標(biāo)準(zhǔn)振蕩波作用下負(fù)載性質(zhì)對電涌保護(hù)器防護(hù)影響的研究

李麗榮，孔維功，李立君

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北邢臺(tái) 054035）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷電過電壓對電力、電子系統(tǒng)的危害也日益嚴(yán)重[1]。電涌保護(hù)器（SPD）是抑制雷電過電壓的關(guān)鍵設(shè)備，其中又以氧化鋅壓敏電阻最為常用[2]。目前針對SPD的雷電防護(hù)研究較為成熟，涉及了具體保護(hù)機(jī)理[3]、兩級和多級配合保護(hù)方式[4-6]、有效保護(hù)距離[7-8]、負(fù)載性質(zhì)影響[9-10]等多方面，但是現(xiàn)有研究大多是針對8/20 μs、10/350μs沖擊電流源或1.2/50～8/20μs組合波波形。

實(shí)測線路雷電暫態(tài)過電壓觀測數(shù)據(jù)和人工引雷數(shù)據(jù)[11-12]都表明：雷電暫態(tài)過電壓通常呈衰減振蕩，并且首個(gè)脈沖波頭時(shí)間非常短。采用單脈沖電流源或組合波進(jìn)行SPD防護(hù)分析可能與真實(shí)雷電過電壓波作用存在一定差異。IEEE C62.41—1991[13]推薦采用0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波來模擬真實(shí)雷電暫態(tài)過電壓波形。因此有必要研究標(biāo)準(zhǔn)振蕩波作用下負(fù)載性質(zhì)對SPD防護(hù)特性的影響。

本文通過EMTP軟件[14]搭建標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生電路，采用P-G壓敏電阻等效電路模型，分析單級SPD和兩級SPD防護(hù)下負(fù)載性質(zhì)對被保護(hù)設(shè)備過電壓的影響。最后討論兩種防護(hù)方式下，不同負(fù)載對應(yīng)的有效保護(hù)距離，為標(biāo)準(zhǔn)衰減振蕩波下的SPD防護(hù)提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生電路

根據(jù)IEEE C62.41—1991定義的0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波波形，第1個(gè)波頭時(shí)間為0.5 μs，振蕩頻率為100 kHz，在0.5個(gè)周期內(nèi)幅值衰減至初始峰值的60%以下，圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)振蕩波發(fā)生電路圖。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)生電路Fig.1 Circuit of the standard oscillating wave generator

2 試驗(yàn)電路模型

標(biāo)準(zhǔn)振蕩波沖擊試驗(yàn)電路圖見圖3，主要考慮采用單級SPD防護(hù)和兩級SPD防護(hù)兩種情況。前后級SPD、SPD與負(fù)載之間均采用電纜連接，兩級SPD間電纜長度取5 m，連接電纜采用PVC絕緣電纜[9]，標(biāo)稱截面2.5 mm2，相關(guān)電氣參數(shù)：R=0.007 28 Ω/m，L=0.316 μH/m，C=0.13 nF/m。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)振蕩波波形Fig.2 Waveform of the standard oscillating wave

圖3 沖擊試驗(yàn)電路模型Fig.3 Impulse test circuit model

SPD選用氧化鋅壓敏電阻，目前較為常見的壓敏電阻片模型有非線性電阻模型、非線性電感模型、IEEE模型[15]和P-G模型[16]，IEEE模型和P-G適用的波頭時(shí)間范圍較寬，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[17]較為吻合，但I(xiàn)EEE模型參數(shù)選取較為繁瑣，，因此本文采用P-G模型，圖4給出了P-G模型壓敏電阻等值電路圖。

圖4 P-G壓敏電阻閥片模型Fig.4 P-G model of Zno varistor

在P-G模型中，SPD的限壓特性主要通過非線性電阻A1和A2體現(xiàn)，R0是用來抑制數(shù)值振蕩的電阻，L0表征壓敏電阻片的接線電感，L1是構(gòu)成內(nèi)外部磁場的電感，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)算公式參見相關(guān)文獻(xiàn)[16]。

單級SPD防護(hù)中壓敏電阻參考電壓取750 V，10 kA雷電流沖擊下殘壓為1 240 V，兩級SPD防護(hù)中宜采取高低配合保護(hù)方式[18]，壓敏電阻參考電壓分別取750 V和510 V，對應(yīng)10 kA電流沖擊下殘壓為1 240 V和845 V。

3 仿真分析結(jié)果

3.1 單級SPD防護(hù)

圖5給出了采用單級SPD防護(hù)方式下，不同負(fù)載幅值對被保護(hù)設(shè)備過電壓影響，SPD與負(fù)載間連接電纜長10 m。

圖5 單級防護(hù)下不同負(fù)載對設(shè)備過電壓影響Fig.5 Overvoltage across EUT with different types of loads in one-stage protection

通過圖5可看出，不同的負(fù)載性質(zhì)對被保護(hù)設(shè)備過電壓影響較大。阻性負(fù)載和感性負(fù)載情況下，過電壓隨著負(fù)載幅值的增大而增加，容性負(fù)載下，過電壓隨著負(fù)載幅值的增大而降低。阻性負(fù)載下，雷電波能量消耗很快，過電壓波形衰減較為明顯，感性和容性負(fù)載下，過電壓波形會(huì)出現(xiàn)振蕩，尤其是感性負(fù)載，波形振蕩十分明顯，出現(xiàn)這種振蕩主要是由于負(fù)載阻抗與電纜阻抗不匹配導(dǎo)致[19]。

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)[20]推薦的II類電壓保護(hù)等級對應(yīng)的電壓保護(hù)水平Up為1 500V，雖然單級SPD 10 kA雷電流沖擊下殘壓為1 240V，但感性和容性負(fù)載的過電壓仍然超過了1 500V，可能造成被保護(hù)設(shè)備的損壞。在安裝SPD前，需要首先考慮負(fù)載的性質(zhì)，盡可能避免負(fù)載與線纜之間的振蕩引起的負(fù)載電壓升高。

3.2 兩級SPD防護(hù)

圖6給出了采用兩級SPD防護(hù)方式下，不同負(fù)載幅值對被保護(hù)設(shè)備過電壓影響，SPD與負(fù)載間連接電纜長10 m。

圖6 兩級防護(hù)下不同負(fù)載對設(shè)備過電壓影響Fig.6 Overvoltage across EUT with different types of loads in two-stage protection

通過圖6可以看出，采用兩級SPD防護(hù)方式后，無論是阻性負(fù)載、感性負(fù)載還是容性負(fù)載，被保護(hù)設(shè)備過電壓都能夠得到進(jìn)一步降低，均未超過1 500 V，設(shè)備能夠得到有效保護(hù)。同時(shí)，感性負(fù)載過電壓波形振蕩也得到了較為明顯的抑制。

3.3 有效保護(hù)距離

除了負(fù)載性質(zhì)外，SPD和被保護(hù)設(shè)備之間的距離同樣會(huì)影響被保護(hù)設(shè)備過電壓，因此為了避免被保護(hù)設(shè)備的損壞，SPD與設(shè)備之間存在一個(gè)有效保護(hù)距離。圖7給出了單級和兩級SPD防護(hù)下被保護(hù)設(shè)備過電壓隨SPD與設(shè)備間線纜長度變化情況。

圖7 線纜長度對被保護(hù)設(shè)備過電壓影響Fig.7 Overvoltage across EUT vs length of cable

從圖7可以看出，單級SPD和兩級SPD防護(hù)下，阻性負(fù)載過電壓隨著線纜長度的增加而增大，容性負(fù)載和感性負(fù)載過電壓則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

單級SPD防護(hù)下，如果被保護(hù)設(shè)備電壓保護(hù)水平為II類1.5 kV，阻性負(fù)載有效保護(hù)距離沒有限制，感性負(fù)載有效保護(hù)距離＜5 m或＞50 m，容性負(fù)載有效保護(hù)距離＜4 m或＞60 m；如果被保護(hù)設(shè)備電壓保護(hù)水平為I類1.2 kV，阻性負(fù)載有效保護(hù)距離沒有限制，感性負(fù)載有效保護(hù)距離＜2 m或＞100 m，容性負(fù)載有效保護(hù)距離＜2 m或＞100 m。

兩級SPD防護(hù)下，如果被保護(hù)設(shè)備電壓保護(hù)水平為I類1.2 kV，阻性負(fù)載和感性負(fù)載的有效保護(hù)距離沒有限制，容性負(fù)載有效保護(hù)距離＜3 m或＞100 m。

考慮到連接電纜長度不可能過長，只有當(dāng)電纜長度小于一定數(shù)值時(shí)，才能使感性負(fù)載和容性負(fù)載低于設(shè)備過電壓保護(hù)水平，因此需要重點(diǎn)考慮感性和容性負(fù)載的防護(hù)，如選取參考電壓更低的SPD。

4 結(jié)語

利用EMTP仿真產(chǎn)生0.5 μs-100 kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩波波形，研究了負(fù)載性質(zhì)對SPD防護(hù)的影響，得到結(jié)論如下：

1）負(fù)載幅值對被保護(hù)設(shè)備過電壓數(shù)值影響較大，阻性負(fù)載或感性負(fù)載情況下，過電壓隨著負(fù)載幅值的增大而增加，容性負(fù)載情況下，過電壓隨著負(fù)載幅值的增大而降低。感性負(fù)載過電壓波形振蕩十分明顯。

2）采用兩級SPD防護(hù)方式，能夠進(jìn)一步降低被保護(hù)設(shè)備過電壓，設(shè)備能夠得到較好的保護(hù)，感性負(fù)載過電壓波形振蕩也得到較為明顯的抑制。

3）阻性負(fù)載情況下，被保護(hù)設(shè)備過電壓隨著線纜長度的增加而增大，容性負(fù)載和感性負(fù)載情況下，則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

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