武海軍

（烏海職業(yè)技術學院電力工程系，內(nèi)蒙古烏海016000）

組合波負峰對浪涌防護影響研究

武海軍

（烏海職業(yè)技術學院電力工程系，內(nèi)蒙古烏海016000）

組合波是電涌保護器性能試驗與浪涌抗擾度試驗的必備波形，但是目前IEC和IEEE相關規(guī)范針對組合波的定義存在一定差別，主要在于波形是否存在負峰，因此需要組合波負峰存在與否對浪涌防護的影響。利用EMTP軟件搭建兩種組合波發(fā)生電路，分別產(chǎn)生不存在負峰與存在負峰的組合波，同時結合IEEE壓敏電阻模型進行仿真沖擊，分析壓敏電阻殘壓與吸收能量的差異。最后討論不同負載性質(zhì)下連接電纜長度對兩種組合波沖擊后負載端電壓的影響。分析結果表明：組合波負峰存在與否對壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，但對殘壓波形影響較大；壓敏電阻在存在負峰的組合波沖擊下的箍位時間較短。存在負峰的組合波沖擊時壓敏電阻吸收的能量始終小于不存在負峰組合波沖擊情況。兩種組合波沖擊后負載端相對電壓差異隨著電纜長度的增加而增大，阻性負載和容性負載變化更為明顯。

組合波；負峰；壓敏電阻；負載

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，雷電浪涌對電力、電子、通信等系統(tǒng)的危害也日益嚴重[1]。電涌保護器（SPD）是低壓弱電系統(tǒng)中抑制過電壓的重要設備，在各行業(yè)得到廣泛應用[2]。為了確保SPD有效地起到防護作用，必須對SPD的相關參數(shù)與性能進行測試，同時需要根據(jù)設備的浪涌抗擾度合理選用SPD。

GB18802.1—2011[3]規(guī)定針對SPD的相關性能測試必須采用組合波沖擊，GBT3482—2008[4]和GBT17626.5—2008[5]也規(guī)定了電子設備的雷擊試驗和電磁兼容試驗需要采用組合波。因此，對組合波產(chǎn)生的試驗和仿真進行研究具有重要的價值。國內(nèi)外學者針對組合波發(fā)生電路進行了許多研究與模擬，通過電路解析法計算組合波浪涌信號發(fā)生器（CWG）電路參數(shù)[6]，利用軟件仿真產(chǎn)生組合波波形[7-8]，并對組合波沖擊下的耦合方式影響等進行了相應分析[9-11]。但是目前研究所使用的組合波波形大多依據(jù)IEC Std.61000-4-5標準[12]，短路電流波形存在一個負峰，而IEEEStd.C62.41.2-2002[13]給出的組合波波形則不存在負峰。因此，需要研究組合波負峰存在與否對SPD浪涌防護特性的影響。

筆者利用EMTP軟件[14]搭建不存在負峰與存在負峰的組合波發(fā)生電路，結合IEEE壓敏電阻模型，討論組合波負峰存在與否對壓敏電阻殘壓與吸收能量的影響，然后分析不同負載性質(zhì)下連接電纜長度對兩種組合波沖擊后負載端電壓差異的影響，為設備的浪涌防護提供相關參考。

1 組合波電路

根據(jù)IEEEStd.C62.41.2-2002和IEC Std.61000-4-5給出的組合波定義，組合波開路電壓波形為1.2/50 μs，短路電流波形為8/20 μs，開路沖擊電壓和短路沖擊電流幅值之比（等效輸出阻抗）為2 Ω。除了對波形相關參數(shù)和允許誤差進行定義外，IEC Std.61000-4-5規(guī)范還限定了組合波負峰不能超過最高幅值的30%，而IEEEStd.C62.41.2-2002給出的波形則不存在負峰。相關規(guī)定的差異導致（CWG）電路的設計有所差別。

沖擊電流或電壓波形是否屬于振蕩波決定了其基本電路設計形式的選用，而根據(jù)相關研究[15]，波形是否是振蕩波可以通過波尾時間tt與波頭時間tf比值。若沖擊電流波形的tt/tf＜3.8，則其屬于振蕩波，沖擊電壓波形的波尾時間tt/tf＜3.5，則其屬于振蕩波，反之為非振蕩波。由此可知，1.2/50-8/20 μs組合波屬于非振蕩波電壓、振蕩波電流。

圖1給出了不產(chǎn)生負峰的組合波浪涌信號發(fā)生器電路[16]。

圖1 不產(chǎn)生負峰的組合波浪涌信號發(fā)生器電路Fig.1 Circuit of a CWG without undershoot

利用拉氏變換對圖1電路進行分析，開路電壓為：

逆變換成時域公式為

等效輸出阻抗為

根據(jù)組合波波形參數(shù)，結合2 Ω等效輸出阻抗，即可確定信號發(fā)生器電路參數(shù)，具體過程參見文獻[17]。

圖2給出了產(chǎn)生負峰的組合波浪涌信號發(fā)生器電路。

圖2 產(chǎn)生負峰的組合波浪涌信號發(fā)生器電路Fig.2 Circuit of a CWG with undershoot

利用拉氏變換對圖2電路進行分析，開路電壓為：

逆變換成時域公式為

短路電流為

轉換成時域公式為

根據(jù)組合波波形參數(shù)，可以得到α、β、ω、δ的取值，即可確定信號發(fā)生器電路參數(shù)，具體過程參見文獻[18]。

圖3給出了兩種電路產(chǎn)生的組合波短路電流波形，幅值均為3 kA?？梢悦黠@看出圖3中第2個波形存在一個負峰。

圖3 兩種短路電流波形對比Fig.3 Short-circuit current waveforms with and without undershoot

2 壓敏電阻模型

圖4給出了一個簡單的浪涌沖擊試驗電路模型。壓敏電阻與負載之間采用電纜連接，長度取10m。電纜采用單芯聚氯乙烯（PVC）絕緣電纜[19]，不考慮屏蔽層，標稱截面2 mm2，電阻率1.72×10-8Ω.m，絕緣層厚度0.6mm，相對介電常數(shù)4.55，相對磁導率為1。

圖4 試驗電路模型Fig.4 Experimental circuits

目前較為常用的壓敏電阻模型主要有非線性電阻模型、非線性電感模型、IEEE模型[20]和PG模型。IEEE模型適用波頭時間范圍較寬，且模型與試驗結果[21]較為吻合，因而得到廣泛應用。圖5給出了IEEE模型壓敏電阻等值電路圖。

圖5 IEEE推薦的MOA模型Fig.5 MOA model recommended by IEEE

在IEEE模型中，L0是構成內(nèi)外部磁場的電感，R0是抑制數(shù)值振蕩的電阻，C是壓敏電阻固有電容，L1、R1構成低通濾波器。模型中各參數(shù)的取值與壓敏電阻結構有關，具體計算公式參見文獻。仿真中壓敏電阻參考電壓U1mA取690 V，10 kA雷電流沖擊下殘壓為1 120 V。

3 仿真結果分析

3.1 壓敏電阻殘壓

圖6給出了不同負載性質(zhì)下不存在負峰與存在負峰的組合波沖擊后壓敏電阻殘壓波形。負載分別去電阻10 Ω、電容、電感1 μF、電感100 μH，組合波幅值為6 kV。

圖6 不同負載下殘壓波形Fig.6 Residual voltages with different types of loads

由圖6可以看出，無論是阻性負載、容性負載還是感性負載，組合波負峰存在與否對壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，但對殘壓波形有較大影響。存在負峰時，壓敏電阻箍位時間較短，殘壓波形衰減較快，且下降波形存在明顯的二次振蕩，這主要是負峰的作用影響。不存在負峰時，殘壓波形衰減較慢，曲線較平緩。

3.2 吸收能量差異

表1給出了負載為10Ω電阻時，不存在負峰與存在負峰的組合波沖擊下壓敏電阻吸收能量。

表1 壓敏電阻吸收能量差異Table 1 Energy absorbed by varistor with and without undershoot

通過表1可以看出，雖然負峰存在與否對壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，但對壓敏電阻吸收能量有較大影響。隨著沖擊電壓幅值的增大，兩種情況下壓敏電阻吸收能量均隨之增加，但是存在負峰組合波沖擊下壓敏電阻吸收能量始終小于不存在負峰組合波沖擊情況，這主要是由于兩種情況下的壓敏電阻殘壓和通流波形持續(xù)時間不同。但是兩種情況下的吸收能量相對差異隨著沖擊電壓的增大而減小。

3.3 電纜長度影響

圖7給出了不同負載性質(zhì)下不存在負峰與存在負峰的組合波沖擊后負載端電壓差異隨電纜長度的變化。負載分別取電阻10 Ω、電容1 μF、電感100 μH，組合波幅值為6 kV。

圖7 電纜長度對負載端電壓影響Fig.7 Voltages of the load vs length of the cable

由圖7可以看出，不存在負峰與存在負峰的組合波沖擊后負載端電壓差異受電纜長度影響較大。阻性負載、容性負載和感性負載端電壓相對差異均隨著電纜長度的增加而增大，但是對感性負載的影響不如阻性、容性大。由于電纜波阻抗和負載阻抗不匹配引起沖擊波在壓敏電阻與負載端來回折反射產(chǎn)生振蕩，電纜越長，振蕩越明顯，從而放大了兩種組合波沖擊后的電壓差異。

4 結論

利用EMTP軟件搭建兩種組合波發(fā)生電路，分析組合波負峰存在與否對設備浪涌防護特性的影響，得到如下結論：

1）組合波負峰存在與否對壓敏電阻殘壓數(shù)值影響不大，對殘壓波形有較大影響。存在負峰的組合波沖擊下的壓敏電阻箍位時間較短。

2）存在負峰的組合波沖擊時壓敏電阻吸收的能量始終小于不存在負峰組合波沖擊情況。

3）不存在負峰與存在負峰的組合波沖擊后負載端相對電壓差異隨著電纜長度的增加而增大。

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Study on Influence of Combination Wave Undershoot on Surge Protection

WU Haijun
（Mechanical and Electrical Engineer Department,Wuhai Vocationamp;Technical College,Wuhai 016000,China）

Combination wave is essential in surge protection device(SPD)performance test and surge immunity test.But IEEE Std.C62.41.2and IEC Std.61000-4-5 have some difference in waveform undershoot definition.So study on influence of combination wave undershoot on surge protection is neces?sary.The combination wave generator(CWG)with and without undershoot are established in EMTP while the IEEE varistor model is also applied.Residual voltage and its waveform with different types of loads are analyzed.Voltage differences with and without undershoot under different lengths of cable are also dis?cussed.Results show that the presence or absence of undershoot has no effect on residual voltage,but the presence of undershoot will reduce the clamping time.Energy absorbed by varistor without undershoot is always higher than that with undershoot.Voltage differences with and without undershoot increase with the increasing of cable length which is particularly obvious under resistive and capacitive loads.

combination wave；undershoot；varistor；load

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.028

2017-03-01

武海軍（1968—），男，高級工程師，主要從事電機技術、發(fā)電廠電氣設備、工廠電氣控制技術等課程的教學和科研工作。