楊海龍，李建明，陳 鑫，孔佳曦，鄧育仁

（1.國網(wǎng)廣元供電公司，四川廣元628000；2.國網(wǎng)四川省電力公司博研站，成都610072；3.國網(wǎng)遂寧供電公司，四川遂寧629200；4.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都610039）

0 引言

近年來電力系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)表明過電壓是造成電網(wǎng)事故的主要原因之一，過電壓的抑制及防護關(guān)乎電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，因此顯得尤為重要[1-3]。為了設(shè)置更合理的絕緣配合，更好地抑制過電壓、保護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，就必須對過電壓進行精確測量，而通過仿真計算獲取系統(tǒng)的過電壓幅值及頻率等特性參數(shù)可能與實際測量有較大差異，系統(tǒng)進行仿真時選用的參數(shù)及邊界條件也可樂能與實際系統(tǒng)不符，得到的計算結(jié)果可能會產(chǎn)生較大的出入[4-7]，因此有必要采用仿真和試驗相結(jié)合的手段對避雷器監(jiān)測過電壓的響應(yīng)特性進行研究。

1 氧化鋅電阻的等效模型

1.1 小電流低電場區(qū)等效模型

氧化鋅非線性電阻在小電流低電場區(qū)可以等效為簡單的電阻電容并聯(lián)電路，如圖1所示，C為氧化鋅閥片固有電容，R為非線性電阻。

圖1 MOA的小電流等值電路Fig.1 Equivalent circuit of the MOA under low current

簡單的RC并聯(lián)等效電路未能反映在小電流區(qū)的電流極化現(xiàn)象，因此考慮電流的極化效應(yīng)時，引入極化電容和極化電阻[8]，閥片在小電流區(qū)可以等效為如圖2所示。

圖2 考慮電流極化現(xiàn)象的MOA等效電路Fig.2 MOA equivalent circuit of considering the current polarization

考慮極化現(xiàn)象后的等效電路較為復(fù)雜，參數(shù)確定更為困難。工程中一般使用簡化的RC并聯(lián)電路作為氧化鋅電阻在小電流區(qū)的等效電路模型。

1.2 沖擊大電流區(qū)等效模型

IEEE工作組提出了一種適用于更大波頭范圍的閥片沖擊等效電路模型[9-12]。如圖3所示，該模型用兩部分非線性電阻來表示，兩部分之間用線性R1L1支路分開，在不同時長波頭的沖擊波作用下，R1L1表現(xiàn)出不同的阻抗，在長波頭沖擊時，R1L1支路阻抗小，相當(dāng)于RA0和RA1并聯(lián)；在短波頭沖擊作用下，R1L1支路阻抗增大，流過RA0的電流增加，從而殘壓將增大。

2 閥片分壓響應(yīng)特性仿真分析

在對電力系統(tǒng)各種過電壓在線監(jiān)測的研究中利用氧化鋅壓敏電阻閥片分壓具有操作方便、安裝簡單、安全性高等優(yōu)勢，其屬于新型線路過電壓在線監(jiān)測分壓方式。下面將對工頻與沖擊作用下避雷器閥片的響應(yīng)特性進行分析。

圖3 IEEE推薦的沖擊電流下MOA等效電路Fig.3 MOA equivalent circuit under impulse current recommended by IEEE

2.1 工頻分壓特性

使用四片特性參數(shù)基本一致的氧化鋅閥片串聯(lián)，驗證工頻電壓作用下每一片閥片的分壓特性，其仿真原理如圖4所示。

圖4 工頻仿真原理圖Fig.4 Power frequency simulation schematic diagram

圖5 各閥片工頻分壓波形Fig.5 Power frequency voltage divider waveform of each valve plate

得到的避雷器各閥片工頻分壓波形見圖5，可以從圖中判斷當(dāng)在工頻電壓幅值一定的前提下，各個閥片上的電壓相位一致，幅值按閥片比例變化，這樣可以保證通過閥片對過電壓取樣時，電壓的波形不失真。

對不同幅值工頻電壓下放仿真得到了每片氧化鋅閥片的分壓比特性見圖6，該圖是在不同幅值工頻電壓作用下每片氧化鋅閥片的分壓比。其中，橫坐標(biāo)代表工頻電源的電壓幅值，縱坐標(biāo)代表每一片閥片的分壓大小，斜率代表每一片閥片所分電壓占總電壓的比例。由圖6可以看出工頻作用下閥片的分壓比線性度較好。

圖6 閥片工頻分壓比曲線Fig.6 Power frequency divider ratio curve in valve

2.2 沖擊分壓特性

為驗證沖擊作用下閥片的分壓特性，其仿真原理如圖7所示，可以改變沖擊電壓的幅值以及波頭和波尾進行多方面論證。

圖7 沖擊仿真原理圖Fig.7 Impulse simulation schematic diagram

得到的避雷器各閥片在沖擊作用下的分壓波形如圖8所示，由圖趨勢可看出閥片在沖擊作用下電壓相位一致，幅值基本上按比例變化，波形未出現(xiàn)明顯的失真，因此閥片可以作為沖擊電壓的分壓裝置使用。

圖8 各閥片沖擊分壓波形Fig.8 Impulse voltage divider waveform of each valve plate

采用不同沖擊電壓幅值進行仿真得到了每片氧化鋅閥片的分壓比如圖9所示。其中，橫坐標(biāo)代表沖擊電源的電壓幅值，縱坐標(biāo)代表每一片閥片的分壓大小，斜率代表每一片閥片所分電壓占總電壓的比例。由圖9可以看出沖擊電壓作用下閥片的分壓比線性度也較好。

圖9 閥片沖擊分壓比曲線Fig.9 Impulse divider ratio curve in valve

2.3 工頻和沖擊下的對比

在工頻電壓下，各閥片分壓比基本恒定，由圖10可以看出，閥片2、3、4分壓比均值分別為0.821、0.615、0.309；在沖擊電壓下，各閥片分壓比大致相同，閥片 2、3、4分壓比均值分別為 0.891、0.620、0.319；閥片2、3、4的工頻分壓比和沖擊分壓比的均值誤差分別為7.91%、0.87%、3.16%；閥片2的工頻分壓比和沖擊分壓比誤差相對較大，而閥片3和閥片4在兩種情況下的分壓比基本相等，分壓比較為恒定，可以工頻和沖擊分壓比對比曲線圖也可明顯看出，2號閥片在工頻和沖擊下的分壓比曲線相離較遠，而3號和4號閥片在工頻和沖擊下的分壓比曲線基本重合。產(chǎn)生誤差的原因為各閥片參數(shù)不盡一致，即在兩種電壓下等效為不同的模型，分別按不同的阻抗進行分壓，不同模型下，阻抗比可能不同，因而分壓比有所差異。因此，在實際測量中為保證較穩(wěn)定的分壓比，應(yīng)盡量選用特性參數(shù)基本一致的避雷器閥片。

圖10 工頻和沖擊下閥片分壓比曲線對比Fig.10 Comparison of the voltage ratio curve between power frequency and impulse voltage

3 避雷器閥片響應(yīng)特性仿真

在ATP-EMTP中仿真電源側(cè)施加1.2/50 μs的雷電沖擊波，分別在避雷器閥片導(dǎo)通和未導(dǎo)通的情況下測量各閥片的電壓。當(dāng)在電源側(cè)施加峰值為1 kV的1.2/50 μs操作沖擊波時，閥片未導(dǎo)通，此時測得各閥片電壓值成比例，分別為3/4，2/4，1/4，波形一致；在仿真電源側(cè)施加峰值為3 kV的1.2/50 μs操作沖擊波時，閥片導(dǎo)通，閥片上的電壓為避雷器殘壓，通過測得各閥片電壓值也成比例，分別為3/4，2/4，1/4，從圖11（b）中可以看出導(dǎo)通的情況下在波頭部分發(fā)生了過沖及電壓振蕩現(xiàn)象，但各閥片波形趨勢一致。

圖11 閥片雷電沖擊分壓仿真波形Fig.11 Lighting impulse voltage divider simulation waveform of valve plate

在ATP-EMTP仿真中對4片閥片施加工頻電壓800 V和3 000 V，在避雷器閥片不導(dǎo)通和導(dǎo)通的情況下觀察其在工頻電壓下的響應(yīng)特性，如圖12所示，各閥片電壓相位一致，閥片2、3、4端電壓與避雷器頂端閥片的電壓響應(yīng)特性相同，即在工頻小電流和工頻大電流時避雷器閥片分壓比不變，且分壓閥片與避雷器本體電壓相位保持一致，在兩種不同情況下，避雷器閥片響應(yīng)特性趨勢基本一致。

4 閥片分壓響應(yīng)特性試驗

圖12 閥片工頻分壓仿真波形Fig.12 Power frequency voltage divider simulation waveform of valve plate

圖13 雷電沖擊閥片未擊穿電壓波形Fig.13 The non breakdown voltage waveform of the lightning impulse of the valve plate

圖14 雷電沖擊閥片擊穿電壓波形Fig.14 The breakdown voltage waveform of the lightning impulse of the valve plate

該響應(yīng)特性試驗利用沖擊電壓發(fā)生器向避雷器施加雷電沖擊電壓波，避雷器未擊穿時，在避雷器高壓端測得沖擊電壓峰值為72.51 kV，波頭時間：1.13 μs；分壓閥片示波器通道顯示峰值為18 V，波頭時間為1.5 μs。兩者電壓波形如下圖13所示，可以看到未擊穿時，因沖擊波的波頭時間較短，閥片電壓在波頭部分發(fā)生了振蕩，避雷器高壓端和分壓閥片電壓波形基本一致。通過沖擊電壓發(fā)生器，向避雷器高壓端施加雷電沖擊電壓使得避雷器擊穿，測得避雷器高壓端沖擊電壓峰值為146.75 kV，波頭時間:0.78 μs；分壓閥片示波器通道顯示峰值為34.8 V，波頭時間為1.0 μs，兩者電壓波形見圖14，可以看出電壓超過避雷器動作電壓后，避雷器導(dǎo)通，避雷器高壓端和分壓閥片均為殘壓，對比避雷器高壓端電壓波形和分壓閥片的電壓波形，可以看到兩者波形基本一致。

5 結(jié)論

通過上面試驗對沖擊電壓發(fā)生器自帶波形記錄儀和35 kV避雷器電壓傳感器測量結(jié)果的校對可知：對于未擊穿雷擊過電壓、擊穿雷擊過電壓以及工頻過電壓，在不同頻率段的數(shù)據(jù)的衰減倍數(shù)本試驗為26×160=4 160與試驗波形分析的衰減倍數(shù)基本吻合，分壓比誤差小于6%。氧化鋅壓敏電阻分壓器是一種頻率響應(yīng)寬、幅值線性度高，測量精度滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓監(jiān)測要求的電壓分壓器。根據(jù)等效模型進行了閥片分壓的仿真，得出在小電流區(qū)和大電流區(qū)具有相同的分壓比；采用特性基本一致的4片閥片進行了實驗室試驗，得到各閥片的分壓比特性在工頻和沖擊電壓作用下基本相等，最后在氧化鋅避雷器主體下串聯(lián)分壓閥片進行了高壓分壓試驗，得到各閥片分壓比與理論值基本相等。根據(jù)試驗和仿真結(jié)果得出的避雷器的響應(yīng)特性可知氧化鋅閥片在工頻和沖擊電壓作用下均有較好的分壓比線性度，氧化鋅閥片可以作為電壓傳感器裝置，用于電力系統(tǒng)過電壓測量。

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