矯 真，王兆軍，李 驍，趙 曦，郭紅霞，李付存，劉麗君

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司武城縣供電公司，山東 德州 253300；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250000)

0 引 言

低碳環(huán)保是我國(guó)經(jīng)濟(jì)未來發(fā)展的主旋律，新能源汽車具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]，數(shù)量與日俱增，新能源汽車充換電站數(shù)量分布也越來越廣。充換電站的普及也伴隨著日益嚴(yán)重的雷電災(zāi)害威脅[3]。充換電站大多設(shè)在郊區(qū)、路邊較空曠的地方，遭受雷電直擊或線路過電壓沖擊概率較大，極易損壞充電站電源和信號(hào)采集設(shè)備，造成充電與收費(fèi)系統(tǒng)故障甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

當(dāng)線路因雷擊產(chǎn)生浪涌過電壓后，過電壓沿線路向采集終端傳播過程中波形會(huì)產(chǎn)生多次折反射[4-6]，呈現(xiàn)較為明顯的振蕩，而非脈沖狀，利用電涌保護(hù)器進(jìn)行設(shè)備防護(hù)時(shí)必須考慮這點(diǎn)差異。此外，由于配電柜和充電樁間存在一定距離，還需要詳細(xì)分析前后級(jí)電涌保護(hù)器間的能量配合與有效保護(hù)距離[7,8]，提供針對(duì)性的防護(hù)。

筆者根據(jù)新能源汽車充電站的結(jié)構(gòu)原理，利用ATP-EMTP[9]軟件搭建充電站簡(jiǎn)化模型，計(jì)算充電站不同部位過電壓幅值，分析充電樁安裝末端電涌保護(hù)器的防護(hù)效果，討論雷擊點(diǎn)距變壓器高壓側(cè)距離、配電柜與充電樁連接電纜長(zhǎng)度、末端電涌保護(hù)器接地電阻對(duì)終端浪涌過電壓的影響，為充電站的雷電浪涌防護(hù)提供參考。

1 新能源汽車充電站的雷害途徑

雷電對(duì)新能源汽車充電站危害途徑主要有以下4種[10]：雷電直擊、雷電電磁感應(yīng)耦合、雷電波侵入和地電位反擊。圖1給出了一個(gè)典型新能源汽車充電站雷電危害途徑示意圖[11]。

圖1 充電站雷電危害途徑Fig.1 Ways of lightning damage to the charging station

四種危害途徑當(dāng)中，雷電波侵入造成的雷害事故所占比重很大，充電站作為建(構(gòu))筑物，一般其雷電直擊防護(hù)措施較為完善，但對(duì)雷電波侵入防護(hù)重視程度仍顯不足。低壓架空線路分布廣泛，直接雷擊或線路附近雷擊導(dǎo)致線路上產(chǎn)生雷電過電壓，過電壓沿線路侵入充電站，造成站內(nèi)電氣設(shè)備絕緣擊穿、相間短路，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備起火。

2 雷電浪涌侵入波仿真

2.1 雷電流模型

雷電流模型選用較為符合實(shí)際觀測(cè)的Heidler模型，其表達(dá)式為[12]：

(1)

式中，Im為雷電流幅值；τ1電流波形上升時(shí)間，τ2為衰減時(shí)間常數(shù)；n與雷電流陡度有關(guān)，IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦取10。

本研究波形取2.6/50 μs。

2.2 充電站電源系統(tǒng)模型

直接充電設(shè)備是充電站的核心[13]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，超過80%的充電設(shè)備雷害事故是由雷電浪涌通過電源線引入。圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的充電站電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，主要包括10 kV線路、10 kV箱變、220 V/380 V電纜、交流配電柜、交流充電樁。

圖2 充電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of power system in the charging station

10 kV線路導(dǎo)線采用Jmatri模型，型號(hào)為L(zhǎng)GJ-50，導(dǎo)線高度9.8 m，線路檔距50 m。桿塔波阻抗取250 Ω，電感平均值取0.84 μH/m。380 V電纜采用Bergeron模型，標(biāo)稱截面120 mm2，波阻抗82.37 Ω。

10 kV箱式變壓器容量為500 kVA，簡(jiǎn)單的π型變壓器電路模型無法體現(xiàn)雷電沖擊過電壓作用下的高頻特性，因此采用Janiszewski等人提出的配電變壓器高頻模型，等效電路如圖3所示[14]。

圖3 變壓器高頻模型Fig.3 High-frequency model of the transformer

2.3 電涌保護(hù)器模型

箱變高壓側(cè)、箱變到交流配電柜處安裝避雷器和電涌保護(hù)器，其流經(jīng)電流與電壓之間服從下式[15]關(guān)系：

i=kuα

(2)

式中，i為流經(jīng)避雷器或電涌保護(hù)器的電流，u為避雷器或電涌保護(hù)器上電壓。系數(shù)k和α根據(jù)產(chǎn)品具體數(shù)據(jù)擬合得到。

仿真中，10 kV變壓器高壓側(cè)避雷器型號(hào)[15]為HY5WZ-17/45，直流參考電壓U1 mA為25 kV，交流配電柜進(jìn)線處電涌保護(hù)器型號(hào)為XGMD-40，電壓保護(hù)水平Up≤1.8 kV。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 波 形

圖4給出了距變壓器高壓側(cè)100 m線路遭受雷擊時(shí)，充電站配電柜與末端充電樁過電壓波形。雷電流幅值50 kA，波形取2.6/50 μs[16]，對(duì)應(yīng)放電通道波阻抗700 Ω。

圖4 浪涌過電壓波形Fig.4 Waveform of lightning surge overvoltages

從圖4可以看出，配電柜前端安裝電涌保護(hù)器后，傳遞至配電柜和充電樁的浪涌過電壓得到了一定程度的抑制，但是由于系統(tǒng)內(nèi)各處設(shè)備阻抗不匹配，過電壓波發(fā)生多次折反射，最終傳播到充電樁終端時(shí)，波形發(fā)生了較大改變，尾部震蕩較為明顯，且波頭較陡，這不利于電涌保護(hù)器的防護(hù)[17]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[18]，配電系統(tǒng)中III類設(shè)備的絕緣耐沖擊電壓不超過4 kV，I類設(shè)備的絕緣耐沖擊電壓不超過1.5 kV，可見浪涌過電壓對(duì)終端充電樁計(jì)量控制設(shè)備仍然存在威脅。

3.2 末端電涌保護(hù)器

圖5給出了充電樁安裝末端電涌保護(hù)器后，改變雷擊點(diǎn)距變壓器距離時(shí)，充電樁過電壓波形。充電樁末端電涌保護(hù)器型號(hào)為XGMD-10，電壓保護(hù)水平Up≤1.1 kV。

圖5 不同雷擊點(diǎn)距變壓器距離下充電樁過電壓Fig.5 Lightning overvoltages of the charging pile under different distance from lightning strike point to the transformer

由圖5可以看出，充電樁未安終端電涌保護(hù)器時(shí)，浪涌過電壓幅值為2.4 kV，安裝電涌保護(hù)器后過電壓降低至0.8 kV，保護(hù)效果明顯。

3.3 連接電纜

圖6給出了配電柜與充電樁不同連接電纜長(zhǎng)度下末端過電壓幅值。

圖6 不同長(zhǎng)度連接電纜下充電樁過電壓Fig.6 Lightning overvoltages of the charging pile under differentlength of the connecting cable

圖6表明，配電柜與充電樁之間的連接電纜長(zhǎng)度對(duì)充電終端過電壓幅值影響較大。受充電終端設(shè)備與電纜阻抗之間的諧振影響，導(dǎo)致配電柜處電涌保護(hù)器保護(hù)距離有限，過電壓隨著電纜長(zhǎng)度的增加而增大[19]。此外，雷電流波頭時(shí)間對(duì)終端過電壓也存在一定影響，波頭時(shí)間越短，過電壓幅值越高?？紤]到電子設(shè)備內(nèi)部芯片等器件過電壓耐受能力較弱，IEC規(guī)范將電子設(shè)備絕緣耐沖擊電壓降低至1 kV，因此建議對(duì)應(yīng)的連接電纜長(zhǎng)度應(yīng)不超過20 m。

3.4 接地電阻

圖7給出了不同末端電涌保護(hù)器接地電阻情況下充電樁末端過電壓幅值。

圖7 不同接地電阻下充電樁過電壓Fig.7 Lightning overvoltages of the charging pile under different ground resistances

圖7可以看出，接地電阻對(duì)終端過電壓影響非常明顯。接地電阻從10 Ω增加至200 Ω時(shí)，終端過電壓增大了74.7%?？梢姡拥仉娮枳柚翟酱?，終端過電壓幅值越高，電涌保護(hù)器防護(hù)效果也越差。需要盡可能降低電涌保護(hù)器接地電阻，可以充分利用建筑基礎(chǔ)形成共用接地。

4 結(jié) 論

通過EMTP軟件建立新能源汽車充電站電路模型，對(duì)充電站浪涌侵入波防護(hù)進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下。

1)10 kV線路遭受雷擊后，傳遞至配電柜和充電樁的雷電過電壓波形呈現(xiàn)較為明顯的尾部振蕩，過電壓幅值仍然較高。

2)在充電樁末端安裝電涌保護(hù)器后能夠進(jìn)一步抑制浪涌過電壓，雷擊點(diǎn)距變壓器高壓側(cè)距離越遠(yuǎn)，充電樁末端過電壓幅值越高。

3)配電柜與充電樁連接電纜長(zhǎng)度影響充電樁末端過電壓，電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，過電壓幅值越高。

4)接地電阻對(duì)充電樁末端電涌保護(hù)器的防護(hù)效果影響很大，阻值越大，充電末端過電壓幅值越高。