(jié)論如下：

1）TN-C-S配電系統(tǒng)中，在L線與N線、N線與PE線間安裝SPD時，振鈴波沖擊下電路殘壓能夠得到較好的抑制，且L-N線間SPD殘壓和通流遠大于N-PE線間SPD。

2）L-N線間SPD的殘壓隨著沖擊電壓幅值、接地電阻的增大而增加，B類波形作用下，SPD的殘壓與通流均高于A類。

3）L-N線間SPD失效概率均隨著沖擊電壓幅值和接地電阻的增加而增大，B類波形作用下，SPD失效概率要高于A類。

參考文獻：

[1]吳廣寧，曹曉斌，李瑞芳.過電壓防護的理論與技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2]李祥超.電涌保護器（SPD）原理與應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2011.

[3]杜志航，楊仲江，姜山，等.基于限壓型電涌保護器能量配合的分析[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.

[4]姜輝，劉全楨，劉寶全，等.低壓配電系統(tǒng)電涌保護器能量配合研究[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.

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

[6]段振中，柴健，朱傳林.限壓型低壓電涌保護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.

[7]蔡力，王建國，周蜜，等.一次近距離自然閃電輸電線路感應(yīng)電壓觀測[J].高電壓技術(shù)，2013，39（4）：1000-1008.CAI Li，WANG Jianguo，ZHOU Mi，et al.Observation of induced voltage on power lines under a nearby natural lightning[J].High Voltage Engineering，2013，39（4）:1000-1008.

[8]SHIN H K，KIM D S，CHUNG Y K，et al.Energy coordina?tion of ZnO varistor based SPDs in surge current due to di?rect lightning flashes[C]

[9]Surge arresters Part 2:Metal-oxide surge arresters without gaps for AC system：IEC Standard 60099-4[S].2001.

[10]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.

[11]余志勇，劉光斌.振鈴波抗擾度試驗的發(fā)展及應(yīng)用分析[C]第十五屆全國電磁兼容學(xué)術(shù)會議論文集.廣州，2005.

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

[13]?kuletiS，RaduloviV.Analysis of surge protection per?formance in low-voltage AC systems with capacitive load[C].Universities Power Engineering Conference.IEEE，2010:1-6.

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

[15]PINCETI P，GIANNETTONI M.A simplified model for Zinc oxide surge arresters[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1999，14（2）:393-398.

[16]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-EMTP[J].Insulators and Surge Arresters，2014（5）:66-70.

[17]Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-selection and applications principles：IEEE 61643-12[S].2011.

[18]SHARIATINASAB R，AJRI F，DAMAN-KHORSHID H.Probabilistic evaluation of failure risk of transmission line surge arresters caused by lightning flash[J].IET Genera?tion Transmission&Distribution，2014（8）:193-202.