孫鵬宇,江 渝,張晨萌2，謝施君2，王 鑫，王 濤

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)，重慶 400044； 2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

電力設備，特別是電壓等級比較高的電力設備絕緣設計主要依據(jù)1.2/50 μs的標準雷電沖擊(standard lighting impulse waveform，SLIW)耐受電壓[1-4]。然而，由于變電站內(nèi)進線段衰減、折反射及繞組諧振等因素，變電站現(xiàn)場遭受的大多為非標準雷電沖擊電壓(non-standard lightning impulse waveform，NSLIW)，其波前時間可能在百納秒到數(shù)十微稍范圍內(nèi)變動，還會疊加頻率為幾百到幾兆赫茲較高幅值的振蕩[5-9]。這與現(xiàn)行標準規(guī)定的1.2/50 μs標準雷電沖擊電壓波形存在較大差異[10-15]，不利于高壓電氣設備的合理絕緣設計和絕緣考核[16-20]。

多年來，重慶大學、華北電力大學等高校進行了大量的站內(nèi)侵入沖擊電壓波形的在線監(jiān)測研究，并得到了大量的雷電侵入沖擊電壓波形數(shù)據(jù)，取得顯著進展。研究學者對多年的雷電侵入沖擊電壓波形數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，進一步得到了變電站內(nèi)雷電侵入沖擊電壓波形的典型特征，分析顯示采集所得的雷電波形均呈現(xiàn)為振蕩的衰減或上升的沖擊電壓波形[21]。因此有必要設計出一種可以產(chǎn)生非標準雷電沖擊電壓的發(fā)生裝置，對高壓電氣設備進行絕緣測試。

針對上述問題和需求，首先通過Matlab Simulink搭建電路仿真模型，通過運用電路理論等相關知識對仿真電路進行邏輯推導，進一步得出所設計電路產(chǎn)生的非標準雷電沖擊電壓的近似解析表達式，并在試驗室條件下設計出能夠產(chǎn)生非標準雷電沖擊電壓波形的裝置。

1 非標準雷電沖擊電壓發(fā)生回路

所設計的非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器的原理如圖1所示。圖1中：C為沖擊電壓發(fā)生器等值電容；g1為沖擊電壓發(fā)生器等值放電球隙；R1、R2分別為標準沖擊電壓發(fā)生器的波尾、波前電阻；L為電路中線路及電阻電感(外接電感或線路雜散電感)；R3、R4為電路中線路的阻尼電阻；Rd為波尾調(diào)節(jié)電阻，用于調(diào)節(jié)非標準沖擊電壓發(fā)生器的波尾時間Tt。當球隙g1擊穿時，發(fā)生器將標準的沖擊電壓施加到Cs上給其充電，當Cs上的電壓達到一定值時，擊穿球隙g2，這時發(fā)生器將產(chǎn)生非標準雷電沖擊電壓并施加到測量試品兩端。

圖1 非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器原理圖

由于非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器電路中，阻尼電阻R3、R4相對于電路中其他電阻來說相對較小，這里為方便計算忽略不計，當g1、g2球隙閉合時簡化的等效電路如圖2所示。

圖2 非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路

由圖2可知非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路是帶有電感、電容、電阻的多階回路，且電容C帶有一定的初始電壓值Uc(0_)，所以在這里用拉普拉斯變換來求解試品電容兩端的電壓U。非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路的拉普拉斯運算電路如圖3所示。

圖3 發(fā)生器拉普拉斯運算電路

通過電路運算可求出：

(1)

展開得：

(2)

為方便計算，令a=UC(0-)R1RdCCs，b=CR1+Cs(R1+R2)，d=CtRdLCs，e=LCs，f=CtRd+CsRd，近似可得：

(3)

對式(3)進行分式拆分化簡，得到有利于拉普拉斯反變換的式子為

(4)

式中，A、B為由a、b、d、e、f構成的量。式(4)經(jīng)拉普拉斯反變換后得：

(5)

由式(5)可知，所設計的非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓波形由一個負指數(shù)波形加一個振蕩的正弦波形組成，波形滿足非標準雷電沖擊波的要求。

2 Matlab Simulink仿真

根據(jù)非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路構建發(fā)生器仿真模型，如圖4所示。

圖4 發(fā)生器仿真模型

圖4中，由4組電容C串聯(lián)構成了四級標準的沖擊電壓發(fā)生器。假設電容C帶有一定的初始電壓Uc(0_)，開關g1在0.01 s時閉合，根據(jù)電路的有關計算設計出各元件參數(shù)，仿真出a、b兩種波形。在a波形中設置g2在0.010 05 s時閉合，a波形元件具體參數(shù)如表1所示。

在表1中，設置充電電容C的初始電壓為40 kV，四級串聯(lián)的總充電電壓為160 kV，由于實際電路中電感與導線中存在電阻，這里設置電路中的阻尼電阻R3、R4分別為20 Ω和10 Ω。利用Matlab Simulink進行仿真，在試驗電容Ct兩端得到的a波形如圖5所示。

圖5 沖擊電壓發(fā)生器振蕩波形a

由圖5可知：沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的波形在波峰處產(chǎn)生了下降的高頻振蕩，盡管由于電感電阻與線路中阻尼電阻的影響，振蕩持續(xù)5個周期，但仍然符合非標準雷電沖擊波的范圍。

接下來改變電容Cs的值，其他元件參數(shù)保持不變，仿真出b波形，并在b波形中設置g2在0.010 01 s時閉合。b波形元件的具體參數(shù)如表2所示，在試驗電容Ct兩端得到的波形如圖6所示。

圖6 沖擊電壓發(fā)生器振蕩波形b

由圖6可知：所設計的非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生了在波峰附近出現(xiàn)高頻振蕩的波形，滿足非標準雷電沖擊波的要求，達到了預期的結果。

3 實際設計電路運行結果

圖7 非標準沖擊電壓發(fā)生器

根據(jù)Matlab Simulink仿真電路設計出實際的非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器，如圖7所示。實際非標準雷電沖擊電壓發(fā)生器裝置由四級標準沖擊電壓發(fā)生裝置、外接設計電路、分壓器測試裝置構成。由于自然界中侵入變電站的雷電波多數(shù)呈負極性，這里設計發(fā)生器產(chǎn)生的電壓也為負極性，其中主電容C為1 μs，每級電容充電40 kV。

表1 a波形參數(shù)取值

表2 b波形參數(shù)取值

參照仿真電路a模型設計發(fā)生器其他元件參數(shù)，調(diào)波電感L=2.2 μs，波尾電阻Rd=20 kΩ，測量實際發(fā)生器產(chǎn)生的非標準雷電沖擊電壓波形如圖8所示。實測波前時間T1為0.21 μs，波尾時間為55.1 μs，波峰值為118.8 kV，誤差為19.32%，與仿真a波形結果相似，符合非標準雷電沖擊波的定義。

圖8 實際發(fā)生器產(chǎn)生的a波形

同樣參照仿真電路b模型設計發(fā)生器其他元件參數(shù)，設置電容Cs=425 pF，波尾電阻Rd=20 kΩ，實際發(fā)生器產(chǎn)生的非標準雷電沖擊電壓波形如圖9所示。實測波前時間T1為12.50 μs，波尾時間為74.2 μs，波峰值為107.0 kV，誤差為12.64%，與仿真b波形結果也相似，符合非標準雷電沖擊波的定義。

圖9 實際發(fā)生器產(chǎn)生的b波形

4 結 語

前面通過計算非標準雷電沖擊電壓回路的簡化運算，得到了試品電容兩端電壓與電路中元件的關系，并據(jù)此構建了沖擊電壓發(fā)生裝置。

通過對比仿真模型與實際電路的波形，驗證了實際得到的波形與仿真所得到的波形相似，且與統(tǒng)計得到的非標準雷電波形一致，進一步證實了設計的實際電路可以模擬產(chǎn)生變電站內(nèi)侵入的非標準雷電波，為接下來測量非標準雷電沖擊電壓對電介質(zhì)擊穿特性打下了基礎。