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组合波作用下负载性质对电涌保护器配合影响研究

更新时间:2016-07-05

0 引言

雷电浪涌是影响低压配电系统安全运行的主要威胁之一[1],电涌保护器(SPD)是抑制雷电过电压的重要设备,其中尤以氧化锌压敏电阻应用最为广泛[2]。SPD的选用取决于可能遭受的浪涌电压和浪涌电流及防护设备的绝缘耐压。为了确保对设备的有效防护,SPD往往还采用两级或多级配合保护方式[3]

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目前关于SPD的相关配合研究较为成熟,包括具体配合方式[4]、能量配合机理[5]、有效保护距离[6]等方面。但是目前SPD配合研究没有考虑不同负载性质对SPD前后级配合的影响,缺乏全面分析。GB18802.1—2011等相关规范[7-8]规定,针对SPD的性能测试必须采用组合波冲击,因此,分析组合波作用下负载性质对电涌保护器配合影响具有重要的价值。

本文利用PSCAD软件[9]搭建组合波发生电路,采用IEEE推荐的氧化锌压敏电阻等效模型,分析阻性、容性、感性负载幅值对负载过电压的影响,讨论负载性质对前后级SPD电流分流比与吸收能量的影响,为SPD的配合及设备的浪涌防护提供相关参考。

1 组合波发生电路

式中:

组合波浪涌信号发生器电路见图1。

图1 组合波浪涌发生电路 Fig.1 Circuit of a CWG

根据图1电路,列出电路方程,再进行拉氏变换,得到开路电压为

她走下车来,缩着瘦削的,但并不露骨的双肩,窘迫地走上人行路的时候,我开始注意着她的美丽了。美丽有许多方面,容颜的姣好固然是一重要因素,但风仪的温雅,肢体的停匀,甚至谈吐的不俗,至少是不惹厌,这些也有着份儿,而这个雨中的少女,我事后觉得她是全适合这几端的。

逆变换成时域公式为

图3给出了一个简单的组合波冲击试验电路模型。前后级SPD、SPD与负载之间均采用电缆连接,前后级SPD间电缆长度取10 m,SPD与负载间电缆长度取1 m。电缆采用PVC绝缘电缆[14],标称截面为2.5 mm2,相关的电气参数:R=0.007 28 Ω/m,L=0.316 μH/m,C=0.13 nF/m。

由图6可看出,3种负载下,前后级SPD分流比均随着负载幅值的增加而降低。容性负载下,分流比的变化幅度最小,阻性负载次之,感性负载变化幅度最大,但最后分流比变化幅度都趋于稳定。前后级SPD分流比受电缆长度影响非常大,前后级SPD间连接电缆长度为100 m时,分流比远大于连接电缆长度为10 m时分流比。由于电缆阻抗和SPD阻抗不匹配,引起冲击波在SPD间来回折反射产生振荡,电缆越长,后级等效阻抗越大,前级SPD分的电流幅值越大,分流比差异也越明显。

图5给出了不同阻性负载、容性负载、感性负载幅值下负载端过电压波形。

根据IEEE相关规范[10]给出的定义,组合波开路电压波形为1.2/50 μs,短路电流波形为8/20 μs,开路电压和短路电流幅值之比(虚拟阻抗)为2 Ω。判断冲击波形是否属于振荡波可通过其波尾时间tt与波头时间 tf比值[11],冲击电压波形的波尾时间 tt/tf<3.5,则其属于振荡波,反之为非振荡波;冲击电流波形的 tt/tf<3.8,则其属于振荡波。因此,1.2/50-8/20 μs组合波属于非振荡波电压、振荡波电流。

根据组合波波形参数,可以确定α、β、ω、δ的取值[12-13],从而求解出R1R2R3L。图2给出了组合波波形,开路电压波幅值6 kV,短路电流波幅值3 kA。

图2 组合波波形 Fig.2 Voltage and current surge waveforms for combination wave

2 试验电路模型

2.1 一般资料 病例组(120例)及对照组(70例)女性之间的年龄、BMI、孕次、产次比较,差异无统计学意义(P>0.05,表1)。

图3 试验电路模型 Fig.3 Experimental circuits

前后级SPD均采用氧化锌压敏电阻,IEEE压敏电阻模型[15]适用波头时间范围较宽,精确度高于传统的非线性电阻模型和非线性电感模型[16]。IEEE模型压敏电阻等值电路图见图4。

在IEEE模型中,SPD的限压特性主要通过非线性电阻A1A2体现,L0是构成内外部磁场的电感,R0是用来抑制数值振荡的电阻,C是压敏电阻固有电容,L1R1构成低通滤波器[15]。组合波作用下,SPD宜采用高低配合方式[4],仿真中前级SPD参考电压U1mA取750 V,10 kA雷电流冲击下残压为1 240 V,后级SPD参考电压U1mA取510 V,10 kA雷电流冲击下残压为845 V。

图4 IEEE推荐的MOA模型 Fig.4 MOA model recommended by IEEE

3 仿真结果分析

3.1 负载过电压

逆变换成时域公式为

图5 不同负载下过电压波形 Fig.5 Overvoltage across EUT with different types of loads

由图5可看出,阻性负载和容性负载对负载端过电压数值影响不大,感性负载对负载端过电压数值影响较大。容性负载对负载端过电压波形有很大影响,电容幅值越小,过电压波形振荡越明显。容性负载条件下,组合波能量在负载和冲击源之间来回振荡,同时电缆存在一定电阻,形成衰减振荡电压波形[17]

根据电力系统相关规程[18],380 V配电线路对地过电压倍数是4,幅值1.52 kV。负载端过电压限制在1.52 kV以内,则能保证设备的正常工作。可以看出,改变阻性、容性和感性负载的取值,负载端过电压均为超过1.52 kV,设备能够得到较好的保护,SPD配合取得良好的效果。

3.2 前后级SPD分流比

从图7可看出,不同负载对SPD吸收能量影响较大。感性负载下,前后级SPD吸收能量相差较大,阻性负载次之,容性负载最小。表1给出了不同负载取值下前后级SPD能量吸收比。

图6 不同负载下前后级SPD分流比 Fig.6 Split ratio of pre and post stage SPDs with different types of loads

短路电流为

3.3 前后级SPD吸收能量

合理的SPD两级配合需要确保合适的前后级能量吸收比,SPD吸收的能量计算如下:

式中:it)为流经SPD的瞬时电流;ut)为SPD两端瞬时电压。图7给出了不同负载下前后级SPD吸收能量曲线。

图7 不同负载下前后级SPD吸收能量 Fig.7 Energy absorbed by pre and post stage SPDs with different types of loads

图6给出了不同负载性质下前后级SPD电流分流比,分流比=流过前级SPD电流峰值/流过后级SPD电流峰值。

通过验证结果可以看出,这两种算法训练出的模型在识别潜在业务欺诈方面均有较好的效果,而且,概率后缀树模型的准确率高于马尔科夫模型且误识别率则低于马尔科夫模型。

表1 不同负载下前后级SPD能量吸收比 Table 1 Absorbed energy ratioof pre and post SPDs with different types of loads

能量吸收比3.9 4.6 9.8 1.9 2.2 4.9 55.9 79.3 100.4负载1电阻/Ω电容/μF电感/μH 10 100 0.1 1 10 1 10 100

通过表1可知,随着不同负载幅值的增大,前后级SPD能量吸收比均增加,感性负载能量吸收比增加幅度最大,阻性负载次之,容性负载最小。SPD两级配合的原则是前级泄放大电流,后级进行进一步限压[19]。感性负载下,前后级能量吸收比最高超过了100,前级SPD吸收了过多的能量,极易导致失效概率增加。阻性负载和容性负载的能量吸收比较小,SPD配合效果较好。

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4 结论

利用PSCAD软件搭建组合波发生电路,分析负载性质对于SPD配合特性的影响,得到如下结论:

1)阻性负载和容性负载对负载端过电压数值影响不大,感性负载对负载端过电压数值影响较大。电容幅值越小,负载端过电压波形振荡越明显。

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2)前后级SPD分流比随着阻性负载、容性负载、感性负载幅值的增加而降低。分流比受连接电缆长度影响非常大,连接电缆越长,分流比越高。

3)不同负载对前后级SPD能量吸收影响较大,随着负载幅值的增大,前后级SPD能量吸收比均有所增加。阻性负载和容性负载下,SPD配合能够取得较好的效果。

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陈晓聪,冉军德,谢怡,杨雪松,唐娟
《电瓷避雷器》 2018年第02期
《电瓷避雷器》2018年第02期文献

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