直流低压系统保护器件的匹配分析

钱建国，施正钗，李 英，俞 凯，周泰斌

(1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2. 国网温州供电公司，浙江 温州 325028)

0 引言

目前大量电子信息设备运用于架空线路低压系统，然而这些设备的绝缘耐压水平是有限的，一旦过压，设备就将受到损坏[1]。为防止雷电过压及雷电电磁脉冲顺着线路侵入而损坏设备，可以采用装设电涌保护器(Surge Protective Device，SPD)[2-4]。在实际运行的情况下，通常将多级SPD装设在保护设备的前端以实现分级泄流的目的；同时也可以避免雷电冲击电流或过电压在线路上的高残压，从而达到保护单级SPD的目的[5]。

通过匹配多级SPD保护元件，可以实现使各级SPD根据本身的承受电压能力平分雷电流。将其危害降至最低，从而实现保护设备的目的[6]。假设多级SPD匹配不合理，则会造成供电系统的不稳定。当其中一个SPD被破坏，保护设备将会受到严重影响，甚至危及电力系统的安全运行[7]。

为此，本研究从保护元件的匹配方式入手。对压敏电阻的3种组合进行试验，得出可行的组合方式，且分析不同线路长度对能量匹配和系统安全性的影响。

1 SPD的理论分析

1.1 雷电流的数学模型

雷电流的幅值、陡度等会随着时间发生改变，并且是单极性的脉冲波。在电力系统的预防雷电分析中，需要将雷电流的波形进行处理，便于数学运算[8]。其中，标准冲击波可表示为双指数函数波行：

i=AIm(e-αt-e-βt)

(1)

式中，A为波行校正系数，取1.025；Im为雷电流峰值；α、β分别为波前与波尾衰减系数，其中α=2.05×10-3μs-1，β=0.564 μs-1。

则8/20 μs电涌冲击波形的函数表达式为

(2)

式中，τ取3.911 μs。

1.2 SPD元器件

常见的SPD元器件包括气体放电管、压敏电阻、瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)、半导体放电管和滤波器等元件等，其中使用频率最高的是下述3类。

1)气体放电管

气体放电管作为一种短路型保护器件，通过陶瓷或玻璃将放电间隙进行封装[9]。当对放电管进行选型时，需要确保放电管的击穿电压最小值大于额定工作电压的极值[10]。同时在线路稳定情况下，当电压存在一定范围的变化时，放电管也不允许启动，且此时直流起弧电压uoc应符合：

min(uoc)≥1.25×1.15Uc

(3)

式中，Uc是额定电压。通常放电管容许误差是1/5，则：

(4)

气体放电管具备通流容量大、极间电容小等优点。但其起动电压高，而且动作后会出现续流，因此适用于初级防雷保护[11]。

2)压敏电阻

压敏电阻是核心的过压防护元件，当施加的电压小于设定的“压敏电压”时，电阻值高达到兆欧级，相当于开路；当高于设定阈值时，电阻值会迅速降低至毫欧姆级，从而实现导通[12-13]。

防雷系统中，压敏电压UmA应不超过真实的电路电压。UmA的计算为

UmA=au/bc

(5)

式中，a是电压的改变参数，通常设成1.3；u是直流工作电压；b是电压偏差，通常设成0.84；c是元件老旧参数，通常设成0.89。

3)瞬态电压抑制器(TVS)

TVS具备迅速的响应速度与较强的浪涌承受实力，能够起到保护设备的作用。在浪涌电压作用下，极间电压在从反向额定关断电压VWM跃升至击穿电压VBR的同时，会伴随较高的击穿电流。通过TVS的电流则会出现最大值IPP，而此时的电压低于最大钳位电压VC[14]。

在进行TVS的选型时，VWM应小于设备的工作电压；VC应不超过设备的损坏电压；最大峰值脉冲功率PM应超过设备可能会产生的功率最大值[15-16]。

TVS具备响应时间快、极间电压小等优点，但通流容量小。因此，适用于辅助防雷保护[17-18]。

2 复合型SPD匹配设计

2.1 压敏电阻与气体放电管的匹配

压敏电阻与气体放电管的配合是为了保证在受到冲击电压时，两个不同电压启动值的SPD能够同时动作，见图1。通过一个具有较低磁导率的电感线圈V1，将其连接。

图1 压敏电阻和气体放电管配合等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of varistor and gas discharge tube

当雷击电流流经线路串联电感时，由于电感对变化的雷电流会产生较大的感抗，以减小电压行波的幅值，并增加入侵行波的时间，完成两级能量的匹配。

由单独实测各元件发现，气体放电管在133 V冲击电压下开始起到限压作用。压敏电阻启动电压为42 V，此时残压为41.6 V。则去耦电感的最大值Lmax1与最小值Lmin1的计算如下：

(6)

式中，Ures1为气体放电管的动作电压，取133 V；Ures2为压敏残压，取41.6 V；i为冲击电流8/20 μs，imin取21 A，imax取5 A；U2为压敏启动电压，取42 V；t为8 μs。

2.2 压敏电阻与TVS的匹配

由于TVS响应时间较快，而压敏电阻则稍慢，响应时间与启动电压均不同。为此，采用去耦电感进行协调。利用导磁率较低的电感线圈将压敏电阻与TVS进行连接，见图2。

图2 压敏电阻和TVS配合等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of varistor and TVS coordination

同样，需要计算电感的取值。去耦电感的最大值Lmax2与最小值Lmin2的计算如下：

(7)

2.3 气体放电管与TVS的匹配

由于TVS响应时间较快，为保证受到冲击电压时不同时动作，利用去耦电感协调气体放电管与TVS形成保护器，见图3。

图3 气体放电管与TVS匹配等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of gas discharge tube and TVS coordination

其中，电感的数值可以参考前两个匹配方案的最佳电感值。

2.4 气体放电管、压敏电阻与TVS的匹配

通过上述3个匹配设计的理论分析，将这3个元器件与两个电感相结合，等效电路见图4。

图4 三级匹配等效电路图Fig.4 Three-stage matching equivalent circuit diagram

其中，两个电感的数值取决于前两个匹配方案的最佳电感值。

3 实验与分析

实验采用冲击控制系统IGGS模拟产生的8/20 μs雷冲击电流，依次施加不同电压值的冲击电压，对多个SPD组成的多级保护系统做冲击试验。

3.1 电感取值的安全性分析

在不同的电涌保护器匹配方案中，电感的最佳取值均有所差异，因此施加1 kV、2 kV和3 kV的冲击电压，通过限制电压的大小选择最安全的电感值。

1)压敏电阻与气体放电管的匹配

根据理论分析可知，当压敏电阻与气体放电管匹配组成的两级保护系统的去耦电感值范围是34.8 μH～67.2 μH。则针对不同电感值用复合波对此匹配方案进行测试，结果见图5。

图5 压敏电阻配合气体放电管时不同冲击电压下去耦电感与限制电压的关系Fig.5 The relationship between different impulse voltage decoupling inductance and limiting voltage when varistor is matched with gas discharge tube

由图5可知，随着去耦电感值的增大，不同冲击电压下，限制电压均呈现先降后升的变化趋势。由于当电感为最小值34.8 μH时，此时还未达到最优的匹配，所以压敏电阻先完成泄流，之后气体放电管再启动。而SPD匹配的目的在于降低限制电压，因此当电感值取46.2 μH时，限制电压最低且较为合适。

2)压敏电阻与TVS的匹配

根据理论分析可知，当压敏电阻与TVS匹配组成的两级保护系统的去耦电感值范围是31.7 μH～49.6 μH。针对不同电感值施加0.5 kV、1 kV、1.5 kV、2 kV、2.5 kV的复合波对此匹配方案进行测试，结果见图6。

图6 压敏电阻配合TVS时不同冲击电压下去耦电感与限制电压的关系Fig.6 The relationship between different impulse voltage decoupling inductance and limit voltage when varistor is matched with TVS

从图6可以看出，随着冲击电压的增大，不同电感值下，限制电压变化较小。当冲击电压为2.5 kV时，TVS损坏。对照单一TVS在不同电压冲击时的限制电压，压敏电阻起了泄流的作用，且使得TVS的耐受能力提高1 kV。对照单一压敏电阻可知，该方式得到限制电压较低。当冲击电压为2 kV时，该匹配方式的限制电压较单一压敏电阻低0.1 kV。通过不同冲击电压曲线的综合考虑，电感值设为41.6 μH较为合适。

3)气体放电管与TVS的匹配

根据理论分析可知，当气体放电管与TVS匹配组成的两级保护系统的去耦电感值范围是35.5 μH～50.8 μH。针对不同电感值施加1.5 kV、2.5 kV、3.5 kV的复合波对此匹配方案进行测试，结果见图7。

图7 气体放电管配合TVS时不同冲击电压下去耦电感与限制电压的关系Fig.7 The relationship between different impulse voltage decoupling inductance and limit voltage when varistor is matched with TVS

从图7可以看出，随着冲击电压的增大，不同电感值下，限制电压变化较小。当冲击电压为3.5 kV时，TVS损坏。对照单一TVS在不同电压冲击时的限制电压，气体放电管在对大流的通流能力较强，使得TVS的耐受能力提高1.5 kV。通过不同冲击电压曲线的综合考虑，电感值设为44.8 μH较为合适。

4)气体放电管、压敏电阻与TVS的匹配

因此综合两种匹配方案的电感最佳取值，在气体放电管、压敏电阻与TVS的匹配方案中，两个电感值分别为46.2 μH和41.6 μH。对于不同的冲击电压，响应的限制电压见图8。

图8 冲击电压与限制电压的关系Fig.8 The relationship between impulse voltage and limit voltage

从图8可以看出，对比两级配合在相同冲击电压下的限制电压，三级匹配后的限制电压效果更优。当冲击电压为4 kV时，若是单一TVS，则会出现损坏。而该匹配方式下TVS的启动电压为32 V，并未被损坏。因此，三级匹配方式的耐压性能得到了提升。当两级电感均处于最佳数值时，三级匹配方式能够将暂态过电压限制在186 V，有效地将浪涌抑制到较低水平。

3.2 不同线路长度的安全性分析

由于线路长度不同，两级SPD之间的电感值会产生差异，直接影响系统的安全性。因此以压敏电阻与气体放电管的匹配方案为例，基于EMTD仿真平台，选择放电管与压敏电阻级间为1 m、5 m、10 m的导线进行实验。其中冲击电压选择1.5 kV、2 kV、2.5 kV、3 kV，则级间通流随冲击电压变化的能量匹配情况，见表1-表3。

表1 能量配合试验结果(1 m导线)Table 1 Energy coordination test results (1 m wire)

表2 能量配合试验结果(5 m导线)Table 2 Energy coordination test results (5 m wire)

表3 能量配合试验结果(10 m导线)Table 3 Energy coordination test results (10 m wire)

对比上述3个表格可发现，当线路长度为1 m时，通过SPD2的电流较大， SPD 级间配合未成功。这是由于1 m的线路过短，线路分压能力有限，无法有效的限制SPD2的电流和残压；当线路长度为5 m时，通过SPD2电流较小，占总通流的0.9%～3.3%，二级SPD上的雷电流得到了有效限制；当线路长度为10 m时，通过SPD2电流更小，配合较为成功，二级SPD 上的电流被限制在总通流的0.9%～1.9%。

综合上述通过SPD2电流的变化趋势，测试SPD2上的分流与线路长度的关系，见图9。

图9 SPD2的电流随线路长度的变化曲线Fig.9 SPD2 current change curve with line length

从图9中可以看出，随着线路的增长，分流随之降低。但当线路超过20 m后，电流的下降幅度则并不明显。因此SPD级间保持恰当的距离为优，可最大程度地保证架空线低压系统的安全稳定性。

4 结论

本研究设计了气体放电管与压敏电阻、压敏电阻与TVS、气体放电管与TVS 3种SPD匹配方式，并采用IGGS系统和EMTP仿真系统论证所提匹配方式的安全性测试。结果表明，气体放电管与压敏电阻配合时由于当电感为最小值34.8 μH时，此时还未达到最优的匹配，所以压敏电阻先完成泄流，之后气体放电管再启动。而SPD匹配的目的在于降低限制电压，因此当电感值取46.2 μH时，限制电压最低且较为合适。压敏电阻与TVS匹配时，综合考虑通过不同冲击电压曲线设置电感值为41.6 μH。气体放电管与TVS匹配时，电感值设置为44.8 μH；而三级SPD匹配实验方案则能够在适当的线路距离(20 m)内有效将电涌抑制到安全的水平。

目前研究的匹配方式仅在SPD间展开，未来的工作将研究不同类型的保护器件与低通滤波器组合下的限压效果。