組合波作用下負(fù)載性質(zhì)對(duì)電涌保護(hù)器配合影響研究

陳曉聰，冉軍德，謝 怡，楊雪松，唐 娟

（1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400014）

0 引言

雷電浪涌是影響低壓配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要威脅之一[1]，電涌保護(hù)器（SPD）是抑制雷電過電壓的重要設(shè)備，其中尤以氧化鋅壓敏電阻應(yīng)用最為廣泛[2]。SPD的選用取決于可能遭受的浪涌電壓和浪涌電流及防護(hù)設(shè)備的絕緣耐壓。為了確保對(duì)設(shè)備的有效防護(hù)，SPD往往還采用兩級(jí)或多級(jí)配合保護(hù)方式[3]。

目前關(guān)于SPD的相關(guān)配合研究較為成熟，包括具體配合方式[4]、能量配合機(jī)理[5]、有效保護(hù)距離[6]等方面。但是目前SPD配合研究沒有考慮不同負(fù)載性質(zhì)對(duì)SPD前后級(jí)配合的影響，缺乏全面分析。GB18802.1—2011等相關(guān)規(guī)范[7-8]規(guī)定，針對(duì)SPD的性能測(cè)試必須采用組合波沖擊，因此，分析組合波作用下負(fù)載性質(zhì)對(duì)電涌保護(hù)器配合影響具有重要的價(jià)值。

本文利用PSCAD軟件[9]搭建組合波發(fā)生電路，采用IEEE推薦的氧化鋅壓敏電阻等效模型，分析阻性、容性、感性負(fù)載幅值對(duì)負(fù)載過電壓的影響，討論負(fù)載性質(zhì)對(duì)前后級(jí)SPD電流分流比與吸收能量的影響，為SPD的配合及設(shè)備的浪涌防護(hù)提供相關(guān)參考。

1 組合波發(fā)生電路

根據(jù)IEEE相關(guān)規(guī)范[10]給出的定義，組合波開路電壓波形為1.2/50 μs，短路電流波形為8/20 μs，開路電壓和短路電流幅值之比（虛擬阻抗）為2 Ω。判斷沖擊波形是否屬于振蕩波可通過其波尾時(shí)間tt與波頭時(shí)間tf比值[11]，沖擊電壓波形的波尾時(shí)間tt/tf＜3.5，則其屬于振蕩波，反之為非振蕩波；沖擊電流波形的tt/tf＜3.8，則其屬于振蕩波。因此，1.2/50-8/20 μs組合波屬于非振蕩波電壓、振蕩波電流。

組合波浪涌信號(hào)發(fā)生器電路見圖1。

圖1 組合波浪涌發(fā)生電路Fig.1 Circuit of a CWG

根據(jù)圖1電路，列出電路方程，再進(jìn)行拉氏變換，得到開路電壓為

逆變換成時(shí)域公式為

短路電流為

逆變換成時(shí)域公式為

式中：

根據(jù)組合波波形參數(shù)，可以確定α、β、ω、δ的取值[12-13]，從而求解出R1、R2、R3、L。圖2給出了組合波波形，開路電壓波幅值6 kV，短路電流波幅值3 kA。

圖2 組合波波形Fig.2 Voltage and current surge waveforms for combination wave

2 試驗(yàn)電路模型

圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的組合波沖擊試驗(yàn)電路模型。前后級(jí)SPD、SPD與負(fù)載之間均采用電纜連接，前后級(jí)SPD間電纜長(zhǎng)度取10 m，SPD與負(fù)載間電纜長(zhǎng)度取1 m。電纜采用PVC絕緣電纜[14]，標(biāo)稱截面為2.5 mm2，相關(guān)的電氣參數(shù)：R=0.007 28 Ω/m，L=0.316 μH/m，C=0.13 nF/m。

圖3 試驗(yàn)電路模型Fig.3 Experimental circuits

前后級(jí)SPD均采用氧化鋅壓敏電阻，IEEE壓敏電阻模型[15]適用波頭時(shí)間范圍較寬，精確度高于傳統(tǒng)的非線性電阻模型和非線性電感模型[16]。IEEE模型壓敏電阻等值電路圖見圖4。

在IEEE模型中，SPD的限壓特性主要通過非線性電阻A1和A2體現(xiàn)，L0是構(gòu)成內(nèi)外部磁場(chǎng)的電感，R0是用來抑制數(shù)值振蕩的電阻，C是壓敏電阻固有電容，L1、R1構(gòu)成低通濾波器[15]。組合波作用下，SPD宜采用高低配合方式[4]，仿真中前級(jí)SPD參考電壓U1mA取750 V，10 kA雷電流沖擊下殘壓為1 240 V，后級(jí)SPD參考電壓U1mA取510 V，10 kA雷電流沖擊下殘壓為845 V。

圖4 IEEE推薦的MOA模型Fig.4 MOA model recommended by IEEE

3 仿真結(jié)果分析

3.1 負(fù)載過電壓

圖5給出了不同阻性負(fù)載、容性負(fù)載、感性負(fù)載幅值下負(fù)載端過電壓波形。

圖5 不同負(fù)載下過電壓波形Fig.5 Overvoltage across EUT with different types of loads

由圖5可看出，阻性負(fù)載和容性負(fù)載對(duì)負(fù)載端過電壓數(shù)值影響不大，感性負(fù)載對(duì)負(fù)載端過電壓數(shù)值影響較大。容性負(fù)載對(duì)負(fù)載端過電壓波形有很大影響，電容幅值越小，過電壓波形振蕩越明顯。容性負(fù)載條件下，組合波能量在負(fù)載和沖擊源之間來回振蕩，同時(shí)電纜存在一定電阻，形成衰減振蕩電壓波形[17]。

根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)規(guī)程[18]，380 V配電線路對(duì)地過電壓倍數(shù)是4，幅值1.52 kV。負(fù)載端過電壓限制在1.52 kV以內(nèi)，則能保證設(shè)備的正常工作?？梢钥闯觯淖冏栊?、容性和感性負(fù)載的取值，負(fù)載端過電壓均為超過1.52 kV，設(shè)備能夠得到較好的保護(hù)，SPD配合取得良好的效果。

3.2 前后級(jí)SPD分流比

圖6給出了不同負(fù)載性質(zhì)下前后級(jí)SPD電流分流比，分流比=流過前級(jí)SPD電流峰值/流過后級(jí)SPD電流峰值。

圖6 不同負(fù)載下前后級(jí)SPD分流比Fig.6 Split ratio of pre and post stage SPDs with different types of loads

由圖6可看出，3種負(fù)載下，前后級(jí)SPD分流比均隨著負(fù)載幅值的增加而降低。容性負(fù)載下，分流比的變化幅度最小，阻性負(fù)載次之，感性負(fù)載變化幅度最大，但最后分流比變化幅度都趨于穩(wěn)定。前后級(jí)SPD分流比受電纜長(zhǎng)度影響非常大，前后級(jí)SPD間連接電纜長(zhǎng)度為100 m時(shí)，分流比遠(yuǎn)大于連接電纜長(zhǎng)度為10 m時(shí)分流比。由于電纜阻抗和SPD阻抗不匹配，引起沖擊波在SPD間來回折反射產(chǎn)生振蕩，電纜越長(zhǎng)，后級(jí)等效阻抗越大，前級(jí)SPD分的電流幅值越大，分流比差異也越明顯。

3.3 前后級(jí)SPD吸收能量

合理的SPD兩級(jí)配合需要確保合適的前后級(jí)能量吸收比，SPD吸收的能量計(jì)算如下：

式中：i（t）為流經(jīng)SPD的瞬時(shí)電流；u（t）為SPD兩端瞬時(shí)電壓。圖7給出了不同負(fù)載下前后級(jí)SPD吸收能量曲線。

圖7 不同負(fù)載下前后級(jí)SPD吸收能量Fig.7 Energy absorbed by pre and post stage SPDs with different types of loads

從圖7可看出，不同負(fù)載對(duì)SPD吸收能量影響較大。感性負(fù)載下，前后級(jí)SPD吸收能量相差較大，阻性負(fù)載次之，容性負(fù)載最小。表1給出了不同負(fù)載取值下前后級(jí)SPD能量吸收比。

表1 不同負(fù)載下前后級(jí)SPD能量吸收比Table 1 Absorbed energy ratioof pre and post SPDs with different types of loads

通過表1可知，隨著不同負(fù)載幅值的增大，前后級(jí)SPD能量吸收比均增加，感性負(fù)載能量吸收比增加幅度最大，阻性負(fù)載次之，容性負(fù)載最小。SPD兩級(jí)配合的原則是前級(jí)泄放大電流，后級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步限壓[19]。感性負(fù)載下，前后級(jí)能量吸收比最高超過了100，前級(jí)SPD吸收了過多的能量，極易導(dǎo)致失效概率增加。阻性負(fù)載和容性負(fù)載的能量吸收比較小，SPD配合效果較好。

4 結(jié)論

利用PSCAD軟件搭建組合波發(fā)生電路，分析負(fù)載性質(zhì)對(duì)于SPD配合特性的影響，得到如下結(jié)論：

1）阻性負(fù)載和容性負(fù)載對(duì)負(fù)載端過電壓數(shù)值影響不大，感性負(fù)載對(duì)負(fù)載端過電壓數(shù)值影響較大。電容幅值越小，負(fù)載端過電壓波形振蕩越明顯。

2）前后級(jí)SPD分流比隨著阻性負(fù)載、容性負(fù)載、感性負(fù)載幅值的增加而降低。分流比受連接電纜長(zhǎng)度影響非常大，連接電纜越長(zhǎng)，分流比越高。

3）不同負(fù)載對(duì)前后級(jí)SPD能量吸收影響較大，隨著負(fù)載幅值的增大，前后級(jí)SPD能量吸收比均有所增加。阻性負(fù)載和容性負(fù)載下，SPD配合能夠取得較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳廣寧.過電壓防護(hù)的理論與技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

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

[3]張棟，傅正財(cái)，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(bào)，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]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.

[7]李祥超，徐曉培，董昌鑫，等.分布式控制系統(tǒng)電涌保護(hù)器設(shè)計(jì)方法的研究[J].電瓷避雷器，2016（6）：120-125.LI Xiangchao，XU Xiaopei，DONG Changxin，et al.Study on design method of DCS's surge protection device[J].Insu?lators and Surge Arresters，2016（6）:120-125.

[8]中國(guó)電信集團(tuán)公司（廣州研究院）、廣東天樂通信設(shè)備有限公司.電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法：GB/T 3482-2008[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

[9]李學(xué)生.PSCAD建模與仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[10]IEEE recommended practice on characterization of surges in low-voltage（1000 V and less）AC power circuits：C62.41.2-2002[S].2003.

[11]劉亮，張貴新，朱志杰，等.綜合波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及其參數(shù)選取[J].高電壓技術(shù)，2007，33（1）：123-127.LIU Liang，ZHANG Guixin，ZHU Zhijie，et al.Design of combined wave generator by using Universal variable method[J].High Voltage Engineering，2007，33（1）:123-127.

[12]CAROBBI C F M B A，ideal equivalent circuit model of the 1.2/50-8/20 μs combination wave generator[J].IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine，2013（4）:51-57.

[13]楊仲江，徐樂，李祥超，等.1.2/50 μs，8/20 μs組合波發(fā)生器的研制[J].電瓷避雷器，2013（5）：58-65.YANG Zhongjiang，XU Le，LI Xiangchao，et al.Develop?ment of 1.2/50 μs and 8/20 μs combination wave genera?tor[J].Insulators and Surge Arresters，2013（5）:58-65.

[14]?KULETIS，RADULOVIV.Analysis of surge protec?tion performance in low-voltage AC systems with capaci?tive load[C].Universities Power Engineering Conference.IEEE，2010:1-6.

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

[16]王榮珠，張?jiān)品?，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]RADULOVIC V，MUJOVIC S，MILJANIC Z.Characteris?tics of overvoltage protection with cascade application of surge protective devices in Low-Voltage AC power circuits[J].Advances in Electrical and Computer Engineering，2015，15（3）:153-160.

[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]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].2014 International Conference on Lightning Protection（ICLP），2014:136-140.