组合波负峰对浪涌防护影响研究

武海军

（乌海职业技术学院电力工程系，内蒙古乌海016000）

组合波负峰对浪涌防护影响研究

武海军

（乌海职业技术学院电力工程系，内蒙古乌海016000）

组合波是电涌保护器性能试验与浪涌抗扰度试验的必备波形，但是目前IEC和IEEE相关规范针对组合波的定义存在一定差别，主要在于波形是否存在负峰，因此需要组合波负峰存在与否对浪涌防护的影响。利用EMTP软件搭建两种组合波发生电路，分别产生不存在负峰与存在负峰的组合波，同时结合IEEE压敏电阻模型进行仿真冲击，分析压敏电阻残压与吸收能量的差异。最后讨论不同负载性质下连接电缆长度对两种组合波冲击后负载端电压的影响。分析结果表明：组合波负峰存在与否对压敏电阻残压数值影响不大，但对残压波形影响较大；压敏电阻在存在负峰的组合波冲击下的箍位时间较短。存在负峰的组合波冲击时压敏电阻吸收的能量始终小于不存在负峰组合波冲击情况。两种组合波冲击后负载端相对电压差异随着电缆长度的增加而增大，阻性负载和容性负载变化更为明显。

组合波；负峰；压敏电阻；负载

0 引言

随着社会经济的不断发展，雷电浪涌对电力、电子、通信等系统的危害也日益严重[1]。电涌保护器（SPD）是低压弱电系统中抑制过电压的重要设备，在各行业得到广泛应用[2]。为了确保SPD有效地起到防护作用，必须对SPD的相关参数与性能进行测试，同时需要根据设备的浪涌抗扰度合理选用SPD。

GB18802.1—2011[3]规定针对SPD的相关性能测试必须采用组合波冲击，GBT3482—2008[4]和GBT17626.5—2008[5]也规定了电子设备的雷击试验和电磁兼容试验需要采用组合波。因此，对组合波产生的试验和仿真进行研究具有重要的价值。国内外学者针对组合波发生电路进行了许多研究与模拟，通过电路解析法计算组合波浪涌信号发生器（CWG）电路参数[6]，利用软件仿真产生组合波波形[7-8]，并对组合波冲击下的耦合方式影响等进行了相应分析[9-11]。但是目前研究所使用的组合波波形大多依据IEC Std.61000-4-5标准[12]，短路电流波形存在一个负峰，而IEEEStd.C62.41.2-2002[13]给出的组合波波形则不存在负峰。因此，需要研究组合波负峰存在与否对SPD浪涌防护特性的影响。

笔者利用EMTP软件[14]搭建不存在负峰与存在负峰的组合波发生电路，结合IEEE压敏电阻模型，讨论组合波负峰存在与否对压敏电阻残压与吸收能量的影响，然后分析不同负载性质下连接电缆长度对两种组合波冲击后负载端电压差异的影响，为设备的浪涌防护提供相关参考。

1 组合波电路

根据IEEEStd.C62.41.2-2002和IEC Std.61000-4-5给出的组合波定义，组合波开路电压波形为1.2/50 μs，短路电流波形为8/20 μs，开路冲击电压和短路冲击电流幅值之比（等效输出阻抗）为2 Ω。除了对波形相关参数和允许误差进行定义外，IEC Std.61000-4-5规范还限定了组合波负峰不能超过最高幅值的30%，而IEEEStd.C62.41.2-2002给出的波形则不存在负峰。相关规定的差异导致（CWG）电路的设计有所差别。

冲击电流或电压波形是否属于振荡波决定了其基本电路设计形式的选用，而根据相关研究[15]，波形是否是振荡波可以通过波尾时间tt与波头时间tf比值。若冲击电流波形的tt/tf＜3.8，则其属于振荡波，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。由此可知，1.2/50-8/20 μs组合波属于非振荡波电压、振荡波电流。

图1给出了不产生负峰的组合波浪涌信号发生器电路[16]。

图1 不产生负峰的组合波浪涌信号发生器电路Fig.1 Circuit of a CWG without undershoot

利用拉氏变换对图1电路进行分析，开路电压为：

逆变换成时域公式为

等效输出阻抗为

根据组合波波形参数，结合2 Ω等效输出阻抗，即可确定信号发生器电路参数，具体过程参见文献[17]。

图2给出了产生负峰的组合波浪涌信号发生器电路。

图2 产生负峰的组合波浪涌信号发生器电路Fig.2 Circuit of a CWG with undershoot

利用拉氏变换对图2电路进行分析，开路电压为：

逆变换成时域公式为

短路电流为

转换成时域公式为

根据组合波波形参数，可以得到α、β、ω、δ的取值，即可确定信号发生器电路参数，具体过程参见文献[18]。

图3给出了两种电路产生的组合波短路电流波形，幅值均为3 kA。可以明显看出图3中第2个波形存在一个负峰。

图3 两种短路电流波形对比Fig.3 Short-circuit current waveforms with and without undershoot

2 压敏电阻模型

图4给出了一个简单的浪涌冲击试验电路模型。压敏电阻与负载之间采用电缆连接，长度取10m。电缆采用单芯聚氯乙烯（PVC）绝缘电缆[19]，不考虑屏蔽层，标称截面2 mm2，电阻率1.72×10-8Ω.m，绝缘层厚度0.6mm，相对介电常数4.55，相对磁导率为1。

图4 试验电路模型Fig.4 Experimental circuits

目前较为常用的压敏电阻模型主要有非线性电阻模型、非线性电感模型、IEEE模型[20]和PG模型。IEEE模型适用波头时间范围较宽，且模型与试验结果[21]较为吻合，因而得到广泛应用。图5给出了IEEE模型压敏电阻等值电路图。

图5 IEEE推荐的MOA模型Fig.5 MOA model recommended by IEEE

在IEEE模型中，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，L1、R1构成低通滤波器。模型中各参数的取值与压敏电阻结构有关，具体计算公式参见文献。仿真中压敏电阻参考电压U1mA取690 V，10 kA雷电流冲击下残压为1 120 V。

3 仿真结果分析

3.1 压敏电阻残压

图6给出了不同负载性质下不存在负峰与存在负峰的组合波冲击后压敏电阻残压波形。负载分别去电阻10 Ω、电容、电感1 μF、电感100 μH，组合波幅值为6 kV。

图6 不同负载下残压波形Fig.6 Residual voltages with different types of loads

由图6可以看出，无论是阻性负载、容性负载还是感性负载，组合波负峰存在与否对压敏电阻残压数值影响不大，但对残压波形有较大影响。存在负峰时，压敏电阻箍位时间较短，残压波形衰减较快，且下降波形存在明显的二次振荡，这主要是负峰的作用影响。不存在负峰时，残压波形衰减较慢，曲线较平缓。

3.2 吸收能量差异

表1给出了负载为10Ω电阻时，不存在负峰与存在负峰的组合波冲击下压敏电阻吸收能量。

表1 压敏电阻吸收能量差异Table 1 Energy absorbed by varistor with and without undershoot

通过表1可以看出，虽然负峰存在与否对压敏电阻残压数值影响不大，但对压敏电阻吸收能量有较大影响。随着冲击电压幅值的增大，两种情况下压敏电阻吸收能量均随之增加，但是存在负峰组合波冲击下压敏电阻吸收能量始终小于不存在负峰组合波冲击情况，这主要是由于两种情况下的压敏电阻残压和通流波形持续时间不同。但是两种情况下的吸收能量相对差异随着冲击电压的增大而减小。

3.3 电缆长度影响

图7给出了不同负载性质下不存在负峰与存在负峰的组合波冲击后负载端电压差异随电缆长度的变化。负载分别取电阻10 Ω、电容1 μF、电感100 μH，组合波幅值为6 kV。

图7 电缆长度对负载端电压影响Fig.7 Voltages of the load vs length of the cable

由图7可以看出，不存在负峰与存在负峰的组合波冲击后负载端电压差异受电缆长度影响较大。阻性负载、容性负载和感性负载端电压相对差异均随着电缆长度的增加而增大，但是对感性负载的影响不如阻性、容性大。由于电缆波阻抗和负载阻抗不匹配引起冲击波在压敏电阻与负载端来回折反射产生振荡，电缆越长，振荡越明显，从而放大了两种组合波冲击后的电压差异。

4 结论

利用EMTP软件搭建两种组合波发生电路，分析组合波负峰存在与否对设备浪涌防护特性的影响，得到如下结论：

1）组合波负峰存在与否对压敏电阻残压数值影响不大，对残压波形有较大影响。存在负峰的组合波冲击下的压敏电阻箍位时间较短。

2）存在负峰的组合波冲击时压敏电阻吸收的能量始终小于不存在负峰组合波冲击情况。

3）不存在负峰与存在负峰的组合波冲击后负载端相对电压差异随着电缆长度的增加而增大。

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Study on Influence of Combination Wave Undershoot on Surge Protection

WU Haijun
（Mechanical and Electrical Engineer Department,Wuhai Vocationamp;Technical College,Wuhai 016000,China）

Combination wave is essential in surge protection device(SPD)performance test and surge immunity test.But IEEE Std.C62.41.2and IEC Std.61000-4-5 have some difference in waveform undershoot definition.So study on influence of combination wave undershoot on surge protection is neces⁃sary.The combination wave generator(CWG)with and without undershoot are established in EMTP while the IEEE varistor model is also applied.Residual voltage and its waveform with different types of loads are analyzed.Voltage differences with and without undershoot under different lengths of cable are also dis⁃cussed.Results show that the presence or absence of undershoot has no effect on residual voltage,but the presence of undershoot will reduce the clamping time.Energy absorbed by varistor without undershoot is always higher than that with undershoot.Voltage differences with and without undershoot increase with the increasing of cable length which is particularly obvious under resistive and capacitive loads.

combination wave；undershoot；varistor；load

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.028

2017-03-01

武海军（1968—），男，高级工程师，主要从事电机技术、发电厂电气设备、工厂电气控制技术等课程的教学和科研工作。