（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453006）

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟與科技的不斷進步，微電子、通訊等技術(shù)也在迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代化的城市建設(shè)中，電子電氣系統(tǒng)與人們的生活以及工作都息息相關(guān)，由于雷電所產(chǎn)生的雷電感應(yīng)以及電磁脈沖，將對多數(shù)電子電氣設(shè)備產(chǎn)生信號干擾，甚至不同程度的破壞。據(jù)統(tǒng)計，由雷擊引起的設(shè)備損壞的事故中，大約七成以上是由于雷電電磁脈沖入侵供電線路，雷電產(chǎn)生的過電壓對電子敏感設(shè)備不僅會引起電子系統(tǒng)錯誤操作，甚至能永久性的損壞電子設(shè)備[1-3]。

現(xiàn)階段國內(nèi)外有大量的學(xué)者對壓敏電阻間的能量配合進行研究，王蕙瑩等[4]利用電磁波傳輸線理論的知識，并通過大量的實驗證明了電磁波傳輸線理論的正確行和科學(xué)性。柴健等[5]用電源類的電涌保護器級間能量配合的方法，并多次試驗，最后得出級間能量配合的效果，對試驗中的級間退耦元件進行不同導(dǎo)線長度、不同電感值對能量配合影響的分析。盧燕[6]通過大量試驗對GDT、MOV、TVS的三級配合進行初步研究，并對比分析，得出了一些比較重要的結(jié)論。李清泉等[7]運用波在傳輸線傳輸過程的理論對金屬氧化物壓敏電阻與TVS的配合進行了示例性的探討，并提出了兩級配合的電磁波傳輸過程理論的計算方法。吳勁夫等[8]利用理論分析了開關(guān)型電涌保護器與限壓型電涌保護器的兩級能量配合方式的可實施性。李博等[9]對氣體放電管與瞬態(tài)抑制二極管是否能進行兩級能量配合進行了驗證。還有其他學(xué)者[10-16]對能量配合進行了研究。

以上研究者對電涌保護器級間能量配合的理論進行了分析研究并得出了相關(guān)結(jié)論，本文利用模擬雷電沖擊平臺對兩級電涌保護器并聯(lián)在不同的沖擊電壓下進行沖擊試驗，分析出級間能量配合時通流及能量之間變化及關(guān)系。

1 能量配合模式介紹

本次試驗采用開關(guān)型與限壓型電涌保護器級間并聯(lián)的能量配合電路模型，兩級電涌保護器并聯(lián)可防止第二級電涌保護器在通過大電流之后性能的劣化。當(dāng)雷電流入侵時，第二級保護器壓敏電阻首先開始工作，此時第一級保護器氣體放電管還未放電導(dǎo)通，所以第二級保護器壓敏電阻對首先入侵的大電流進行泄放，并對過電壓進行鉗位。當(dāng)?shù)谝患壉Ｗo器氣體放電管放電導(dǎo)通之后，與第二級保護器氧化鋅壓敏電阻進行并聯(lián)以達到分流作用，用以減小首先導(dǎo)通的壓敏電阻通流壓力，有利于避免第二級保護器氧化鋅壓敏電阻性能的劣化。

開關(guān)型與限壓型電涌保護器的級間能量配合模型如圖1所示。由傳輸線理論可知：雷電流在線纜中進行傳輸時，在線上電阻中會產(chǎn)生沿線的電壓降，并且在線纜的周圍產(chǎn)生磁場，存在一定的電感，在導(dǎo)線中電流不穩(wěn)定時也會產(chǎn)生電感以及電壓降。因此，導(dǎo)線之間存在著連續(xù)變化的電壓。導(dǎo)線的不同地方，電流也是不同的，這種電磁現(xiàn)象就是傳輸線分布參數(shù)的分布特性。在實際操作的過程中，傳輸線沿線方向不可能絕對均勻，但可以借助均勻傳輸線理論分析處理實際的傳輸線傳輸問題：局部的位置不連續(xù)影響試驗結(jié)果的可以等效為傳輸線在此位置并聯(lián)或者串聯(lián)的阻抗；局部均勻的傳輸線纜可以替代較大范圍內(nèi)不均勻的傳輸線。

圖1 級間能量配合模型Fig.1 Interstage energy coordination model

由電路理論可得出：由于氣體放電管的伏安特性是不連續(xù)的，而氧化鋅壓敏電阻的伏安特性是連續(xù)的。因此，當(dāng)入侵的浪涌電壓增大，第二級保護器壓敏電阻首先導(dǎo)通，承擔(dān)全部入侵雷電流，當(dāng)入侵的浪涌電壓不斷增大，流過壓敏電阻的電流不斷增加，使保護器兩端的電壓也不斷上升。

根據(jù)入侵雷電流在串聯(lián)電感線路中的傳輸理論可得出：當(dāng)入侵雷電流沿傳輸線傳播時，流過線路中串聯(lián)的電感，線路中串聯(lián)電感初始前后的阻抗是不一致的，雷電流會在線路中發(fā)生多次的折射、反射。其中，反射波會被氣體放電管所吸收，折射波將繼續(xù)向前傳播，當(dāng)氣體放電管兩端的電壓增大并超過其啟動電壓時，氣體放電管將會被點火導(dǎo)通。

當(dāng)氣體放電管在點火導(dǎo)通進行動作，起到大部分能量泄放的作用，而第二級保護器的氧化鋅壓敏電阻對第一級保護器氣體放電管的高殘壓起到再次抑制的作用，使整個線路的輸出端為低殘壓。當(dāng)浪涌電流能量未超過第二級壓敏電阻的耐受能力之前觸發(fā)導(dǎo)通了第一級氣體放電管時，所串聯(lián)的電感會對入侵的雷電流產(chǎn)生大感抗，并減小了行波的陡度。如果拉長入侵雷電波的波頭時間，串聯(lián)電感便可以實現(xiàn)第一級與第二級電涌保護器能量配合的過程。

2 試驗方案

本試驗采用ICGS沖擊平臺模擬8/20 μs的雷電流，對開關(guān)型與限壓型電涌保護器級間并聯(lián)保護系統(tǒng)做沖擊試驗，對該保護系統(tǒng)依次施加5～20 kV的沖擊電壓。整個保護系統(tǒng)中第一級開關(guān)型電涌保護器使用放電電壓為1.98 kV的氣體放電管；第二級限壓型電涌保護器使用放電電壓為645 V的壓敏電阻。第一級與第二級電涌保護器之間首先使用3 m、5 m、7 m、的線纜作導(dǎo)線；其次與線纜自身分布電感等值空心電感線圈連接，具體電感值分別為2.82 μH、4.36 μH 、6.50 μH。試驗裝置圖如圖2所示。

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Test device diagram

3 試驗數(shù)據(jù)分析

兩級電涌保護器之間首先用導(dǎo)線連接，之后再用等電感值的空心電感線圈連接，用此來比較分析在實際應(yīng)用中，如果因為場地的限制，級間連接的導(dǎo)線長度不能達到安裝的要求時，能否使用與線纜自身分布電感等值的集中參數(shù)電感元件來代替。

3.1 級間串聯(lián)3 m導(dǎo)線及等電感值的集總參數(shù)電感連接

兩個壓敏電阻級間連接3 m導(dǎo)線時，總通流量的平均值為36.8 kA，第一級通流平均值為30.69 kA，第二級分流平均值6.16 kA，第一級與第二級平均分流比為83%：17%。兩個壓敏電阻級間連接2.82 μH空心電感時，總通流量的平均值為36.5 kA，第一級通流平均值為27.2 kA，第二級分流平均值9.5 kA，第一級與第二級平均分流比為78%：22%。由此可知，第一級氧化鋅壓敏電阻的作用是泄放大電流，第二級氧化鋅壓敏電阻只能泄放一小部分電流。從圖3可看出，級間串聯(lián)3 m導(dǎo)線與串聯(lián)等值空心電感時，通流與沖擊電壓關(guān)系曲線趨勢近似。各級氧化鋅壓敏電阻具有相似的通流比，具有相似的能量配合過程。隨著沖擊電壓的增加，兩級壓敏電阻吸收的總吸收能量不斷增加，第一級吸收了大部分的能量，趨勢呈線性增加；第二級吸收小部分能量，沖擊電壓增加時，吸收能量基本不變，被限制在一定范圍內(nèi)?？芍? m長導(dǎo)線與2.82 μH的空心電感可等效。

圖3 3 m導(dǎo)線及空心電感線圈通流、能量變化趨勢Fig.3 3 m wire and air core inductance coil flow，energy trends

3.2 級間串聯(lián)5 m導(dǎo)線及等電感值的集總參數(shù)電感連接

兩個壓敏電阻級間連接5 m導(dǎo)線時，總通流量的平均值為41.4 kA，第一級通流平均值為35.2 kA，第二級分流平均值6.2 kA，第一級與第二級平均分流比為85%：15%。兩個壓敏電阻級間連接4.36 μH空心電感時，總通流量的平均值為45.8 kA，第一級通流平均值為33.5 kA，第二級分流平均值12.3 kA，第一級與第二級平均分流比為73%：26%。從圖4可以看出，級間串聯(lián)5 m導(dǎo)線與串聯(lián)等值空心電感時，通流與沖擊電壓關(guān)系曲線趨勢近似。各級壓敏電阻具有相似的通流比，兩者具有相似的能量配合過程。隨著沖擊電壓的增加，兩級壓敏電阻吸收的總吸收能量不斷增加，第一級吸收了大部分的能量，趨勢呈線性增加；第二級吸收小部分能量，沖擊電壓增加時，吸收能量基本不變，被限制在一定范圍內(nèi)。可知5 m長導(dǎo)線與4.36 μH的空心電感具有等效性。

3.3 級間串聯(lián)7 m導(dǎo)線及等電感值的集總參數(shù)電感連接

兩個壓敏電阻級間連接7m導(dǎo)線時，總通流量的平均值為40.1 kA，第一級通流平均值為35.6 kA，第二級分流平均值4.5 kA，第一級與第二級平均分流比為89%：11%。兩個壓敏電阻級間連接6.5 μH空心電感時，總通流量的平均值為43.6 kA，第一級通流平均值為33.5 kA，第二級分流平均值10.1 kA，第一級與第二級平均分流比為76%：24%。從圖5可以看出，級間串聯(lián)7 m導(dǎo)線與串聯(lián)等值空心電感時，通流與沖擊電壓關(guān)系曲線趨勢近似。各級壓敏電阻具有相似的通流，殘壓，以及分流比，兩者具有相似的能量配合過程。

圖4 5 m導(dǎo)線及空心電感線圈通流、能量變化趨勢Fig.4 5 m wire and hollow inductance coil flow，energy trends

圖5 7 m導(dǎo)線及繞磁環(huán)導(dǎo)線通流、能量變化趨勢Fig.5 7 m wire and hollow inductance coil flow，energy trends

4 結(jié)論

通過傳輸線理論、電路理論并結(jié)合試驗，詳細地分析研究了雷電波在串聯(lián)電感中的傳播時，氣體放電管與氧化鋅壓敏電阻的能量配合關(guān)系。利用雷電模擬沖擊試驗，得到用三種不同長度線纜以及與其等電感值的集中參數(shù)電感連接時的總通流值、能量值，有以下結(jié)論：

1）施加等值沖擊電壓時，如果保護器級間串聯(lián)線纜的長度不同，對兩級的總通流量影響不大，但導(dǎo)線長度越長，第一級保護器兩端殘壓越小，后級保護器對線路中電流的分流比越小。由此可以得出，實際的應(yīng)用操作過程中，一般在條件允許的情況下，可以適當(dāng)?shù)脑龃箅娪勘Ｗo器級間連接導(dǎo)線的長度。

2）將兩個保護器級間連接導(dǎo)線換成與其分布電感等值的空心線圈，分析試驗數(shù)據(jù)可得，換成空心線圈后，總通流量與第二級保護器兩端殘壓值略微變小，二者可視為等效。但在一般的應(yīng)用操作中，電涌保護器進行級聯(lián)時，若受到場地的限制，級間連接線纜的長度不能達到安裝需求，便可利用等效電感來減慢雷電瞬態(tài)過電壓的增長速度等效替換級間連接的導(dǎo)線長度。

[1] 楊仲江.雷電災(zāi)害風(fēng)險評估與管理基礎(chǔ)[M].北京：氣象出版社，2010.

[2] 肖穩(wěn)安.防雷工程檢測驗收及雷電災(zāi)害風(fēng)險評估[M].北京：氣象出版社，2009.

[3] 張欣，楊天琦，楊仲江.地下建筑物遭受雷擊損害的風(fēng)險因子分析[J].電瓷避雷器，2014，3:44-48.

ZHANG Xin，YANG Tianqi，YANG Zhongjiang.Analysis of Risk Factors of Lightning Damage to Underground Build?ings[J].Insulators and Surge Arresters，2014（3）:44-47.

[4] 王蕙瑩，高金閣，李祥超.基于波的傳輸理論對電涌保護器能量配合分析[J].低壓電器，2010（22）：13-17，37.

WANG Huiying，GAO Jinge，LI Xiangchao.Analysis on energy coordination of surge protection device based on wave transportation theory[J].Low Voltage Apparatus，2010（22）:13-17，37.

[5] 柴健.SPD級間能量配合的研究分析[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2012.

[6] 盧燕.電涌保護器的性能與試驗方法研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2008.

[7] 李清泉，范士鋒，袁鵬，等.振蕩波兩級低壓浪涌保護器配合情況的實驗研究[J].高壓電器，2004，40（1）：9-10，13.

LI Qingquan，F(xiàn)AN Shifeng，YUAN Peng，et al.Experimen?tal study of the cascaded SPD coordination under ring wave[J].High Voltage Apparatus，2004，40（1）:9-10，13.

[8] 吳勁夫.電涌保護器級間能量配合設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2012，31（9）：41-43.

WU Jinfu.SPD stage to stage energy cooperating design[J].Coal Technology，2012，31（9）:41-43.

[9] 杜志航，楊仲江，姜山，等.基于限壓型電涌保護器能量配合的分析[J].電瓷避雷器，2009（5）：46-49.

DU Zhihang，YANG Zhongjiang，JIANG Shan，et al.Anal?yse on energy coordination between based on voltage limit?ingSPD[J].InsulatorsandSurgeArresters，2009（5）:46-49.

[10]牛萍，王培，趙佳歡，等.基于組合型電涌保護器能量配合的實驗研究[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報，2015，7（5）：463-468.

NIU Ping，WANG Pei，ZHAO Jiahuan，et al.Energy coor?dination of combined surge protective device[J].Journal of Nanjing University of Information Science&Technology:Natural Science Edition，2015，7（5）:463-468.

[11]李慶君，劉曉東，馬云海，等.低壓配電系統(tǒng)中多級電涌保護器的能量配合[J].內(nèi)蒙古氣象，2006（4）：56-57.

LI Qingjun，LIU Xiaodong，MA Yunhai，et al.Energy coor?dination of multistage surge Protector in low voltage distri?bution system[J].Meteorology Journal of Inner Mongolia，2006（4）:56-57.

[12]段振中，柴健，朱傳林.限壓型低壓電涌保護器級間能量配合方式的仿真研究[J].電瓷避雷器，2013（1）：102-106.

DUAN Zhenzhong，CHAI Jian，ZHU Chuanlin.Simulation research on energy cooperation mode between levels of Voltage-Limiting low voltage SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2013（1）:102-106.

[13]姜輝，劉全楨，劉寶全，等.低壓配電系統(tǒng)電涌保護器能量配合研究[J].電瓷避雷器，2013（3）：137-142.

JIANG Hui，LIU Quanzhen，LIU Baoquan，et al.Research on energy coordination of SPD in low-voltage distribution system[J].InsulatorsandSurgeArresters，2013（3）:137-142.

[14]李祥超，張棖，張鵬，等.限壓型SPD能量配合中退耦電感參數(shù)選擇的研究[J].電瓷避雷器，2012（6）：102-106.

LI Xiangchao，ZHANG Cheng，ZHANG Peng，et al.Re?search on the selection of decoupling inductance parame?ters in energy cooperation between voltage-limiting type SPDs[J].Insulators and Surge Arresters，2012（6）:102-106.

[15]張棟，傅正財，趙剛，等.低壓配電系統(tǒng)中浪涌保護器配合機理[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（7）：145-149，163.

ZHANG Dong，F(xiàn)U Zhengcai，ZHAO Gang，et al.The coor?dination mechanism of cascaded SPDs in low voltage distri?bution systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（7）:145-149，163.

[16]LI M，YUAN J，ZHAO Z.Low-voltage SPD coordination analysis[C].2011 Asia-Pacific International Conference on Lightning.Chengdu，2011:913-916.