李順昕，朱正甲，李巖峰

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，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，人們對雷災防護工作越來越重視，并且人們的防雷認識也有顯著提高，電涌保護器的應用越來越廣泛[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)及各種電子設備以及建筑物中的電源線路和通訊線路都需要加裝SPD進行保護，來減少雷電造成的損失[6]。秦中勤等在對電涌保護器對負載有效性保護仿真分析研究中發(fā)現(xiàn)，雖然安裝SPD對后續(xù)被保護設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作用[7]。張棟在低壓配電系統(tǒng)SPD保護和配合的研究中，用ATP-EMTP軟件進行仿真，線路用分布參數(shù)模型表示，對電阻負荷來說，負荷電阻越大，負荷電壓的振蕩幅度越大，SPD的有效保護范圍越小[8]。由于每個國家參照的標準不同，產(chǎn)品的規(guī)格不但沒有一致，參數(shù)的標識也各自分別有所側重，遠遠不如其他電氣產(chǎn)品的規(guī)范標準，這就給設計選型與實驗研究帶來發(fā)非常大的負面影響。因此，國外對SPD的研究并不完全適用國內(nèi)研究，參考價值有限，本文沒有過多涉及。本文實驗使用的浪涌保護器，為直流電壓（U1mA）選取621V的壓敏電阻SPD（國內(nèi)）[9-13]。

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

1 組合波模型簡介

本實驗電壓源使用混合波波形發(fā)生器，當混合波波形發(fā)生器的輸出端為理想狀態(tài)時：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。實驗中采用的負載分別為阻性、容性、感性時，實驗模型見圖1?；旌喜òl(fā)生器模擬雷電流，經(jīng)過浪涌保護器作用，通過控制變量法，改變電纜長度或負載特性繼而測量SPD上和負載上的過電壓，通過定量分析得出結論。

雖然為簡化分析過程，但在SPD的保護范圍和配合分析中，常常設定為理想環(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。但在實際生活中，SPD連接導線仍然存在一小部分電阻，長的導線由于電阻影響會降低SPD的保護水平。因此為減小誤差值，達到最佳的過電壓保護效果，應該使其連接導線保持盡可能短。然而為了深入研究負載及電纜長度對負載上過電壓的影響，實驗中采用控制變量法，即電纜長度不變，測試負載不同值時，負載上的過電壓的變化。隨后改變電纜長度，測量各種負載條件下的SPD和負載上過電壓，最后分析不同的特性負載和電纜長度對SPD保護性能的影響。

圖1 實驗模型Fig.1 Experimental model

2 實驗設備及結果分析

2.1 實驗設備

本實驗運用的沖擊電壓波發(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、電容作為負載。

2.2 電阻負載對SPD保護距離的影響

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

圖2 負載電阻對SPD殘壓的影響Fig.2 Influence of load resistance on residual voltage of SPD

當電纜長度大于10 m，負載電阻為5 Ω時，無論電纜的長度是多少，負載兩端的過電壓峰值都會被限制在1.2 kV以下，并且負載電阻值與電纜的波阻抗匹配較好，此時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載兩端的過電壓水平。當負載電阻為1 000 Ω時，負載兩端電壓的變化顯著，當電纜的長度超過了沖擊波上升沿的電氣長度的1/2π時，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和負載兩端的電壓振蕩將會逐漸加劇。當負載阻抗與電纜阻抗不匹配時，差值越大，在負載兩端的電壓振蕩也就越大，負載兩端過電壓峰值甚至可達到1.7 kV以上。

以10 m作為標準，電纜長度選6 m和15 m為例，分析阻性負載殘壓圖（見圖3）。當電纜長度小于10 m時，負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與負載之間的折射和反射現(xiàn)象并不明顯，即SPD有效地對負載的過電壓防護，起到了保護的作用。當電纜長度大于10 m時，負載和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，并且負載電阻越大，振蕩的幅度越大，而SPD的有效保護范圍將逐漸減小。

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

2.3 電容負載對SPD保護距離的影響

在實驗室進行殘壓測量時，電纜首端安裝SPD后，負載為電容時所測得的不同的電纜長度時，負載上的殘壓數(shù)據(jù)。分析使用不同長度電纜時，變化負載電容值大小對SPD殘壓的影響，見圖4。從圖中可看出，當電容值很小，即為6 300 pF時，負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，負載兩端電壓不斷變化，負載兩端的電壓峰值變化并不明顯。因而對于小電容的負載，電纜長度的變化對負載兩端的電壓不會產(chǎn)生很大的影響，即SPD對其保護是失效的。

以電纜長度為6 m，15 m為例，容性負載的殘壓圖見圖5。從圖中可看出，當電容增大時，振蕩電壓的幅值在逐漸減??；當負載電容大于0.1 μF時，負載上電壓顯示出迅速下降的趨勢，這一情形可充分說明SPD對大電容的保護效果會更好，即容性負載與SPD殘壓成負相關。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致負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中可明顯看出負荷電壓的衰減振蕩的過程。主要由于SPD的導通內(nèi)阻并不為零，此時電阻提供了阻尼衰減作用。而且線路越短，振動幅度越小。這是因為當SPD安裝時，距離負荷越近，保護效果就越好。

3 結論

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

1）驗證了SPD電涌保護器的有效保護與負載性質(zhì)、大小、RVVP電纜長度均有密切的關系，不論負載呈阻性或容性，隨著電纜長度的增加，負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）當負載為電阻時，電涌保護器的有效保護距離與電阻值呈負相關；當負載為電容時，電涌保護器的有效保護距離與電容值呈正相關。

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