基于沖擊試驗(yàn)的低壓系統(tǒng)SPD有效保護(hù)距離分析研究

李順昕，朱正甲，李巖峰

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

閃電是發(fā)生在大氣層中大氣現(xiàn)象，伴隨著雷電，有聲光電等多種物理現(xiàn)象發(fā)生[1-3]。近年來，人們對雷災(zāi)防護(hù)工作越來越重視，并且人們的防雷認(rèn)識也有顯著提高，電涌保護(hù)器的應(yīng)用越來越廣泛[4]。通過對電源線路和通信系統(tǒng)等雷電入侵路徑加裝SPD，來減輕或阻止雷電對電源、通訊等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的造成的損害[5]。因此，信息通訊系統(tǒng)及各種電子設(shè)備以及建筑物中的電源線路和通訊線路都需要加裝SPD進(jìn)行保護(hù)，來減少雷電造成的損失[6]。秦中勤等在對電涌保護(hù)器對負(fù)載有效性保護(hù)仿真分析研究中發(fā)現(xiàn)，雖然安裝SPD對后續(xù)被保護(hù)設(shè)備可以起到抑制雷電過電壓的作用，但是不一定能夠起到有效的防護(hù)作用[7]。張棟在低壓配電系統(tǒng)SPD保護(hù)和配合的研究中，用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真，線路用分布參數(shù)模型表示，對電阻負(fù)荷來說，負(fù)荷電阻越大，負(fù)荷電壓的振蕩幅度越大，SPD的有效保護(hù)范圍越小[8]。由于每個(gè)國家參照的標(biāo)準(zhǔn)不同，產(chǎn)品的規(guī)格不但沒有一致，參數(shù)的標(biāo)識也各自分別有所側(cè)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他電氣產(chǎn)品的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這就給設(shè)計(jì)選型與實(shí)驗(yàn)研究帶來發(fā)非常大的負(fù)面影響。因此，國外對SPD的研究并不完全適用國內(nèi)研究，參考價(jià)值有限，本文沒有過多涉及。本文實(shí)驗(yàn)使用的浪涌保護(hù)器，為直流電壓（U1mA）選取621V的壓敏電阻SPD（國內(nèi)）[9-13]。

由于電涌保護(hù)器（SPD）安裝在電源線路時(shí)可能對負(fù)載電壓起到抑制作用，而導(dǎo)致SPD無法達(dá)到預(yù)期的有效性保護(hù)[14-16]。本文通過對不同負(fù)載進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，研究負(fù)載與RVVP電纜特性阻抗匹配關(guān)系及波電纜中的折反射現(xiàn)象，分析得出低壓系統(tǒng)SPD的有效保護(hù)距離與負(fù)載性質(zhì)之間的定性關(guān)系。

1 組合波模型簡介

本實(shí)驗(yàn)電壓源使用混合波波形發(fā)生器，當(dāng)混合波波形發(fā)生器的輸出端為理想狀態(tài)時(shí)：開路電壓波為1.2/50 μs，短路電流波為8/20 μs，電壓、電流幅值分別為6 kV、3 kA。SPD選用額定電壓為621 V的壓敏電阻型SPD，電壓保護(hù)水平為1.5 kV。電纜為聚氯乙烯（PVC）混合料鍍錫銅絲編織屏蔽絕緣電纜，芯線直徑2.0 mm，電纜長度分別取3 m、6 m、9 m、13 m、15 m、25 m。而試驗(yàn)所用電阻阻值分別為5 Ω、50 Ω、300 Ω、1 000 Ω。電容采用400 pF、6 300 pF、100 000 pF，電感采用28 μH、60 μH、33 000 μH。實(shí)驗(yàn)中采用的負(fù)載分別為阻性、容性、感性時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1?；旌喜òl(fā)生器模擬雷電流，經(jīng)過浪涌保護(hù)器作用，通過控制變量法，改變電纜長度或負(fù)載特性繼而測量SPD上和負(fù)載上的過電壓，通過定量分析得出結(jié)論。

雖然為簡化分析過程，但在SPD的保護(hù)范圍和配合分析中，常常設(shè)定為理想環(huán)境而忽略線路的電阻值，只是突出主要問題和反映主要的影響因素。但在實(shí)際生活中，SPD連接導(dǎo)線仍然存在一小部分電阻，長的導(dǎo)線由于電阻影響會降低SPD的保護(hù)水平。因此為減小誤差值，達(dá)到最佳的過電壓保護(hù)效果，應(yīng)該使其連接導(dǎo)線保持盡可能短。然而為了深入研究負(fù)載及電纜長度對負(fù)載上過電壓的影響，實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法，即電纜長度不變，測試負(fù)載不同值時(shí)，負(fù)載上的過電壓的變化。隨后改變電纜長度，測量各種負(fù)載條件下的SPD和負(fù)載上過電壓，最后分析不同的特性負(fù)載和電纜長度對SPD保護(hù)性能的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Experimental model

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的沖擊電壓波發(fā)生器，為SJTV-20沖擊電壓波發(fā)生器提供混合波（1.2/50 μs、8/20 μs）來模擬雷電流。沖擊電壓5 kV，運(yùn)用Tektronix TDS 2022B型示波器產(chǎn)生波形，特性阻抗為75 Ω的聚氯乙烯（PVC）混合料鍍錫銅絲編織屏蔽絕緣電纜（RVVP電纜），并選用不同大小的電阻、電容作為負(fù)載。

2.2 電阻負(fù)載對SPD保護(hù)距離的影響

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行殘壓測量時(shí)，電纜首端安裝SPD后，負(fù)載為電阻時(shí)所測得的不同的電纜長度時(shí)，負(fù)載上的殘壓數(shù)據(jù)。分析使用不同長度電纜時(shí)，變化負(fù)載電阻值大小對SPD殘壓的影響，見圖2。

圖2 負(fù)載電阻對SPD殘壓的影響Fig.2 Influence of load resistance on residual voltage of SPD

當(dāng)電纜長度大于10 m，負(fù)載電阻為5 Ω時(shí)，無論電纜的長度是多少，負(fù)載兩端的過電壓峰值都會被限制在1.2 kV以下，并且負(fù)載電阻值與電纜的波阻抗匹配較好，此時(shí)電壓波的折射和反射程度都較小，電纜長度將不會再影響負(fù)載兩端的過電壓水平。當(dāng)負(fù)載電阻為1 000 Ω時(shí)，負(fù)載兩端電壓的變化顯著，當(dāng)電纜的長度超過了沖擊波上升沿的電氣長度的1/2π時(shí)，就需按傳輸線理論思想來思考電纜的特性，而不能再次忽略電纜兩端的折射和反射了。并且隨著電纜長度的不斷增加，SPD和負(fù)載兩端的電壓振蕩將會逐漸加劇。當(dāng)負(fù)載阻抗與電纜阻抗不匹配時(shí)，差值越大，在負(fù)載兩端的電壓振蕩也就越大，負(fù)載兩端過電壓峰值甚至可達(dá)到1.7 kV以上。

以10 m作為標(biāo)準(zhǔn)，電纜長度選6 m和15 m為例，分析阻性負(fù)載殘壓圖（見圖3）。當(dāng)電纜長度小于10 m時(shí)，負(fù)載兩端的電壓波型與SPD兩端的電壓波型基本保持一致狀態(tài)，電壓波型在SPD與負(fù)載之間的折射和反射現(xiàn)象并不明顯，即SPD有效地對負(fù)載的過電壓防護(hù)，起到了保護(hù)的作用。當(dāng)電纜長度大于10 m時(shí)，負(fù)載和SPD兩端的電壓將會開始產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象，且隨著電阻增大，過電壓值也將上升，并且負(fù)載電阻越大，振蕩的幅度越大，而SPD的有效保護(hù)范圍將逐漸減小。

圖3 不同電纜長度下負(fù)載電阻對SPD殘壓的影響Fig.3 Influence of load resistance on SPD residual voltage under different cable lengths

2.3 電容負(fù)載對SPD保護(hù)距離的影響

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行殘壓測量時(shí)，電纜首端安裝SPD后，負(fù)載為電容時(shí)所測得的不同的電纜長度時(shí)，負(fù)載上的殘壓數(shù)據(jù)。分析使用不同長度電纜時(shí)，變化負(fù)載電容值大小對SPD殘壓的影響，見圖4。從圖中可看出，當(dāng)電容值很小，即為6 300 pF時(shí)，負(fù)載兩端的電壓峰值一直保持在1.65 kV以下，并且隨著電纜長度的改變，負(fù)載兩端電壓不斷變化，負(fù)載兩端的電壓峰值變化并不明顯。因而對于小電容的負(fù)載，電纜長度的變化對負(fù)載兩端的電壓不會產(chǎn)生很大的影響，即SPD對其保護(hù)是失效的。

以電纜長度為6 m，15 m為例，容性負(fù)載的殘壓圖見圖5。從圖中可看出，當(dāng)電容增大時(shí)，振蕩電壓的幅值在逐漸減?。划?dāng)負(fù)載電容大于0.1 μF時(shí)，負(fù)載上電壓顯示出迅速下降的趨勢，這一情形可充分說明SPD對大電容的保護(hù)效果會更好，即容性負(fù)載與SPD殘壓成負(fù)相關(guān)。并且可以得到，在電容很大的情況下，電纜長度的不斷增加會導(dǎo)致負(fù)載上的電壓有所上升。

圖4 電容對SPD殘壓的影響Fig.4 Influence of capacitance on SPD residual pressure

圖5 不同電纜長度下負(fù)載電容對SPD殘壓的影響Fig.5 Influence of load capacitance on SPD residual voltage under different cable lengths

從圖5中可明顯看出負(fù)荷電壓的衰減振蕩的過程。主要由于SPD的導(dǎo)通內(nèi)阻并不為零，此時(shí)電阻提供了阻尼衰減作用。而且線路越短，振動幅度越小。這是因?yàn)楫?dāng)SPD安裝時(shí)，距離負(fù)荷越近，保護(hù)效果就越好。

3 結(jié)論

選擇阻性、容性負(fù)載作為研究對象，根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了低壓系統(tǒng)SPD與不同類型負(fù)載和不同電纜長度對保護(hù)效果的影響。主要得出以下結(jié)論：

1）驗(yàn)證了SPD電涌保護(hù)器的有效保護(hù)與負(fù)載性質(zhì)、大小、RVVP電纜長度均有密切的關(guān)系，不論負(fù)載呈阻性或容性，隨著電纜長度的增加，負(fù)載兩端的電壓都會由電壓波的折射和反射振蕩造成電壓變化而加劇，并且在電纜長度大于10 m的條件下，這種現(xiàn)象將更加明顯。

2）當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，電涌保護(hù)器的有效保護(hù)距離與電阻值呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)負(fù)載為電容時(shí)，電涌保護(hù)器的有效保護(hù)距離與電容值呈正相關(guān)。

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