錢建國，施正釵，李 英，俞 凱，周泰斌

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2. 國網(wǎng)溫州供電公司，浙江 溫州 325028)

0 引言

目前大量電子信息設(shè)備運(yùn)用于架空線路低壓系統(tǒng)，然而這些設(shè)備的絕緣耐壓水平是有限的，一旦過壓，設(shè)備就將受到損壞[1]。為防止雷電過壓及雷電電磁脈沖順著線路侵入而損壞設(shè)備，可以采用裝設(shè)電涌保護(hù)器(Surge Protective Device，SPD)[2-4]。在實(shí)際運(yùn)行的情況下，通常將多級SPD裝設(shè)在保護(hù)設(shè)備的前端以實(shí)現(xiàn)分級泄流的目的；同時(shí)也可以避免雷電沖擊電流或過電壓在線路上的高殘壓，從而達(dá)到保護(hù)單級SPD的目的[5]。

通過匹配多級SPD保護(hù)元件，可以實(shí)現(xiàn)使各級SPD根據(jù)本身的承受電壓能力平分雷電流。將其危害降至最低，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的目的[6]。假設(shè)多級SPD匹配不合理，則會造成供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當(dāng)其中一個(gè)SPD被破壞，保護(hù)設(shè)備將會受到嚴(yán)重影響，甚至危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[7]。

為此，本研究從保護(hù)元件的匹配方式入手。對壓敏電阻的3種組合進(jìn)行試驗(yàn)，得出可行的組合方式，且分析不同線路長度對能量匹配和系統(tǒng)安全性的影響。

1 SPD的理論分析

1.1 雷電流的數(shù)學(xué)模型

雷電流的幅值、陡度等會隨著時(shí)間發(fā)生改變，并且是單極性的脈沖波。在電力系統(tǒng)的預(yù)防雷電分析中，需要將雷電流的波形進(jìn)行處理，便于數(shù)學(xué)運(yùn)算[8]。其中，標(biāo)準(zhǔn)沖擊波可表示為雙指數(shù)函數(shù)波行：

i=AIm(e-αt-e-βt)

(1)

式中，A為波行校正系數(shù)，取1.025；Im為雷電流峰值；α、β分別為波前與波尾衰減系數(shù)，其中α=2.05×10-3μs-1，β=0.564 μs-1。

則8/20 μs電涌沖擊波形的函數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中，τ取3.911 μs。

1.2 SPD元器件

常見的SPD元器件包括氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)、半導(dǎo)體放電管和濾波器等元件等，其中使用頻率最高的是下述3類。

1)氣體放電管

氣體放電管作為一種短路型保護(hù)器件，通過陶瓷或玻璃將放電間隙進(jìn)行封裝[9]。當(dāng)對放電管進(jìn)行選型時(shí)，需要確保放電管的擊穿電壓最小值大于額定工作電壓的極值[10]。同時(shí)在線路穩(wěn)定情況下，當(dāng)電壓存在一定范圍的變化時(shí)，放電管也不允許啟動，且此時(shí)直流起弧電壓uoc應(yīng)符合：

min(uoc)≥1.25×1.15Uc

(3)

式中，Uc是額定電壓。通常放電管容許誤差是1/5，則：

(4)

氣體放電管具備通流容量大、極間電容小等優(yōu)點(diǎn)。但其起動電壓高，而且動作后會出現(xiàn)續(xù)流，因此適用于初級防雷保護(hù)[11]。

2)壓敏電阻

壓敏電阻是核心的過壓防護(hù)元件，當(dāng)施加的電壓小于設(shè)定的“壓敏電壓”時(shí)，電阻值高達(dá)到兆歐級，相當(dāng)于開路；當(dāng)高于設(shè)定閾值時(shí)，電阻值會迅速降低至毫歐姆級，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通[12-13]。

防雷系統(tǒng)中，壓敏電壓UmA應(yīng)不超過真實(shí)的電路電壓。UmA的計(jì)算為

UmA=au/bc

(5)

式中，a是電壓的改變參數(shù)，通常設(shè)成1.3；u是直流工作電壓；b是電壓偏差，通常設(shè)成0.84；c是元件老舊參數(shù)，通常設(shè)成0.89。

3)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)

TVS具備迅速的響應(yīng)速度與較強(qiáng)的浪涌承受實(shí)力，能夠起到保護(hù)設(shè)備的作用。在浪涌電壓作用下，極間電壓在從反向額定關(guān)斷電壓VWM躍升至擊穿電壓VBR的同時(shí)，會伴隨較高的擊穿電流。通過TVS的電流則會出現(xiàn)最大值IPP，而此時(shí)的電壓低于最大鉗位電壓VC[14]。

在進(jìn)行TVS的選型時(shí)，VWM應(yīng)小于設(shè)備的工作電壓；VC應(yīng)不超過設(shè)備的損壞電壓；最大峰值脈沖功率PM應(yīng)超過設(shè)備可能會產(chǎn)生的功率最大值[15-16]。

TVS具備響應(yīng)時(shí)間快、極間電壓小等優(yōu)點(diǎn)，但通流容量小。因此，適用于輔助防雷保護(hù)[17-18]。

2 復(fù)合型SPD匹配設(shè)計(jì)

2.1 壓敏電阻與氣體放電管的匹配

壓敏電阻與氣體放電管的配合是為了保證在受到?jīng)_擊電壓時(shí)，兩個(gè)不同電壓啟動值的SPD能夠同時(shí)動作，見圖1。通過一個(gè)具有較低磁導(dǎo)率的電感線圈V1，將其連接。

圖1 壓敏電阻和氣體放電管配合等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of varistor and gas discharge tube

當(dāng)雷擊電流流經(jīng)線路串聯(lián)電感時(shí)，由于電感對變化的雷電流會產(chǎn)生較大的感抗，以減小電壓行波的幅值，并增加入侵行波的時(shí)間，完成兩級能量的匹配。

由單獨(dú)實(shí)測各元件發(fā)現(xiàn)，氣體放電管在133 V沖擊電壓下開始起到限壓作用。壓敏電阻啟動電壓為42 V，此時(shí)殘壓為41.6 V。則去耦電感的最大值Lmax1與最小值Lmin1的計(jì)算如下：

(6)

式中，Ures1為氣體放電管的動作電壓，取133 V；Ures2為壓敏殘壓，取41.6 V；i為沖擊電流8/20 μs，imin取21 A，imax取5 A；U2為壓敏啟動電壓，取42 V；t為8 μs。

2.2 壓敏電阻與TVS的匹配

由于TVS響應(yīng)時(shí)間較快，而壓敏電阻則稍慢，響應(yīng)時(shí)間與啟動電壓均不同。為此，采用去耦電感進(jìn)行協(xié)調(diào)。利用導(dǎo)磁率較低的電感線圈將壓敏電阻與TVS進(jìn)行連接，見圖2。

圖2 壓敏電阻和TVS配合等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of varistor and TVS coordination

同樣，需要計(jì)算電感的取值。去耦電感的最大值Lmax2與最小值Lmin2的計(jì)算如下：

(7)

2.3 氣體放電管與TVS的匹配

由于TVS響應(yīng)時(shí)間較快，為保證受到?jīng)_擊電壓時(shí)不同時(shí)動作，利用去耦電感協(xié)調(diào)氣體放電管與TVS形成保護(hù)器，見圖3。

圖3 氣體放電管與TVS匹配等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of gas discharge tube and TVS coordination

其中，電感的數(shù)值可以參考前兩個(gè)匹配方案的最佳電感值。

2.4 氣體放電管、壓敏電阻與TVS的匹配

通過上述3個(gè)匹配設(shè)計(jì)的理論分析，將這3個(gè)元器件與兩個(gè)電感相結(jié)合，等效電路見圖4。

圖4 三級匹配等效電路圖Fig.4 Three-stage matching equivalent circuit diagram

其中，兩個(gè)電感的數(shù)值取決于前兩個(gè)匹配方案的最佳電感值。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)采用沖擊控制系統(tǒng)IGGS模擬產(chǎn)生的8/20 μs雷沖擊電流，依次施加不同電壓值的沖擊電壓，對多個(gè)SPD組成的多級保護(hù)系統(tǒng)做沖擊試驗(yàn)。

3.1 電感取值的安全性分析

在不同的電涌保護(hù)器匹配方案中，電感的最佳取值均有所差異，因此施加1 kV、2 kV和3 kV的沖擊電壓，通過限制電壓的大小選擇最安全的電感值。

1)壓敏電阻與氣體放電管的匹配

根據(jù)理論分析可知，當(dāng)壓敏電阻與氣體放電管匹配組成的兩級保護(hù)系統(tǒng)的去耦電感值范圍是34.8 μH～67.2 μH。則針對不同電感值用復(fù)合波對此匹配方案進(jìn)行測試，結(jié)果見圖5。

圖5 壓敏電阻配合氣體放電管時(shí)不同沖擊電壓下去耦電感與限制電壓的關(guān)系Fig.5 The relationship between different impulse voltage decoupling inductance and limiting voltage when varistor is matched with gas discharge tube

由圖5可知，隨著去耦電感值的增大，不同沖擊電壓下，限制電壓均呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢。由于當(dāng)電感為最小值34.8 μH時(shí)，此時(shí)還未達(dá)到最優(yōu)的匹配，所以壓敏電阻先完成泄流，之后氣體放電管再啟動。而SPD匹配的目的在于降低限制電壓，因此當(dāng)電感值取46.2 μH時(shí)，限制電壓最低且較為合適。

2)壓敏電阻與TVS的匹配

根據(jù)理論分析可知，當(dāng)壓敏電阻與TVS匹配組成的兩級保護(hù)系統(tǒng)的去耦電感值范圍是31.7 μH～49.6 μH。針對不同電感值施加0.5 kV、1 kV、1.5 kV、2 kV、2.5 kV的復(fù)合波對此匹配方案進(jìn)行測試，結(jié)果見圖6。

圖6 壓敏電阻配合TVS時(shí)不同沖擊電壓下去耦電感與限制電壓的關(guān)系Fig.6 The relationship between different impulse voltage decoupling inductance and limit voltage when varistor is matched with TVS

從圖6可以看出，隨著沖擊電壓的增大，不同電感值下，限制電壓變化較小。當(dāng)沖擊電壓為2.5 kV時(shí)，TVS損壞。對照單一TVS在不同電壓沖擊時(shí)的限制電壓，壓敏電阻起了泄流的作用，且使得TVS的耐受能力提高1 kV。對照單一壓敏電阻可知，該方式得到限制電壓較低。當(dāng)沖擊電壓為2 kV時(shí)，該匹配方式的限制電壓較單一壓敏電阻低0.1 kV。通過不同沖擊電壓曲線的綜合考慮，電感值設(shè)為41.6 μH較為合適。

3)氣體放電管與TVS的匹配

根據(jù)理論分析可知，當(dāng)氣體放電管與TVS匹配組成的兩級保護(hù)系統(tǒng)的去耦電感值范圍是35.5 μH～50.8 μH。針對不同電感值施加1.5 kV、2.5 kV、3.5 kV的復(fù)合波對此匹配方案進(jìn)行測試，結(jié)果見圖7。

圖7 氣體放電管配合TVS時(shí)不同沖擊電壓下去耦電感與限制電壓的關(guān)系Fig.7 The relationship between different impulse voltage decoupling inductance and limit voltage when varistor is matched with TVS

從圖7可以看出，隨著沖擊電壓的增大，不同電感值下，限制電壓變化較小。當(dāng)沖擊電壓為3.5 kV時(shí)，TVS損壞。對照單一TVS在不同電壓沖擊時(shí)的限制電壓，氣體放電管在對大流的通流能力較強(qiáng)，使得TVS的耐受能力提高1.5 kV。通過不同沖擊電壓曲線的綜合考慮，電感值設(shè)為44.8 μH較為合適。

4)氣體放電管、壓敏電阻與TVS的匹配

因此綜合兩種匹配方案的電感最佳取值，在氣體放電管、壓敏電阻與TVS的匹配方案中，兩個(gè)電感值分別為46.2 μH和41.6 μH。對于不同的沖擊電壓，響應(yīng)的限制電壓見圖8。

圖8 沖擊電壓與限制電壓的關(guān)系Fig.8 The relationship between impulse voltage and limit voltage

從圖8可以看出，對比兩級配合在相同沖擊電壓下的限制電壓，三級匹配后的限制電壓效果更優(yōu)。當(dāng)沖擊電壓為4 kV時(shí)，若是單一TVS，則會出現(xiàn)損壞。而該匹配方式下TVS的啟動電壓為32 V，并未被損壞。因此，三級匹配方式的耐壓性能得到了提升。當(dāng)兩級電感均處于最佳數(shù)值時(shí)，三級匹配方式能夠?qū)簯B(tài)過電壓限制在186 V，有效地將浪涌抑制到較低水平。

3.2 不同線路長度的安全性分析

由于線路長度不同，兩級SPD之間的電感值會產(chǎn)生差異，直接影響系統(tǒng)的安全性。因此以壓敏電阻與氣體放電管的匹配方案為例，基于EMTD仿真平臺，選擇放電管與壓敏電阻級間為1 m、5 m、10 m的導(dǎo)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中沖擊電壓選擇1.5 kV、2 kV、2.5 kV、3 kV，則級間通流隨沖擊電壓變化的能量匹配情況，見表1-表3。

表1 能量配合試驗(yàn)結(jié)果(1 m導(dǎo)線)Table 1 Energy coordination test results (1 m wire)

表2 能量配合試驗(yàn)結(jié)果(5 m導(dǎo)線)Table 2 Energy coordination test results (5 m wire)

表3 能量配合試驗(yàn)結(jié)果(10 m導(dǎo)線)Table 3 Energy coordination test results (10 m wire)

對比上述3個(gè)表格可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線路長度為1 m時(shí)，通過SPD2的電流較大， SPD 級間配合未成功。這是由于1 m的線路過短，線路分壓能力有限，無法有效的限制SPD2的電流和殘壓；當(dāng)線路長度為5 m時(shí)，通過SPD2電流較小，占總通流的0.9%～3.3%，二級SPD上的雷電流得到了有效限制；當(dāng)線路長度為10 m時(shí)，通過SPD2電流更小，配合較為成功，二級SPD 上的電流被限制在總通流的0.9%～1.9%。

綜合上述通過SPD2電流的變化趨勢，測試SPD2上的分流與線路長度的關(guān)系，見圖9。

圖9 SPD2的電流隨線路長度的變化曲線Fig.9 SPD2 current change curve with line length

從圖9中可以看出，隨著線路的增長，分流隨之降低。但當(dāng)線路超過20 m后，電流的下降幅度則并不明顯。因此SPD級間保持恰當(dāng)?shù)木嚯x為優(yōu)，可最大程度地保證架空線低壓系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了氣體放電管與壓敏電阻、壓敏電阻與TVS、氣體放電管與TVS 3種SPD匹配方式，并采用IGGS系統(tǒng)和EMTP仿真系統(tǒng)論證所提匹配方式的安全性測試。結(jié)果表明，氣體放電管與壓敏電阻配合時(shí)由于當(dāng)電感為最小值34.8 μH時(shí)，此時(shí)還未達(dá)到最優(yōu)的匹配，所以壓敏電阻先完成泄流，之后氣體放電管再啟動。而SPD匹配的目的在于降低限制電壓，因此當(dāng)電感值取46.2 μH時(shí)，限制電壓最低且較為合適。壓敏電阻與TVS匹配時(shí)，綜合考慮通過不同沖擊電壓曲線設(shè)置電感值為41.6 μH。氣體放電管與TVS匹配時(shí)，電感值設(shè)置為44.8 μH；而三級SPD匹配實(shí)驗(yàn)方案則能夠在適當(dāng)?shù)木€路距離(20 m)內(nèi)有效將電涌抑制到安全的水平。

目前研究的匹配方式僅在SPD間展開，未來的工作將研究不同類型的保護(hù)器件與低通濾波器組合下的限壓效果。