磁環(huán)在并聯(lián)型兩級(jí)壓敏電阻中的應(yīng)用

劉曉康，張雨奇，嵇建飛，馬振國(guó)，張衛(wèi)東

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司,江蘇 常州 213003; 2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司,江西 南昌 330069; 3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 210000; 4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

0 引言

換流站二次系統(tǒng)的更新迭代將許多新技術(shù)、新設(shè)備引入實(shí)際工程建設(shè)中。同時(shí)，換流站內(nèi)復(fù)雜、惡劣的電磁環(huán)境對(duì)現(xiàn)有二次傳導(dǎo)抗干擾措施的有效性提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。2015年，某特高壓換流站因雷擊造成直流分壓器二次測(cè)量部分失效[1]。2017年，某特高壓換流站因交流濾波器場(chǎng)開關(guān)故障導(dǎo)致保護(hù)小室內(nèi)多塊二次板卡損壞[2]。追溯事故原因，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的傳導(dǎo)抗干擾措施存在缺陷。浪涌保護(hù)器應(yīng)用于工程之后，對(duì)傳導(dǎo)干擾的防護(hù)效果未能符合預(yù)期。由此可見，浪涌保護(hù)器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的有效性需結(jié)合工程實(shí)際情況。同時(shí)，針對(duì)多級(jí)配合的浪涌保護(hù)器防護(hù)設(shè)計(jì)還需全面考慮各元件之間的電氣參數(shù)，以及級(jí)間退耦阻抗的選取方法[3]。

磁環(huán)是電子電路中常用的抗干擾元件，對(duì)于瞬態(tài)電壓有很好的抑制作用。磁環(huán)在電路正常工作時(shí)，等效阻抗接近于零，對(duì)正常工作信號(hào)無(wú)影響；當(dāng)高頻瞬態(tài)騷擾入侵時(shí)，磁環(huán)等效阻抗增大，將損耗騷擾信號(hào)能量、抑制瞬態(tài)電壓[4]。武超飛在研究磁環(huán)應(yīng)用于二次電纜的騷擾抑制效果時(shí)，比較了磁環(huán)材料、磁環(huán)數(shù)量以及不同類型磁環(huán)組合方式對(duì)瞬態(tài)磁導(dǎo)騷擾抑制效果的影響[5]。

金屬氧化物電阻器(metal oxide varistor， MOV)應(yīng)用于浪涌保護(hù)時(shí)多為壓敏電阻，其伏安特性表現(xiàn)為非線性[6]。當(dāng)瞬態(tài)電壓入侵時(shí)，壓敏電阻的阻值迅速減小，支路電流增大，泄放浪涌能量，從而對(duì)后級(jí)電路起保護(hù)作用[7]。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，由于騷擾波形和前后端接的特性存在差異，兩級(jí)壓敏電阻不一定按預(yù)期的次序?qū)āＦ浜蠊窃械姆雷o(hù)設(shè)計(jì)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)[8-9]。

研究結(jié)果表明，并聯(lián)型兩級(jí)MOV在使用過(guò)程中漸漸配合失效的成因多是退耦元件自身老化所引發(fā)的電氣性能下降[10]。而分析并聯(lián)型兩級(jí)MOV的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)可知，電感和電阻是常見的退耦元件。因此，為更好地抑制二次傳導(dǎo)騷擾、提高退耦元件在使用過(guò)程中的可靠性，本文研究將磁環(huán)作為退耦元件應(yīng)用在兩級(jí)壓敏電阻之間的可行性。

1 并聯(lián)型兩級(jí)MOV配合機(jī)理及仿真分析

并聯(lián)型兩級(jí)MOV是將兩個(gè)具有不同電氣參數(shù)的壓敏電阻在電路設(shè)計(jì)上形成并聯(lián)回路，以提高前級(jí)壓敏電阻的導(dǎo)通泄流、降低后級(jí)壓敏電阻的動(dòng)作殘壓。在整體設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮壓敏電阻元件自身動(dòng)作特性的差異，針對(duì)不同的前后端接應(yīng)用環(huán)境合理選擇兩級(jí)壓敏電阻的電氣參數(shù)，從而滿足保護(hù)特性的需求，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)型兩級(jí)MOV的有效配合。

并聯(lián)型兩級(jí)MOV配合保護(hù)電路如圖1所示。

圖1 并聯(lián)型兩級(jí)MOV配合保護(hù)電路

圖1中:Ig為模擬瞬態(tài)騷擾的發(fā)生器，輸出的電流波形為斜角波；前級(jí)壓敏電阻MOV1和后級(jí)壓敏電阻MOV2的阻抗為Z1、Z2；負(fù)荷阻抗為Z；兩級(jí)壓敏電阻之間的線路電纜長(zhǎng)度為l，每單位長(zhǎng)度Δl的電纜對(duì)應(yīng)電感為L(zhǎng)0。

對(duì)于斜角波電流Ig，有:

Ig=αt

(1)

式中:α為浪涌陡度；t為電流持續(xù)時(shí)間。

為求解電路各支路分流，利用拉普拉斯變換，可得:

(2)

式中:I1為MOV1上流過(guò)的電流。

將所得的結(jié)果從復(fù)數(shù)域變換到時(shí)域,可得:

(3)

式中:ΔU為線路壓降。

由式(3)可知，在斜角波電流浪涌作用下，兩級(jí)壓敏電阻之間的線路壓降和浪涌電流的陡度、電纜電感參數(shù)(單位電感一定條件下，即電纜長(zhǎng)度)兩者密切相關(guān)，隨之同比例增大?？紤]到不同類型的傳導(dǎo)騷擾浪涌陡度相差較大，當(dāng)浪涌陡度和級(jí)間阻抗同時(shí)較小時(shí)，線路壓降將不滿足并聯(lián)型兩級(jí)MOV正常配合的條件，前后級(jí)壓敏電阻在導(dǎo)通次序和能量分配上與預(yù)期出現(xiàn)差異；而考慮正常工況條件下工作電壓信號(hào)的傳輸問(wèn)題，又不宜將級(jí)間阻抗設(shè)計(jì)過(guò)大，否則會(huì)使電路在日常運(yùn)行中產(chǎn)生過(guò)多損耗。因此，為實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓敏電阻的有效配合，可以考慮在前后級(jí)壓敏電阻之間串聯(lián)退耦電感。

為研究退耦電感在并聯(lián)設(shè)計(jì)中的作用，通過(guò)仿真的方法進(jìn)行了研究，對(duì)比有無(wú)退耦電感對(duì)前后級(jí)壓敏電阻配合時(shí)導(dǎo)通次序、分流情況的影響。仿真電路中，以重復(fù)頻率100 kHz的群脈沖為干擾源，將被保護(hù)側(cè)后級(jí)電路視作大小為50 Ω的負(fù)載，并聯(lián)支路所采用的兩級(jí)壓敏電阻MOV1、MOV2。MOV1和MOV2的壓敏電壓(壓敏電阻流通電流為1 mA時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓)參數(shù)分別設(shè)定為120 V、47 V。

負(fù)載電阻兩端的電壓仿真波形如圖2所示。圖2仿真對(duì)比了有、無(wú)退耦電感(8 μH)兩種情況下，群脈沖騷擾傳導(dǎo)至末端負(fù)載時(shí)電阻上耦合的暫態(tài)電壓波形。分析圖2中的兩條電壓波形可知：在無(wú)退耦電感條件下，末端負(fù)載支路所耦合的瞬態(tài)電壓上升沿為20 ns，電壓峰值為71 V；有退耦電感條件下，末端負(fù)載支路所耦合的瞬態(tài)電壓的上升沿為178 ns，電壓峰值為59 V。由兩組數(shù)據(jù)可知，退耦電感的存在使得負(fù)載電阻兩端騷擾電壓的上升速率、殘壓峰值減小，提升了騷擾抑制效果。

圖2 負(fù)載電阻兩端的電壓仿真波形

兩級(jí)MOV的仿真分流對(duì)比如圖3所示。

圖3 兩級(jí)MOV的仿真分流對(duì)比

前后級(jí)壓敏電阻在同一電氣參數(shù)不變、只改變級(jí)間退耦電感的有無(wú)時(shí)，前級(jí)壓敏電阻MOV1和后級(jí)壓敏電阻MOV2所在支路的脈沖電流分流大小有顯著差異。圖3(a)中，兩級(jí)壓敏電阻并聯(lián)配合時(shí)，后級(jí)壓敏電阻的壓敏電壓閾值較低，因而先一步動(dòng)作，支路阻值迅速減小，脈沖分流能力提高。相比前級(jí)壓敏電阻，后級(jí)壓敏電阻主要承擔(dān)了泄放浪涌能量的作用，并未實(shí)現(xiàn)并聯(lián)型兩級(jí)MOV之間的有效配合。而在圖3(b)中，兩級(jí)壓敏電阻之間串聯(lián)入退耦電感，在浪涌入侵時(shí)可增大級(jí)間壓降。這使得兩級(jí)壓敏電阻處于不同的外加電壓水平下，有利于前級(jí)壓敏電阻的深度導(dǎo)通，減小后級(jí)壓敏電阻的脈沖分流，并降低負(fù)載電阻兩端殘壓。

2 并聯(lián)型兩級(jí)MOV群脈沖試驗(yàn)及選取方法

群脈沖試驗(yàn)電路如圖4所示。

圖4 群脈沖試驗(yàn)電路示意圖

兩級(jí)壓敏電阻并聯(lián)時(shí)，兩級(jí)壓敏電阻分工不同。前級(jí)壓敏電阻MOV1在并聯(lián)設(shè)計(jì)中主要承擔(dān)的是泄放脈沖能量，盡可能多地提高支路分流；后級(jí)壓敏電阻MOV2則偏向于保護(hù)后級(jí)電路，對(duì)抑制耦合至負(fù)載兩端的瞬態(tài)電壓發(fā)揮更大作用?；谝陨夏康?，設(shè)計(jì)之初前、后級(jí)壓敏電阻的電氣參數(shù)、動(dòng)作特性不同。兩級(jí)壓敏電阻配合失效的主要原因往往是中間退耦元件電氣性能的下降，且上一節(jié)的電路仿真分析的結(jié)果表明退耦電感的存在對(duì)于兩級(jí)MOV有效配合可產(chǎn)生較大影響。因此，本文在試驗(yàn)中考慮外加磁環(huán)對(duì)瞬態(tài)電壓分量所等效電感的作用。

試驗(yàn)中瞬態(tài)騷擾由群脈沖發(fā)生器激勵(lì)產(chǎn)生，所輸出脈沖波形的主要能量在20 MHz以下。群脈沖試驗(yàn)所用磁環(huán)為夾扣式磁環(huán)，對(duì)應(yīng)型號(hào)為ZCAT2032-9030(TDK)。該磁環(huán)在1～100 MHz的頻率范圍之間等效阻抗非線性增大，由20 Ω增大至150 Ω。

頻率0～20 MHz范圍內(nèi)Z8μH/ZZCAT如圖5所示。

圖5 頻率0～20 MHz范圍內(nèi)Z8μH/ZZCAT

為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)型兩級(jí)MOV在實(shí)際應(yīng)用中的有效配合，壓敏電阻的級(jí)間阻抗不宜小于5 m的二次電纜的等效阻抗(忽略高頻分量下的電阻參數(shù)，其電感參數(shù)約為8 μH)[11]。由圖5可知，在0～20 MHz范圍內(nèi)，8 μH電感電抗與外加ZCAT磁環(huán)所測(cè)得的等效阻抗兩者比值隨頻率升高而增大，最大值為10。因此，為滿足磁環(huán)等效阻抗的條件，在采用ZCAT磁環(huán)時(shí)可進(jìn)行適當(dāng)繞制，以增大等效阻抗。

(4)

式中:N為磁環(huán)繞線匝數(shù)；Z8μH為8 μH電感阻抗；ZZCAT為單匝繞線的ZCAT磁環(huán)等效阻抗。

負(fù)載電阻兩端電壓試驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 負(fù)載電阻兩端電壓試驗(yàn)波形

為對(duì)比磁環(huán)作為退耦元件存在的影響，試驗(yàn)中采用了三種方案(無(wú)退耦磁環(huán)，有退耦磁環(huán)和只有磁環(huán))。比較圖6中的三條電壓波形可知，有退耦磁環(huán)時(shí)，并聯(lián)型兩級(jí)MOV對(duì)脈沖騷擾的抑制效果最好，耦合至末端負(fù)載上的瞬態(tài)電壓最大值衰減為64 V。分析原因，磁環(huán)引入兩級(jí)壓敏電阻之間增大級(jí)間壓降，使得前級(jí)壓敏電阻得以先導(dǎo)通、支路分流能力提高，后級(jí)壓敏電阻兩端的瞬態(tài)電壓減小，提高了對(duì)脈沖騷擾的抑制效果。此外，通過(guò)對(duì)比只有磁環(huán)(瞬態(tài)電壓最大值為156 V)或無(wú)退耦磁環(huán)(瞬態(tài)電壓最大值為346 V)的騷擾電壓波形可以看出，單獨(dú)采用磁環(huán)雖然也可以抑制騷擾電壓峰值，但騷擾能量泄放過(guò)程較長(zhǎng)；而采用無(wú)退耦磁環(huán)的兩級(jí)壓敏電阻時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓存在峰值較大的瞬態(tài)脈沖。

兩級(jí)MOV的試驗(yàn)分流對(duì)比如圖7所示。試驗(yàn)對(duì)比了有無(wú)外加磁環(huán)作為退耦元件時(shí)前后級(jí)壓敏電阻的分流情況。圖7(a)中，在兩級(jí)壓敏電阻之間無(wú)外加磁環(huán)條件下，前后級(jí)壓敏電阻所在支路的分流大小極為接近，表明兩者分流能力并無(wú)較大差異。由圖7(b)可知,磁環(huán)等效阻抗上的分壓使得前后級(jí)壓敏電阻兩端電壓上升速率不同，前級(jí)壓敏電阻MOV1的外加電壓提前達(dá)到動(dòng)作閾值，壓敏電阻先一步導(dǎo)通泄流；而后級(jí)壓敏電阻MOV2由于磁環(huán)等效阻抗使得脈沖電壓的陡度減小，導(dǎo)通后兩端電壓峰值減小，所在支路脈沖分流的最大值衰減。

圖7 兩級(jí)MOV的試驗(yàn)分流對(duì)比

并聯(lián)型兩級(jí)MOV群脈沖試驗(yàn)結(jié)果表明：合理選擇作為退耦元件的磁環(huán)材料和繞線匝數(shù)，可有效降低被保護(hù)負(fù)載兩端騷擾電壓峰值、增大前后級(jí)壓敏電阻的分流比。因此，外加磁環(huán)作為退耦元件加裝在并聯(lián)型兩級(jí)MOV之間可協(xié)助兩級(jí)壓敏電阻實(shí)現(xiàn)次序?qū)ā⒛芰颗浜稀?/p>

由仿真和試驗(yàn)結(jié)果可知，在并聯(lián)設(shè)計(jì)中，后級(jí)壓敏電阻的功能是保護(hù)后級(jí)電路，對(duì)抑制耦合至負(fù)載兩端的瞬態(tài)電壓發(fā)揮更大作用。 因此，MOV2的壓敏電壓應(yīng)滿足在系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓及允許波動(dòng)范圍內(nèi)不誤動(dòng)。對(duì)于MOV1而言，為在瞬態(tài)電壓入侵時(shí)實(shí)現(xiàn)自身的深度導(dǎo)通、提高泄放浪涌能量的能力，應(yīng)在滿足通流需求的前提下適當(dāng)降低其壓敏電壓。但MOV1的動(dòng)作閾值仍應(yīng)比MOV2的動(dòng)作閾值要更大。此外，MOV1的壓敏電壓的選擇上限應(yīng)考慮外加磁環(huán)在瞬態(tài)條件下的壓降，不應(yīng)大于磁環(huán)壓降和MOV2的閾值電壓之和。對(duì)于作為中間退耦元件存在的外加磁環(huán)，由于材料特性其磁導(dǎo)率會(huì)隨頻率增大而非線性衰減，在設(shè)計(jì)之初應(yīng)使得磁環(huán)阻抗的最小值大于8 μH電感電抗。此外，考慮到磁飽和，正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)的工況電流所激勵(lì)的磁通應(yīng)遠(yuǎn)小于磁環(huán)飽和值。

3 結(jié)論

本文首先以斜角波電流浪涌為騷擾源，分析了兩級(jí)壓敏電阻在保護(hù)電路中的配合機(jī)理，指出級(jí)間壓降的大小會(huì)影響壓敏電阻之間的有效配合；然后，通過(guò)仿真對(duì)比了有無(wú)退耦元件對(duì)并聯(lián)型兩級(jí)MOV抑制效果影響；最后，通過(guò)搭建以外加磁環(huán)作為退耦元件的并聯(lián)型兩級(jí)MOV群脈沖試驗(yàn)電路，開展試驗(yàn)研究磁環(huán)作為級(jí)間退耦元件方案的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，合理地選擇作為退耦元件的磁環(huán)材料和繞線匝數(shù)，可有效降低被保護(hù)負(fù)載兩端騷擾電壓峰值、提高兩級(jí)壓敏電阻的分流比。

本文基于仿真和試驗(yàn)結(jié)論，提出了磁環(huán)作為退耦元件應(yīng)用在兩級(jí)壓敏電阻中間時(shí)，前后級(jí)壓敏電阻壓敏電壓和磁環(huán)繞線匝數(shù)的選擇方法，可為后續(xù)研究或相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。