苏 奎，马媛媛

（1.山东山大电力技术有限公司，济南 250353；2.青岛酒店管理职业技术学院，山东青岛 266100）

标准衰减振荡波下压敏电阻能量配合研究

苏 奎1，马媛媛2

（1.山东山大电力技术有限公司，济南 250353；2.青岛酒店管理职业技术学院，山东青岛 266100）

为了有效利用压敏电阻对真实雷电过电压进行防护，需要对标准衰减振荡波下压敏电阻能量配合进行研究。利用EMTP软件搭建0.5 μs-100 kHz标准振荡波发生电路，采用IEEE压敏电阻模型进行仿真冲击。分析前后级压敏电阻采用高低配合与低高配合方式的防护效果。最后讨论不同前后级压敏电阻连接导线长度对分流和能量吸收的影响。分析结果表明：压敏电阻残压随着充电电压的增加而增大，低高配合方式下，前级压敏电阻承受了绝大部分雷电流和能量，配合效果不如高低配合方式。前后级连接导线长度增加时，流过前级和后级的电流峰值均降低，但前级吸收能量增加，后级吸收能量降低。标准衰减振荡波作用下，压敏电阻前后级采用高低配合方式较为理想。

压敏电阻；标准振荡波；能量配合

0 引言

雷电过电压是电力系统面临的突出危害之一[1]，氧化锌压敏电阻因其优异的非线性成为抑制过电压的重要设备，在电力系统中得到广泛应用[2]。为了实现对设备的有效防护，压敏电阻常常采用两级或多级保护方式[3]。目前对压敏电阻配合机理的研究多是在 8/20 μs或10/350 μs冲击源作用下[4-6]，具体配合方式、有效保护距离等相关研究较为成熟[7-9]。但是实测线路雷电过电压观测数据和人工引雷数据[10-11]都表明：过电压波形呈衰减振荡，且首个脉冲波头时间非常短。采用8/20 μs或10/350 μs等单脉冲冲击源进行压敏电阻配合分析可能与真实雷电过电压波作用存在一定差异。IEEE标准[12]推荐采用0.5 μs-100 kHz标准振荡波模拟真实雷电过电压波形，需要研究标准衰减振荡波作用下压敏电阻能量配合特性。

笔者利用EMTP[13]搭建标准振荡波发生回路，采用IEEE推荐的压敏电阻片等效模型，分析压敏电阻高低配合与低高配合方式的保护效果。最后讨论前后级连接导线长度对前后级压敏电阻流过电流和吸收能量的影响，为标准衰减振荡波下压敏电阻配合提供参考。

1 标准振荡波发生器模型

根据IEEE给出的0.5 μs-100 kHz标准振荡波定义[3]，第1个波头时间为0.5 μs，振荡频率为100 kHz，在3～6个周期内幅值衰减至初始峰值的50%以下。图1给出了标准振荡波发生器电路图。图2给出了典型标准振荡波波形，幅值为6 kV。

图1 标准振荡波发生器电路Fig.1 Circuit of the normal ring wave generator

图2 0.5 μs-100 kHz标准振荡波Fig.2 0.5 μs-100 kHz normal ring wave

2 压敏电阻模型

压敏电阻的保护水平与暂态波的频率分量有关，波头时间较陡情况下，电阻片残压与标准雷电波冲击下的电阻片特性有较大差异，电流陡波效应较为明显[14-15]。目前较为常用的压敏电阻片模型主要有非线性电阻模型、非线性电感模型、IEEE模型[16]和PG模型。IEEE模型适用波头时间范围较宽，得到广泛应用[15]。图3给出了IEEE压敏电阻片模型等值电路图。

在IEEE模型中，L1、R1组成低通滤波器，L0是构成内外部磁场的电感，R0是抑制数值振荡的电阻，C是压敏电阻固有电容。当波头时间较短时，L1、R1并联阻抗的影响逐渐突出，非线性电阻A0电压高于A1，导致压敏电阻片残压较高。模型中各参数的取值与压敏电阻结构有关，具体计算公式参见相关文献[16]。

图3 IEEE推荐的MOA模型Fig.3 MOA model of IEEE

仿真中压敏电阻参考电压分别为390 V和680 V，对应10kA电流冲击下，电阻片的残压为650V和1120 V。仿真试验中采取680-390 V高低配合与390-680 V，低高配合两种保护方式[17-18]。前后级压敏电阻之间采用导线连接，导线长度为10 m。由于标准振荡波波头时间较短，将线路等效为电阻与电阻串联，单位长度电阻0.062 Ω/m，单位长度电感2.48 μH/m。

3 仿真分析

3.1 前后级残压与分流

图4（a）和图4（b）分别给出了高低配合方式与低高配合方式下前后级压敏电阻残压。

图4 不同配合方式下前后级残压Fig.4 Residual voltages under different coordination modes

由图4可看出，高低配合方式与低高配合方式下，压敏电阻残压都得到了一定程度的限制，残压都是逐渐衰减趋于零。高低配合方式下前后级残压相差不大，低高配合方式下前后级残压相差较明显。

表1和表2分别给出了不同充电电压下，高低配合方式与低高配合方式下前后级压敏电阻残压与流过电流。

表1 高低配合方式下前后级残压与电流Table 1 Residual voltages and currents under high-low coordination mode

表2 低高配合方式下前后级残压与电流Table 2 Residual voltages and currents under low-high coordination mode

通过对比表1和表2发现，高低配合方式与低高配合方式下前后级压敏电阻残压与流过电流都随着充电电压的增加而增大。高低配合方式下，大部分雷电流经由前级680 V压敏电阻泄放，后级泄放电流占比随充电电压增加而降低，10 kV充电电压下，后级泄放电流占前级的18%左右。低高配合方式下，绝大部分雷电流经由前级390 V压敏电阻泄放，后级泄放电流极少，10 kV充电电压下，后级泄放电流仅占前级的5%左右。

3.2 前后级吸收能量

图5给出了不同配合方式下，前后级压敏电阻吸收能量随充电电压变化情况。

由图5可看出，高低配合方式与低高配合方式下前后级压敏电阻吸收能量都随着充电电压的增加而增大。压敏电阻两级配合的原则是前级泄放大电流，后级进行进一步电压限制[19-20]。但是低高配合方式下，前级压敏电阻吸收了绝大部分能量，后级压敏电阻吸收能量极少，能量吸收比最高达41，这种方式下前级集中了过多能量会导致失效概率增加。高低配合方式下前后级能量吸收比最高仅为3.16，因此对于标准振荡波的防护而言，压敏电阻采用高低配合方式要优于低高配合方式。

图5 不同配合方式下前后级吸收能量Fig.5 Absorbed energy under different coordination modes

3.3 连接导线长度影响

除了充电电压外，压敏电阻前后级连接导线长度也会对级间配合产生一定影响[19]。图6给出了不同连接导线长度下，前后级压敏电阻电流及吸收能量变化情况。

图6 前后级电流随连接导线长度变化Fig.6 Current vs length of cable

图7 前后级吸收能量随连接导线长度变化Fig.7 Absorbed energy vs length of cable

从图6和图7可看出，当两级间连接导线长度增加时，流过前级和后级压敏电阻的电流峰值均有所降低。前级压敏电阻吸收能量有所增加，但增加幅度不大，后级压敏电阻吸收能量则有所减小。

4 结论

利用EMTP搭建0.5 μs-100 kHz标准振荡波发生电路，对两级压敏电阻配合方式进行了仿真分析，得到如下结论：

1）压敏电阻高低配合方式与低高配合方式下，电路残压都得到了一定程度的限制，但是低高配合方式下，绝大部分雷电流和能量由前级压敏电阻承受，容易导致前级压敏电阻损坏。

2）当前后级压敏电阻连接导线长度增加时，流过前级和后级的电流峰值均降低，但前级吸收能量有所增加，后级吸收能量降低。

[1]张纬钹，何金良.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.

[2]熊泰昌.电力避雷器[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[3]张栋，傅正财，赵刚，等.低压配电系统中浪涌保护器配合机理[J].电工技术学报，2009，24（7）：145-149.ZHANG Dong，FU Zhengcai，ZHAO Gang，et al.The co⁃ordination mechanism of cascaded SPDs in low voltage dis⁃tribution systems[J].Transactions of China Electrotechni⁃cal Society，2009，24（7）:145-149.

[4]杜志航，杨仲江，姜山，等.基于限压型电涌保护器能量配合的分析[J].电瓷避雷器，2009（5）：46-49.DU Zhihang，YANG Zhongjiang，JIANG Shan，et al.Analyse on energy coordination between based on voltage limiting SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2009（5）:46-49.

[5]姜辉，刘全桢，刘宝全，等.低压配电系统电涌保护器能量配合研究[J].电瓷避雷器，2013（3）：137-142.JIANG Hui，LIU Quanzhen，LIU Baoquan，et al.Re⁃search on energy coordination of SPD in low-voltage distri⁃bution system[J].Insulators and Surge Arresters，2013（3）:137-142.

[6]LI M，YUAN J，ZHAO Z.Low-voltage SPD coordination analysis[C].2011 Asia-Pacific International Conference on Lightning.Chengdu，2011:913-916.

[7]袁智勇，许菁，何金良，等.低压浪涌保护器的有效保护距离[J].高电压技术，2003，29（8）：29-31.YUAN Zhiyong，XU Jing，HE Jinliang，et al.Analysis of the effective protection distance of Low-Voltage SPD to equipment[J].High Voltage Engineering，2003，29（8）:29-31.

[8]盛财旺，张小青，陈灏，等.三种低压交流电源系统防雷保护电路的保护性分析[J].电瓷避雷器，2011（2）：48-52.SHENG Caiwang，ZHANG Xiaoqing，CHEN Hao，et al.Analysis of three types of lighting protection circuit for low voltage AC power system[J].Insulators and Surge Arrest⁃ers，2011（2）:48-52.

[9]段振中，柴健，朱传林.限压型低压电涌保护器级间能量配合方式的仿真研究[J].电瓷避雷器，2013（1）：102-106.DUAN Zhenzhong，CHAI Jian，ZHU Chuanlin.Simula⁃tion research on energy cooperation mode between levels of Voltage-Limiting low voltage SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2013（1）:102-106.

[10]张义军，张阳，郑栋，等.2008-2014年广东人工触发闪电电流特征[J].高电压技术，2016，40（11）：3404-3414.ZHANG Yijun，ZHANG Yang，ZHENG Dong，et al.Cur⁃rent characteristics of triggered lightnings in Guangdong from 2008 to 2014[J].High Voltage Engineering，2016，40（11）:3404-3414.

[11]申元，马仪，王磊，等.实测过电压/雷电流信号小波去噪方案探究[J].电工电能新技术，2014，33（10）：64-69.SHEN Yuan，MA Yi，WANG Lei，et al.Research on wavelet de-noising scheme for field overvoltage/lightning current signals[J].Advanced Technology of Electrical Engi⁃neering and Energy，2014，33（10）:64-69.

[12]IEEE C62.41-1991.Recommended practice on surge volt⁃age in low-voltage AC power circuits[S].

[13]吴文辉，曹祥麟.电力系统电磁暂态计算与EMTP应用[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[14]陈洁，郭洁，王磊，等.金属氧化物避雷器模型的陡波特性分析[J].电瓷避雷器，2013（4）：68-74.CHEN Jie，GUO Jie，WANG Lei，et al.The V-A charac⁃teristics under steep-front waves of metal oxide surge ar⁃rester model[J].Insulators and Surge Arresters，2013（4）:68-74.

[15]王荣珠，张云峰，陈则煌，等.基于ATP-EMTP仿真软件的MOV仿真模型的分析[J].电瓷避雷器，2014（5）：66-70.WANG Rongzhu，ZHANG Yunfeng，CHEN Zehuang，et al.Analysis of MOV simulation model based on ATP-EM⁃TP[J].Insulators and Surge Arresters，2014（5）:66-70.

[16]IEEE working group 3.4.11.Modeling of metal oxide surge arresters[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（2）:393-397.

[17]李清泉，范士锋，袁鹏，等.振荡波两级低压浪涌保护器配合情况的实验研究[J].高压电器，2004，40（1）：9-10，13.LI Qingquan，FAN Shifeng，YUAN Peng，et al.Experi⁃mental study of the cascaded SPD coordination under ring wave[J].High Voltage Apparatus，2004，40（1）:9-10，13.

[18]何金良，曾嵘.配电线路雷电防护[M].北京：清华大学出版社，2013.

[19]张栋.低压配电系统中SPD保护和配合的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[20]SHIN H K，KIM D S，CHUNG Y K，et al.Energy coordi⁃nation of ZnO varistor based SPDs in surge current due to direct lightning flashes[C].2014 International Conference on Lightning Protection（ICLP）. 2014:136-140.

Study on Energy Coordination of Varistors under the Normal Ring Wave

SU Kui1，MA Yuanyuan2
（1.Shandong Province of Shandong Electric Power Technology Co.，Ltd.，Jinan 250353，China;2.Qingdao Vocational and Technical College of Hotel Management，Qingdao 266100，China）

In order to protect from lightning overvoltage through the use of ZnO varistor properly，studying the energy coordination of varistors under the normal ring wave is necessary.The 0.5 μs-100 kHz normal ring wave generator is established in EMTP and the IEEE ZnO varistor model is also used to simu⁃late the impulse.Protection effects of high-low and low-high coordination modes are analyzed.the influ⁃ence of pre and post varistor under different length of cable on diffluence and energy absorbing are dis⁃cussed.The results show that:residual voltages of varistor increases as the charging voltage increases;most current and energy is applied on the pre-stage varistor in low-high coordination mode which leads to poor coordination effect.Currents of pre and post varistors decrease with the decreasing length of ca⁃ble，but the energy absorbed in the pre varistor increase，while energy absorbed in the post varistor is op⁃posite.High-low coordination mode is appropriate for pre and post varistors under the normal ring wave.

varistor；the normal ring wave；energy coordination

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.017

2017-04-13

苏奎（1980—），男，工程师，主要研究方向：电力系统应用管理和自动化。