混合波作用下两级低压浪涌保护器配合规律的研究

胡 伟， 贡春艳， 郑一鸣， 洪 丽

（1.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

输配电技术

混合波作用下两级低压浪涌保护器配合规律的研究

胡 伟1， 贡春艳1， 郑一鸣2， 洪 丽1

（1.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

在低压配电系统的防雷保护中，对一些敏感设备的过电压保护采用单级SPD通常无法达到雷电防护水平的保护要求，需采用多级SPD配合的方式，才能达到更好的保护效果。在建立两级SPD模型的基础上，考虑了空载、电容负载、电感负载、电阻负载4种电缆末端负载及不同电缆长度对SPD配合的影响，利用PSCAD仿真软件研究了20kV/10 kA混合波形作用下两级低压SPD的配合规律。仿真结果表明，在两级SPD保护系统中，前级SPD分流比通常可达60%～100%，承受着相当大部分雷电流，而后级SPD选择不当可能会使残压波形产生较大振荡，由此带来的较大残压幅值或较高振荡频率，对设备会有较大影响。

SPD配合；压敏电阻；过电压防护；混合波

0 引言

随着近几十年来电子技术突飞猛进的发展，如今已经进入由微电子、通信技术引领的信息化时代。这些电子设备由于制造技术方面的原因，普遍存在绝缘水平低、过电压电流耐受能力差等致命弱点[1]。雷电危害源是指雷击产生的雷电流和伴随雷电流的雷电电磁脉冲，由于电子设备在防雷性能上的缺陷，对其进行浪涌防护十分必要。以压敏电阻为核心制成的SPD（浪涌保护器）是综合防护措施的最重要的手段，是组成LPZ（雷电防护区）的主要防护部件，目前已广泛应用于电子设备的雷电防护。在低压配电系统中，合理的SPD配合使用能有效限制系统的过电压水平，保护用电设备的安全。

近年来，国内外已开展了较多的SPD配合研究[2-9]，IEC62305-4-2010《雷电防护第4部分：建筑物中电气和电子系统》和GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》也给出了SPD选配的一般准则，但只是一般意义上、概念性的选配原则，且考虑的因素较少，模型简单，缺乏对多种影响因素共同作用下系统性的研究。为此，选用PSCAD（电力系统计算辅助设计）软件对两级SPD问题进行仿真分析，考虑了端接负载、电缆长度等因素对SPD配合的影响，深入探讨了各因素的影响机理。

1 模型及参数

图1为仿真所采用的两级SPD配合的电路示意图[2]。

图1 两级SPD配合电路

模型由混合波发生器、两级SPD（SPD1和SPD2）电缆、负载组成。其中，电缆长度可调，负载可分为空载、电容、电感、电阻4种类型。仿真中配电网额定线电压选380 V，根据IEC60664-1《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原则、要求和试验》相关规定，220 V/380 V系统的过电压等级为1500 V，负载的最大耐受电压亦为此值。

1.1 混合波发生器

选用20kV/10 kA混合电流电压波来模拟雷电冲击，图2为混合波发生器电路[3]。

图2 20kV/10 kA混合波发生器

当输出端短路时，输出电流为波头波长8/20 μs、幅值10 kA的雷电流冲击波；当输出端开路时，输出电压为波头波长1.2/50 μs、幅值20kV的雷电电压波。开路电压峰值与短路电流峰值之比为2。

1.2 SPD参数的选择

选用3种LA系列压敏电阻为主要元件的SPD，其主要参数如表1所示。用于建模的压敏电阻的伏安特性曲线可通过查阅产品手册获取。在PSCAD中，压敏电阻用于非线性电阻模拟，数值计算方法采用分段线性化法[10]。

表1 仿真选用的压敏电阻参数

1.3 配合方案

选用上述3种压敏电阻，可组合出9种配合方式（见表2），表中压敏电阻用其最大容许回路电压表示。

表2 配合方式编号

以下将通过研究这9种配合方式在混合波作用下的特性，总结出两级SPD保护的配合规律。

1.4 电缆模型参数

仿真选用单芯聚氯乙烯绝缘电缆，这是一种单芯无屏蔽电缆，其布置与几何参数如图3所示。其中，电缆埋深50mm；导体部分半径0.8mm，相对介电常数4.55，电阻率为1.724×10-8Ω·m；绝缘层厚度0.6mm；土壤电阻率为100 Ω·m。

图3 电缆布置

根据上述参数，经简单计算可得，电缆单位长度的电容C0=452.4 pF，单位长度的电感L0=3.0685 μH，单位长度的阻抗Z=（0.00862+ j0.000964）Ω，对地导纳Y=（0+j1.421e-7）S，波阻抗Z0=92.4 Ω。以下分别针对1 m，5 m，10 m，15 m，20 m共5种电缆长度进行讨论。

1.5 负载

考虑工程实际中电源线可能带有不同类型的电气设备，因此仿真中对电源线末端情况作了不同考虑，将负载分为空载、容性负载、阻性负载、感性负载4种类型。其中，电容值选为100 pF，电阻值选为10 Ω，电感值选为100 μH。

2 仿真结果及分析

根据所选仿真参数，对混合波作用下两级SPD配合问题进行仿真。最大容许回路电压与通流容量是压敏电阻的主要参数，分析配合方案是否可行的依据是：通过SPD1的电流是否超过选用压敏电阻的通流容量；SPD2上的残压是否超过设备最大耐受电压值。因此冲击电流及残压值是讨论两级SPD配合的关键。按照线路末端负载对仿真结果进行分类，通过分析两级SPD分流情况及SPD2残压，讨论配合方案、电缆长度及端接负载对两级SPD配合效果的综合影响。

2.1 电缆末端空载

2.1.1 SPD1分流情况分析

计算电缆末端空载情况下，5种电缆长度在9种配合方式下，SPD1，SPD2上流过的电流峰值与总电流峰值之比。可以发现，SPD1承受了绝大部分电流，故仅将SPD1上流过的电流峰值与总电流峰值之比示于表3。

表3 末端空载各种情况下流经SPD1电流峰值与总电流峰值之比

从表3中可以看出：

（1）在各种情况下，SPD1上流经的电流值比例都较大。在320-660配合方式下，流经SPD1的电流峰值甚至基本与总电流峰值相等。即便是比例最小的情况（660-275），其值也达到68.9%。

压敏电阻是一种非线性电阻，其伏安特性曲线随着电流增大斜率变小，即电阻随着电流的增大而减小。对于SPD1，承受着电缆入端的混合波，由于混合波具有较大的电压幅值，在大电压下，压敏电阻表现为小电阻，因此会通过较大比例的电流，而混合波的电流峰值也十分可观，因此，通过SPD1的电流绝对值也较大。

（2）对比各种配合方式的计算结果，可以发现，随着电缆长度增长，SPD1分流比变大。

电缆长度越长，对电缆入端的等效阻抗就越大，越不利于电流的通过，在与SPD1分流时后者便会承受更大的电流。仿真结果与理论分析也是一致的。

（3）对于相同的SPD1、相同的电缆长度，SPD2额定电压越高，SPD1的分流便越大。

2.1.2 SPD2残压分析

通常混合波经过SPD1后仍有较大残压，对设备保护仍具有一定危险性，因此需要配置SPD2进一步限制过电压的幅值。而SPD2上的残压即为作用在设备上的电压，其值不能高于设备的电压耐受峰值，因此，需要校验各种情况下残压的波形。仿真计算不同配合方式下不同电缆长度SPD2上的残压，结果示于图4。

观察图4，可以得出以下规律：

（1）电缆长度对SPD2残压大小有一定影响，但影响不显著。在各种配合方式下都呈现相同的规律：电缆长度越长，波形衰减越大，SPD2残压越小；电缆长度越长，时延越大。

（2）所选SPD2额定电压为275 V时，限压能力很好，残压波形基本没有振荡；额定电压为320 V时，在50 μs处发生了较小的振荡。所选SPD2额定电压较大时，残压波形峰值较高并出现了振荡，电缆长度对残压峰值的影响体现在对振荡情况的影响上。可以看出，电缆越长，振荡幅值越大，振荡频率越低。振荡幅值过大有可能造成残压超过设备耐受能力，而振荡频率过高也会对设备安全造成严重影响。

（3）SPD2选用额定电压较低（275 V，320 V）的压敏电阻时，无论SPD1如何选择，SPD2对过电压均有较好的限制作用。因此，设备上残压的限制主要取决于SPD2的选择。

2.2 端接电容

2.2.1 SPD1分流情况分析

计算线路末端空载情况下，5种电缆长度在9种配合方式下，SPD1上流过的电流峰值与总电流峰值之比，结果示于表4。

表4 末端接电容各种情况下流经SPD1电流峰值与总电流峰值之比

图4 末端空载各种情况下SPD2上的残压

比较表3与表4，可以看出，电缆末端空载与端接电容的计算结果基本一致。这是由于将电缆用π型等效模型分析，线路末端存在一对地导纳，此处所用电缆等效对地电导为0，即对地表现为一电容，电缆端接的电容值为100 pF，电容值较小，与线路等效的电容合并之后近似等于线路导线电容的值，故端接小电容情况与空载情况基本相同。

2.2.2 SPD2残压分析

仿真计算端接电容时，不同配合方式下不同电缆长度SPD2上的残压如图5所示。

同样可以看出，残压波形与空载情况基本一致，仅在振荡处振荡频率有些许差异，这是由于接入电容对振荡频率产生了一定影响，这与理论分析也是一致的。

2.3 端接电感

2.3.1 SPD1分流情况分析

计算电缆末端接电感负载时，5种电缆长度在9种配合方式下，SPD1上流过的电流峰值与总电流峰值之比示于表5。

端接电感时SPD1电流峰值与总电流峰值之比变化规律与空载和端接电容的情况基本一致，与理论分析也是一致的，但其值较空载情况小。

2.3.2 SPD2残压分析

仿真计算端接电感时，不同配合方式下不同电缆长度SPD2上的残压波形如图6所示。

可以发现，残压波形与空载时对应的波形均十分相近，但在选择额定电压较高的SPD2时，出现了较为严重的振荡，即SPD2的选择决定了是否产生振荡。残压波形的振荡幅值较端接电容负载情况更大，个别情况甚至超过了1500 V的设备耐受值，且振荡的持续时间更长、衰减较慢。同时残压的振荡也呈现出电缆长度越长，振荡频率越低，振荡幅值越大的规律。

表5 末端接电感各种情况下流经SPD1电流峰值与总电流峰值之比

图5 端接电容各种情况下SPD2上的残压

由于电缆的等值电阻较小，因此阻尼作用较小。当选用额定电压较低的SPD2时，SPD2对残压波形的阻尼作用也较小，所以残压波形会出现较为明显的振荡现象。电缆端部接电感，与电缆的参数相配合，因此会产生更为严重的振荡波。

2.4 端接电阻

2.4.1 SPD1分流情况分析

仿真计算端接电阻时，5种电缆长度在9种配合方式下流经SPD1的电流峰值与总电流峰值之比，结果示于表6。

表6 末端接电阻各种情况下流经SPD1的电流峰值与总电流峰值之比

可以看出，SPD1分流随电缆长度和配合方式的变化所呈现出规律仍与空载时一致。端接电阻时，SPD1分流较空载时小。

2.4.2 SPD2残压分析

仿真计算端接电感时，不同配合方式下不同电缆长度SPD2上的残压波形如图7所示。

对比图4可发现，残压波形与空载情况相比在峰值上并无太大差异，但在波形上明显不同。在波形较陡的地方，电阻负载情况下有较大的衰减，且随着电缆长度增长，衰减越明显。与空载、电容负载及电感负载不同，在选用额定电压较大的SPD2时，阻性负载情况下不会出现振荡，可见电阻对波形的振荡具有较明显的衰减作用。因此在负载为电阻时，可适当放宽限压的要求。

图6 端接电感各种情况下SPD2上的残压

图7 端接电阻各种情况下SPD2上的残压

3 结论

针对不同负载情况，研究了两级SPD防雷保护系统的配合规律，分析了电缆长度、配合方式、负载类型对SPD1分流情况与SPD2残压的影响规律。得出了以下结论：

（1）在两级SPD配合系统中，SPD1上流经的电流占总电流的60%以上，严重时甚至可以达到100%。进一步考察两级SPD上吸收功率占总功率之比，发现不同负载情况下计算结果十分接近，变化规律一致。故仅将空载情况的计算结果示于表7、表8。

表7 末端空载各种情况下流经SPD1吸收功率与总功率之比

表8 末端空载各种情况下流经SPD2吸收功率与总功率之比

可以发现雷电波的功率大部分被SPD1吸收，在所选SPD1额定电压较低时尤为严重，因此在选择SPD1时还需注意能量耗散问题。

随着电缆长度的增长，SPD1的分流比增大；选用SPD2的额定电压越大，SPD1分流比越大。

负载类型对SPD1的分流比及功率分配比没有显著影响。空载与电容负载对应的SPD1分流比最大，其次是电感负载，电容负载最小，但差异很小。综上所述，对所有类型的负载，选取SPD1时需选择具有较大通流容量的压敏电阻。对于线路较短的情况，可以通过选取额定电压较小的SPD2达到限制SPD1电流的目的；对于线路较长的情况，SPD1分流比例很大，只能通过选取通流容量较大的SPD或者采取多级保护的措施。

（2）电缆长度对残压大小有一定影响但不显著。电缆长度越长，SPD2的残压波形衰减越快，残压峰值越小。选用额定电压较小的SPD2能起到较好的限压作用，设备上残压的限制主要取决于SPD2的选择。

当电缆末端空载、接电容负载或接电感负载时，若选用的SPD2额定电压较大，则残压波形峰值较大且会出现振荡现象。电缆长度越长，振荡幅值越大，振荡频率越低，端接电感产生的残压振荡比末端空载与端接电容情况更为严重，振荡持续时间更长，衰减较为缓慢。而端接电阻时，对于文中所述仿真选用的电阻值，并未出现振荡现象，可见阻性负载有较为明显的阻尼作用。

因此，为限制设备上过电压峰值，同时避免振荡，应选用额定电压较低的压敏电阻作为SPD2，当负载为电阻时，可适当放宽限压的要求。

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（本文编辑：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 伟（1980），男，高级工程师，从事高压输电线路、电缆及配电网设备的运维、管理工作。