徐敦彬，袁光偉，郝 威，高海龍，王永力

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司徐州供電公司，江蘇徐州 221005）

0 引言

雷電過(guò)電壓是電力系統(tǒng)運(yùn)行面臨的主要威脅之一[1]，氧化鋅壓敏電阻因其優(yōu)異的限壓特性成為應(yīng)用最為廣泛的電涌保護(hù)器件[2]。目前針對(duì)壓敏電阻防護(hù)研究，一般采用8/20 μs、10/350 μs等脈沖電流波形或8/20-1.2/50 μs組合波波形[3-4]，具體配合機(jī)理、搭配方式、保護(hù)距離等相關(guān)研究較為成熟[5-6]。但是實(shí)際線路雷電過(guò)電壓觀測(cè)數(shù)據(jù)[7]表明：雷擊過(guò)電壓一般呈衰減振蕩波形，首個(gè)脈沖波頭時(shí)間非常短。采用單次脈沖源或組合波波形對(duì)低壓配電系統(tǒng)壓敏電阻防護(hù)分析可能與真實(shí)雷電過(guò)電壓作用存在較大差異，尤其是在熱量、電荷累積方面[8]。因此，IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]中也推薦采用0.5 μs-100 kHz振鈴波模擬真實(shí)雷電過(guò)電壓。需要研究振鈴波作用下低壓配電系統(tǒng)，尤其是具體配電制式中電涌保護(hù)器的防護(hù)效果。

本文利用 EMTP[10]搭建 0.5 μs-100 kHz振鈴波發(fā)生回路，采用P-G氧化鋅壓敏電阻等效模型，分析TN-C-S配電系統(tǒng)下壓敏電阻防護(hù)效果，通過(guò)累積能量計(jì)算壓敏電阻失效概率，并討論沖擊電壓幅值和接地電阻對(duì)壓敏電阻失效概率的影響。

1 振鈴波發(fā)生電路模型

根據(jù)IEEE給出的0.5 μs-100 kHz振鈴波定義[9]，第1個(gè)波頭時(shí)間為0.5 μs，振蕩頻率為100 kHz，在3～6個(gè)周期內(nèi)幅值衰減至初始峰值的60%以下。圖1給出了振鈴波發(fā)生電路圖。振鈴波發(fā)生電路主要由5個(gè)部分組成：高壓貯能電路、振蕩電路、時(shí)間常數(shù)匹配電路、輸出阻抗匹配電路和高壓開關(guān)電路[11]。

圖1 振鈴波發(fā)生器電路Fig.1 Circuit of the ring wave generator

根據(jù)IEEE C62.41—1991給出的位置類別，振鈴波試驗(yàn)的電壓等級(jí)見表1[11]。

表1 振鈴波試驗(yàn)的電壓等級(jí)Table 1 Experimental voltage level of the ring wave

A類位置表示長(zhǎng)支線電路及引出線，B類位置表示饋線、短支線電路及負(fù)載中心。圖2給出了A類振鈴波波形，電壓幅值為6 kV。

2 低壓配電線路沖擊模型

圖3給出了TN-C-S配電系統(tǒng)采用壓敏電阻防護(hù)分析模型[12]。仿真過(guò)程中，在L線與N線間施加沖擊電壓，在L線與N線、N線與PE線間安裝SPD。

圖2 0.5 μs-100 kHz振鈴波Fig.2 0.5 μs-100 kHz ring wave

圖3 TN-C-S配電系統(tǒng)分析模型Fig.3 Analysis model of TN-C-S distribution system

壓敏電阻與負(fù)載之間采用電纜連接，電纜型號(hào)為單芯聚氯乙烯（PVC）絕緣電纜，電纜電氣參數(shù)通過(guò)下式計(jì)算[13]：

式中：a為電纜芯線半徑；l為電纜長(zhǎng)度，ρ為電纜電阻率。電纜線長(zhǎng)度10 m，電纜標(biāo)稱截面2 mm2，電阻率1.72×10-8Ω·m，相對(duì)介電常數(shù)4.5，相對(duì)磁導(dǎo)率1。

目前較為常用的壓敏電阻電路模型主要有非線性電阻模型、非線性電感模型、IEEE模型[14]和PG模型[15]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)[16]表明，P-G模型具有較高的精度且電路模型較為簡(jiǎn)單，因此仿真中采用P-G壓敏電阻電路模型，壓敏電阻標(biāo)稱放電電壓為470 V。

3 仿真分析

3.1 SPD殘壓與通流

圖4給出了振鈴波作用下L-N線間、N-PE線間壓敏電阻殘壓和電流。振鈴波波形分別采用A類6 kV和B類6 kV，接地電阻Rg取4 Ω。

圖4 SPD殘壓與電流Fig.4 SPD residual voltages and currents

由圖4可看出，無(wú)論是A類波形還是B類波形，振鈴波作用下L-N線間、N-PE線間電壓均得到較好的抑制，負(fù)載設(shè)備及其絕緣均不會(huì)遭受過(guò)電壓威脅。雖然N-PE線間SPD殘壓遠(yuǎn)低于L-N線間SPD殘壓，但仍存在一定電位差，會(huì)產(chǎn)生電壓漂移。SPD間通流相差較大，L-N線間SPD最大通流遠(yuǎn)大于N-PE線間SPD。由于B類波形的虛擬阻抗較小，B類波形作用下，SPD的殘壓與通流均高于A類。

3.2 沖擊電壓幅值影響

表2給出了L-N線間SPD殘壓與通流隨沖擊電壓幅值變化情況，接地電阻4 Ω。

表2 SPD殘壓隨沖擊電壓幅值變化Table 2 Residual voltages vs impulse voltage amplitudes

由表2可看出，L-N線間SPD的殘壓和通流隨著沖擊電壓幅值的增大而增加，但是B類波形作用下，殘壓增加幅度相對(duì)較小。B類波形下，SPD的殘壓和通流均高于A類，因此對(duì)SPD防護(hù)的威脅也更大。

3.3 SPD接地電阻影響

圖5給出了L-N線間殘壓隨接地電阻變化情況，沖擊電壓幅值6 kV。

圖5 SPD殘壓隨接地電阻變化Fig.5 SPD residual voltages vs grounding resistance

由圖5可看出，無(wú)論是A類還是B類波形，L-N線間SPD的殘壓隨著接地電阻的增加而增大50 Ω接地電阻情況下，B類波形沖擊后SPD殘壓為1209V，超過(guò)了I類電壓保護(hù)水平1.2 kV[17]，不能為負(fù)載設(shè)備提供有效過(guò)電壓防護(hù)。

3.4 失效概率

由于振鈴波沖擊持續(xù)時(shí)間為μs量級(jí)，大量能量迅速注入壓敏電阻，局部熱量不能及時(shí)向外傳遞，因此沖擊作用可以看作絕熱升溫過(guò)程。大量熱量積累導(dǎo)致壓敏電阻內(nèi)部晶粒熱導(dǎo)率的下降，部分熱導(dǎo)性能較差的晶界由熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入熱不平衡狀態(tài)，晶界區(qū)電荷量產(chǎn)生變化，最終可能引起壓敏電阻破裂破壞。

通過(guò)比較壓敏電阻吸收能量Es是否超過(guò)其能量閾值ER來(lái)判斷壓敏電阻是否失效。計(jì)算中壓敏電阻能量閾值取3 840 J[18]。壓敏電阻吸收的能量Es計(jì)算如下：

式中，u（t）和i（t）分別為流經(jīng)壓敏電阻的電壓和電流。

壓敏電阻超過(guò)其能量閾值后的累積失效概率函數(shù)服從威布爾分布[18]：

由于N-PE線間SPD承受的殘壓和通流幅值較小，主要考慮L-N線間SPD的失效概率。圖6給出了L-N線間SPD失效概率隨沖擊電壓幅值變化情況，接地電阻4 Ω。

從圖6可以看出，L-N線間SPD失效概率隨著沖擊電壓幅值的增加而增大。B類波形作用下，SPD失效概率的變化尤為明顯。當(dāng)沖擊電壓達(dá)10 kV時(shí)，B類波形作用下，SPD失效概率超過(guò)了10%。殘壓持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和熱量來(lái)不及向外泄散是導(dǎo)致較高失效概率的原因。

圖7給出了L-N線間SPD失效概率隨接地電阻變化情況，沖擊電壓幅值6 kV。

圖6 失效概率隨沖擊電壓幅值變化Fig.6 Failure probability vs impulse voltage amplitudes

圖7 失效概率隨接地電阻變化Fig.7 Failure probability vs grounding resistance

從圖7可以看出，L-N線間SPD失效概率隨著接地電阻的增加而增大。B類波形作用下，SPD失效概率明顯高于A類，且這種趨勢(shì)隨著接地電阻增大愈發(fā)明顯。這主要是由于B類波形作用導(dǎo)致的SPD通流受接地電阻影響較大。因此，為了確保SPD的防護(hù)效果，需要盡可能降低SPD的接地電阻。

4 結(jié)論

利用EMTP軟件搭建0.5 μs-100 kHz振鈴波發(fā)生電路，模擬真實(shí)雷電過(guò)電壓，對(duì)低壓配電系統(tǒng)SPD防護(hù)效果進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

1）TN-C-S配電系統(tǒng)中，在L線與N線、N線與PE線間安裝SPD時(shí)，振鈴波沖擊下電路殘壓能夠得到較好的抑制，且L-N線間SPD殘壓和通流遠(yuǎn)大于N-PE線間SPD。

2）L-N線間SPD的殘壓隨著沖擊電壓幅值、接地電阻的增大而增加，B類波形作用下，SPD的殘壓與通流均高于A類。

3）L-N線間SPD失效概率均隨著沖擊電壓幅值和接地電阻的增加而增大，B類波形作用下，SPD失效概率要高于A類。

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