胡 偉， 貢春艷， 鄭一鳴， 洪 麗

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

輸配電技術(shù)

混合波作用下兩級(jí)低壓浪涌保護(hù)器配合規(guī)律的研究

胡 偉1， 貢春艷1， 鄭一鳴2， 洪 麗1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

在低壓配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)中，對(duì)一些敏感設(shè)備的過(guò)電壓保護(hù)采用單級(jí)SPD通常無(wú)法達(dá)到雷電防護(hù)水平的保護(hù)要求，需采用多級(jí)SPD配合的方式，才能達(dá)到更好的保護(hù)效果。在建立兩級(jí)SPD模型的基礎(chǔ)上，考慮了空載、電容負(fù)載、電感負(fù)載、電阻負(fù)載4種電纜末端負(fù)載及不同電纜長(zhǎng)度對(duì)SPD配合的影響，利用PSCAD仿真軟件研究了20kV/10 kA混合波形作用下兩級(jí)低壓SPD的配合規(guī)律。仿真結(jié)果表明，在兩級(jí)SPD保護(hù)系統(tǒng)中，前級(jí)SPD分流比通?？蛇_(dá)60%～100%，承受著相當(dāng)大部分雷電流，而后級(jí)SPD選擇不當(dāng)可能會(huì)使殘壓波形產(chǎn)生較大振蕩，由此帶來(lái)的較大殘壓幅值或較高振蕩頻率，對(duì)設(shè)備會(huì)有較大影響。

SPD配合；壓敏電阻；過(guò)電壓防護(hù)；混合波

0 引言

隨著近幾十年來(lái)電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，如今已經(jīng)進(jìn)入由微電子、通信技術(shù)引領(lǐng)的信息化時(shí)代。這些電子設(shè)備由于制造技術(shù)方面的原因，普遍存在絕緣水平低、過(guò)電壓電流耐受能力差等致命弱點(diǎn)[1]。雷電危害源是指雷擊產(chǎn)生的雷電流和伴隨雷電流的雷電電磁脈沖，由于電子設(shè)備在防雷性能上的缺陷，對(duì)其進(jìn)行浪涌防護(hù)十分必要。以壓敏電阻為核心制成的SPD（浪涌保護(hù)器）是綜合防護(hù)措施的最重要的手段，是組成LPZ（雷電防護(hù)區(qū)）的主要防護(hù)部件，目前已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的雷電防護(hù)。在低壓配電系統(tǒng)中，合理的SPD配合使用能有效限制系統(tǒng)的過(guò)電壓水平，保護(hù)用電設(shè)備的安全。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了較多的SPD配合研究[2-9]，IEC62305-4-2010《雷電防護(hù)第4部分：建筑物中電氣和電子系統(tǒng)》和GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》也給出了SPD選配的一般準(zhǔn)則，但只是一般意義上、概念性的選配原則，且考慮的因素較少，模型簡(jiǎn)單，缺乏對(duì)多種影響因素共同作用下系統(tǒng)性的研究。為此，選用PSCAD（電力系統(tǒng)計(jì)算輔助設(shè)計(jì)）軟件對(duì)兩級(jí)SPD問(wèn)題進(jìn)行仿真分析，考慮了端接負(fù)載、電纜長(zhǎng)度等因素對(duì)SPD配合的影響，深入探討了各因素的影響機(jī)理。

1 模型及參數(shù)

圖1為仿真所采用的兩級(jí)SPD配合的電路示意圖[2]。

圖1 兩級(jí)SPD配合電路

模型由混合波發(fā)生器、兩級(jí)SPD（SPD1和SPD2）電纜、負(fù)載組成。其中，電纜長(zhǎng)度可調(diào)，負(fù)載可分為空載、電容、電感、電阻4種類(lèi)型。仿真中配電網(wǎng)額定線(xiàn)電壓選380 V，根據(jù)IEC60664-1《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第1部分：原則、要求和試驗(yàn)》相關(guān)規(guī)定，220 V/380 V系統(tǒng)的過(guò)電壓等級(jí)為1500 V，負(fù)載的最大耐受電壓亦為此值。

1.1 混合波發(fā)生器

選用20kV/10 kA混合電流電壓波來(lái)模擬雷電沖擊，圖2為混合波發(fā)生器電路[3]。

圖2 20kV/10 kA混合波發(fā)生器

當(dāng)輸出端短路時(shí)，輸出電流為波頭波長(zhǎng)8/20 μs、幅值10 kA的雷電流沖擊波；當(dāng)輸出端開(kāi)路時(shí)，輸出電壓為波頭波長(zhǎng)1.2/50 μs、幅值20kV的雷電電壓波。開(kāi)路電壓峰值與短路電流峰值之比為2。

1.2 SPD參數(shù)的選擇

選用3種LA系列壓敏電阻為主要元件的SPD，其主要參數(shù)如表1所示。用于建模的壓敏電阻的伏安特性曲線(xiàn)可通過(guò)查閱產(chǎn)品手冊(cè)獲取。在PSCAD中，壓敏電阻用于非線(xiàn)性電阻模擬，數(shù)值計(jì)算方法采用分段線(xiàn)性化法[10]。

表1 仿真選用的壓敏電阻參數(shù)

1.3 配合方案

選用上述3種壓敏電阻，可組合出9種配合方式（見(jiàn)表2），表中壓敏電阻用其最大容許回路電壓表示。

表2 配合方式編號(hào)

以下將通過(guò)研究這9種配合方式在混合波作用下的特性，總結(jié)出兩級(jí)SPD保護(hù)的配合規(guī)律。

1.4 電纜模型參數(shù)

仿真選用單芯聚氯乙烯絕緣電纜，這是一種單芯無(wú)屏蔽電纜，其布置與幾何參數(shù)如圖3所示。其中，電纜埋深50mm；導(dǎo)體部分半徑0.8mm，相對(duì)介電常數(shù)4.55，電阻率為1.724×10-8Ω·m；絕緣層厚度0.6mm；土壤電阻率為100 Ω·m。

圖3 電纜布置

根據(jù)上述參數(shù)，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算可得，電纜單位長(zhǎng)度的電容C0=452.4 pF，單位長(zhǎng)度的電感L0=3.0685 μH，單位長(zhǎng)度的阻抗Z=（0.00862+ j0.000964）Ω，對(duì)地導(dǎo)納Y=（0+j1.421e-7）S，波阻抗Z0=92.4 Ω。以下分別針對(duì)1 m，5 m，10 m，15 m，20 m共5種電纜長(zhǎng)度進(jìn)行討論。

1.5 負(fù)載

考慮工程實(shí)際中電源線(xiàn)可能帶有不同類(lèi)型的電氣設(shè)備，因此仿真中對(duì)電源線(xiàn)末端情況作了不同考慮，將負(fù)載分為空載、容性負(fù)載、阻性負(fù)載、感性負(fù)載4種類(lèi)型。其中，電容值選為100 pF，電阻值選為10 Ω，電感值選為100 μH。

2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)所選仿真參數(shù)，對(duì)混合波作用下兩級(jí)SPD配合問(wèn)題進(jìn)行仿真。最大容許回路電壓與通流容量是壓敏電阻的主要參數(shù)，分析配合方案是否可行的依據(jù)是：通過(guò)SPD1的電流是否超過(guò)選用壓敏電阻的通流容量；SPD2上的殘壓是否超過(guò)設(shè)備最大耐受電壓值。因此沖擊電流及殘壓值是討論兩級(jí)SPD配合的關(guān)鍵。按照線(xiàn)路末端負(fù)載對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)分析兩級(jí)SPD分流情況及SPD2殘壓，討論配合方案、電纜長(zhǎng)度及端接負(fù)載對(duì)兩級(jí)SPD配合效果的綜合影響。

2.1 電纜末端空載

2.1.1 SPD1分流情況分析

計(jì)算電纜末端空載情況下，5種電纜長(zhǎng)度在9種配合方式下，SPD1，SPD2上流過(guò)的電流峰值與總電流峰值之比?？梢园l(fā)現(xiàn)，SPD1承受了絕大部分電流，故僅將SPD1上流過(guò)的電流峰值與總電流峰值之比示于表3。

表3 末端空載各種情況下流經(jīng)SPD1電流峰值與總電流峰值之比

從表3中可以看出：

（1）在各種情況下，SPD1上流經(jīng)的電流值比例都較大。在320-660配合方式下，流經(jīng)SPD1的電流峰值甚至基本與總電流峰值相等。即便是比例最小的情況（660-275），其值也達(dá)到68.9%。

壓敏電阻是一種非線(xiàn)性電阻，其伏安特性曲線(xiàn)隨著電流增大斜率變小，即電阻隨著電流的增大而減小。對(duì)于SPD1，承受著電纜入端的混合波，由于混合波具有較大的電壓幅值，在大電壓下，壓敏電阻表現(xiàn)為小電阻，因此會(huì)通過(guò)較大比例的電流，而混合波的電流峰值也十分可觀(guān)，因此，通過(guò)SPD1的電流絕對(duì)值也較大。

（2）對(duì)比各種配合方式的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，隨著電纜長(zhǎng)度增長(zhǎng)，SPD1分流比變大。

電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)電纜入端的等效阻抗就越大，越不利于電流的通過(guò)，在與SPD1分流時(shí)后者便會(huì)承受更大的電流。仿真結(jié)果與理論分析也是一致的。

（3）對(duì)于相同的SPD1、相同的電纜長(zhǎng)度，SPD2額定電壓越高，SPD1的分流便越大。

2.1.2 SPD2殘壓分析

通?；旌喜ń?jīng)過(guò)SPD1后仍有較大殘壓，對(duì)設(shè)備保護(hù)仍具有一定危險(xiǎn)性，因此需要配置SPD2進(jìn)一步限制過(guò)電壓的幅值。而SPD2上的殘壓即為作用在設(shè)備上的電壓，其值不能高于設(shè)備的電壓耐受峰值，因此，需要校驗(yàn)各種情況下殘壓的波形。仿真計(jì)算不同配合方式下不同電纜長(zhǎng)度SPD2上的殘壓，結(jié)果示于圖4。

觀(guān)察圖4，可以得出以下規(guī)律：

（1）電纜長(zhǎng)度對(duì)SPD2殘壓大小有一定影響，但影響不顯著。在各種配合方式下都呈現(xiàn)相同的規(guī)律：電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，波形衰減越大，SPD2殘壓越??；電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，時(shí)延越大。

（2）所選SPD2額定電壓為275 V時(shí)，限壓能力很好，殘壓波形基本沒(méi)有振蕩；額定電壓為320 V時(shí)，在50 μs處發(fā)生了較小的振蕩。所選SPD2額定電壓較大時(shí)，殘壓波形峰值較高并出現(xiàn)了振蕩，電纜長(zhǎng)度對(duì)殘壓峰值的影響體現(xiàn)在對(duì)振蕩情況的影響上?？梢钥闯觯娎|越長(zhǎng)，振蕩幅值越大，振蕩頻率越低。振蕩幅值過(guò)大有可能造成殘壓超過(guò)設(shè)備耐受能力，而振蕩頻率過(guò)高也會(huì)對(duì)設(shè)備安全造成嚴(yán)重影響。

（3）SPD2選用額定電壓較低（275 V，320 V）的壓敏電阻時(shí)，無(wú)論SPD1如何選擇，SPD2對(duì)過(guò)電壓均有較好的限制作用。因此，設(shè)備上殘壓的限制主要取決于SPD2的選擇。

2.2 端接電容

2.2.1 SPD1分流情況分析

計(jì)算線(xiàn)路末端空載情況下，5種電纜長(zhǎng)度在9種配合方式下，SPD1上流過(guò)的電流峰值與總電流峰值之比，結(jié)果示于表4。

表4 末端接電容各種情況下流經(jīng)SPD1電流峰值與總電流峰值之比

圖4 末端空載各種情況下SPD2上的殘壓

比較表3與表4，可以看出，電纜末端空載與端接電容的計(jì)算結(jié)果基本一致。這是由于將電纜用π型等效模型分析，線(xiàn)路末端存在一對(duì)地導(dǎo)納，此處所用電纜等效對(duì)地電導(dǎo)為0，即對(duì)地表現(xiàn)為一電容，電纜端接的電容值為100 pF，電容值較小，與線(xiàn)路等效的電容合并之后近似等于線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)電容的值，故端接小電容情況與空載情況基本相同。

2.2.2 SPD2殘壓分析

仿真計(jì)算端接電容時(shí)，不同配合方式下不同電纜長(zhǎng)度SPD2上的殘壓如圖5所示。

同樣可以看出，殘壓波形與空載情況基本一致，僅在振蕩處振蕩頻率有些許差異，這是由于接入電容對(duì)振蕩頻率產(chǎn)生了一定影響，這與理論分析也是一致的。

2.3 端接電感

2.3.1 SPD1分流情況分析

計(jì)算電纜末端接電感負(fù)載時(shí)，5種電纜長(zhǎng)度在9種配合方式下，SPD1上流過(guò)的電流峰值與總電流峰值之比示于表5。

端接電感時(shí)SPD1電流峰值與總電流峰值之比變化規(guī)律與空載和端接電容的情況基本一致，與理論分析也是一致的，但其值較空載情況小。

2.3.2 SPD2殘壓分析

仿真計(jì)算端接電感時(shí)，不同配合方式下不同電纜長(zhǎng)度SPD2上的殘壓波形如圖6所示。

可以發(fā)現(xiàn)，殘壓波形與空載時(shí)對(duì)應(yīng)的波形均十分相近，但在選擇額定電壓較高的SPD2時(shí)，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的振蕩，即SPD2的選擇決定了是否產(chǎn)生振蕩。殘壓波形的振蕩幅值較端接電容負(fù)載情況更大，個(gè)別情況甚至超過(guò)了1500 V的設(shè)備耐受值，且振蕩的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、衰減較慢。同時(shí)殘壓的振蕩也呈現(xiàn)出電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，振蕩頻率越低，振蕩幅值越大的規(guī)律。

表5 末端接電感各種情況下流經(jīng)SPD1電流峰值與總電流峰值之比

圖5 端接電容各種情況下SPD2上的殘壓

由于電纜的等值電阻較小，因此阻尼作用較小。當(dāng)選用額定電壓較低的SPD2時(shí)，SPD2對(duì)殘壓波形的阻尼作用也較小，所以殘壓波形會(huì)出現(xiàn)較為明顯的振蕩現(xiàn)象。電纜端部接電感，與電纜的參數(shù)相配合，因此會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的振蕩波。

2.4 端接電阻

2.4.1 SPD1分流情況分析

仿真計(jì)算端接電阻時(shí)，5種電纜長(zhǎng)度在9種配合方式下流經(jīng)SPD1的電流峰值與總電流峰值之比，結(jié)果示于表6。

表6 末端接電阻各種情況下流經(jīng)SPD1的電流峰值與總電流峰值之比

可以看出，SPD1分流隨電纜長(zhǎng)度和配合方式的變化所呈現(xiàn)出規(guī)律仍與空載時(shí)一致。端接電阻時(shí)，SPD1分流較空載時(shí)小。

2.4.2 SPD2殘壓分析

仿真計(jì)算端接電感時(shí)，不同配合方式下不同電纜長(zhǎng)度SPD2上的殘壓波形如圖7所示。

對(duì)比圖4可發(fā)現(xiàn)，殘壓波形與空載情況相比在峰值上并無(wú)太大差異，但在波形上明顯不同。在波形較陡的地方，電阻負(fù)載情況下有較大的衰減，且隨著電纜長(zhǎng)度增長(zhǎng)，衰減越明顯。與空載、電容負(fù)載及電感負(fù)載不同，在選用額定電壓較大的SPD2時(shí)，阻性負(fù)載情況下不會(huì)出現(xiàn)振蕩，可見(jiàn)電阻對(duì)波形的振蕩具有較明顯的衰減作用。因此在負(fù)載為電阻時(shí)，可適當(dāng)放寬限壓的要求。

圖6 端接電感各種情況下SPD2上的殘壓

圖7 端接電阻各種情況下SPD2上的殘壓

3 結(jié)論

針對(duì)不同負(fù)載情況，研究了兩級(jí)SPD防雷保護(hù)系統(tǒng)的配合規(guī)律，分析了電纜長(zhǎng)度、配合方式、負(fù)載類(lèi)型對(duì)SPD1分流情況與SPD2殘壓的影響規(guī)律。得出了以下結(jié)論：

（1）在兩級(jí)SPD配合系統(tǒng)中，SPD1上流經(jīng)的電流占總電流的60%以上，嚴(yán)重時(shí)甚至可以達(dá)到100%。進(jìn)一步考察兩級(jí)SPD上吸收功率占總功率之比，發(fā)現(xiàn)不同負(fù)載情況下計(jì)算結(jié)果十分接近，變化規(guī)律一致。故僅將空載情況的計(jì)算結(jié)果示于表7、表8。

表7 末端空載各種情況下流經(jīng)SPD1吸收功率與總功率之比

表8 末端空載各種情況下流經(jīng)SPD2吸收功率與總功率之比

可以發(fā)現(xiàn)雷電波的功率大部分被SPD1吸收，在所選SPD1額定電壓較低時(shí)尤為嚴(yán)重，因此在選擇SPD1時(shí)還需注意能量耗散問(wèn)題。

隨著電纜長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，SPD1的分流比增大；選用SPD2的額定電壓越大，SPD1分流比越大。

負(fù)載類(lèi)型對(duì)SPD1的分流比及功率分配比沒(méi)有顯著影響?？蛰d與電容負(fù)載對(duì)應(yīng)的SPD1分流比最大，其次是電感負(fù)載，電容負(fù)載最小，但差異很小。綜上所述，對(duì)所有類(lèi)型的負(fù)載，選取SPD1時(shí)需選擇具有較大通流容量的壓敏電阻。對(duì)于線(xiàn)路較短的情況，可以通過(guò)選取額定電壓較小的SPD2達(dá)到限制SPD1電流的目的；對(duì)于線(xiàn)路較長(zhǎng)的情況，SPD1分流比例很大，只能通過(guò)選取通流容量較大的SPD或者采取多級(jí)保護(hù)的措施。

（2）電纜長(zhǎng)度對(duì)殘壓大小有一定影響但不顯著。電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，SPD2的殘壓波形衰減越快，殘壓峰值越小。選用額定電壓較小的SPD2能起到較好的限壓作用，設(shè)備上殘壓的限制主要取決于SPD2的選擇。

當(dāng)電纜末端空載、接電容負(fù)載或接電感負(fù)載時(shí)，若選用的SPD2額定電壓較大，則殘壓波形峰值較大且會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，振蕩幅值越大，振蕩頻率越低，端接電感產(chǎn)生的殘壓振蕩比末端空載與端接電容情況更為嚴(yán)重，振蕩持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，衰減較為緩慢。而端接電阻時(shí)，對(duì)于文中所述仿真選用的電阻值，并未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，可見(jiàn)阻性負(fù)載有較為明顯的阻尼作用。

因此，為限制設(shè)備上過(guò)電壓峰值，同時(shí)避免振蕩，應(yīng)選用額定電壓較低的壓敏電阻作為SPD2，當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，可適當(dāng)放寬限壓的要求。

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（本文編輯：方明霞）

Study on the Coordination of Two-stage Low Voltage Surge Protective Device under Mixed Waves

HU Wei1，GONG Chunyan1，ZHENG Yiming2，HONG Li1
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou310009，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou310014，China）

In the lightning protection of low voltage distribution system，single-stage surge protection devices（SPD）cannot reach the lightning protection requirements for some sensitive devices.Thus，multi-stage SPD is adopted to achieve better protection effects.In this paper，coordination regulation of two-stage SPD was investigated under the mixed waves of20kV/10 kA.Four circumstances of cable terminal load，no load，capacitance load，inductance load and resistance load were considered as well as the cable length in the coordination regulation investigation.The simulation results indicate that the current ratio of the former SPD is approximately60%～100%，which endures the most lightning current；the latter SPD may influence the waveform of the remained voltage，leading to high voltage amplitude or high oscillation frequency，which may have significant impact on the devices.

SPD coordination；voltage-dependent resistor；over-voltage protection；mixed waves

TM862

：A

：1007-1881（2016）09-0001-07

2016-04-22

胡 偉（1980），男，高級(jí)工程師，從事高壓輸電線(xiàn)路、電纜及配電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維、管理工作。