非标准雷电冲击电压模拟技术研究

2019-09-17孙鹏宇张晨萌2谢施君2

四川电力技术 2019年4期

孙鹏宇,江渝,张晨萌2，谢施君2，王鑫，王涛

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆 400044； 2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川成都 610041)

0 引言

电力设备，特别是电压等级比较高的电力设备绝缘设计主要依据1.2/50 μs的标准雷电冲击(standard lighting impulse waveform，SLIW)耐受电压[1-4]。然而，由于变电站内进线段衰减、折反射及绕组谐振等因素，变电站现场遭受的大多为非标准雷电冲击电压(non-standard lightning impulse waveform，NSLIW)，其波前时间可能在百纳秒到数十微稍范围内变动，还会叠加频率为几百到几兆赫兹较高幅值的振荡[5-9]。这与现行标准规定的1.2/50 μs标准雷电冲击电压波形存在较大差异[10-15]，不利于高压电气设备的合理绝缘设计和绝缘考核[16-20]。

多年来，重庆大学、华北电力大学等高校进行了大量的站内侵入冲击电压波形的在线监测研究，并得到了大量的雷电侵入冲击电压波形数据，取得显著进展。研究学者对多年的雷电侵入冲击电压波形数据进行了统计分析，进一步得到了变电站内雷电侵入冲击电压波形的典型特征，分析显示采集所得的雷电波形均呈现为振荡的衰减或上升的冲击电压波形[21]。因此有必要设计出一种可以产生非标准雷电冲击电压的发生装置，对高压电气设备进行绝缘测试。

针对上述问题和需求，首先通过Matlab Simulink搭建电路仿真模型，通过运用电路理论等相关知识对仿真电路进行逻辑推导，进一步得出所设计电路产生的非标准雷电冲击电压的近似解析表达式，并在试验室条件下设计出能够产生非标准雷电冲击电压波形的装置。

1 非标准雷电冲击电压发生回路

所设计的非标准雷电冲击电压发生器的原理如图1所示。图1中：C为冲击电压发生器等值电容；g1为冲击电压发生器等值放电球隙；R1、R2分别为标准冲击电压发生器的波尾、波前电阻；L为电路中线路及电阻电感(外接电感或线路杂散电感)；R3、R4为电路中线路的阻尼电阻；Rd为波尾调节电阻，用于调节非标准冲击电压发生器的波尾时间Tt。当球隙g1击穿时，发生器将标准的冲击电压施加到Cs上给其充电，当Cs上的电压达到一定值时，击穿球隙g2，这时发生器将产生非标准雷电冲击电压并施加到测量试品两端。

图1 非标准雷电冲击电压发生器原理图

由于非标准雷电冲击电压发生器电路中，阻尼电阻R3、R4相对于电路中其他电阻来说相对较小，这里为方便计算忽略不计，当g1、g2球隙闭合时简化的等效电路如图2所示。

图2 非标准雷电冲击电压发生器等效回路

由图2可知非标准雷电冲击电压发生器等效回路是带有电感、电容、电阻的多阶回路，且电容C带有一定的初始电压值Uc(0_)，所以在这里用拉普拉斯变换来求解试品电容两端的电压U。非标准雷电冲击电压发生器等效回路的拉普拉斯运算电路如图3所示。

图3 发生器拉普拉斯运算电路

通过电路运算可求出：

(1)

展开得：

(2)

为方便计算，令a=UC(0-)R1RdCCs，b=CR1+Cs(R1+R2)，d=CtRdLCs，e=LCs，f=CtRd+CsRd，近似可得：

(3)

对式(3)进行分式拆分化简，得到有利于拉普拉斯反变换的式子为

(4)

式中，A、B为由a、b、d、e、f构成的量。式(4)经拉普拉斯反变换后得：

(5)

由式(5)可知，所设计的非标准雷电冲击电压发生器产生的电压波形由一个负指数波形加一个振荡的正弦波形组成，波形满足非标准雷电冲击波的要求。

2 Matlab Simulink仿真

根据非标准雷电冲击电压发生器等效回路构建发生器仿真模型，如图4所示。

图4 发生器仿真模型

图4中，由4组电容C串联构成了四级标准的冲击电压发生器。假设电容C带有一定的初始电压Uc(0_)，开关g1在0.01 s时闭合，根据电路的有关计算设计出各元件参数，仿真出a、b两种波形。在a波形中设置g2在0.010 05 s时闭合，a波形元件具体参数如表1所示。

在表1中，设置充电电容C的初始电压为40 kV，四级串联的总充电电压为160 kV，由于实际电路中电感与导线中存在电阻，这里设置电路中的阻尼电阻R3、R4分别为20 Ω和10 Ω。利用Matlab Simulink进行仿真，在试验电容Ct两端得到的a波形如图5所示。

图5 冲击电压发生器振荡波形a

由图5可知：冲击电压发生器产生的波形在波峰处产生了下降的高频振荡，尽管由于电感电阻与线路中阻尼电阻的影响，振荡持续5个周期，但仍然符合非标准雷电冲击波的范围。

接下来改变电容Cs的值，其他元件参数保持不变，仿真出b波形，并在b波形中设置g2在0.010 01 s时闭合。b波形元件的具体参数如表2所示，在试验电容Ct两端得到的波形如图6所示。

图6 冲击电压发生器振荡波形b

由图6可知：所设计的非标准雷电冲击电压发生器产生了在波峰附近出现高频振荡的波形，满足非标准雷电冲击波的要求，达到了预期的结果。

3 实际设计电路运行结果

图7 非标准冲击电压发生器

根据Matlab Simulink仿真电路设计出实际的非标准雷电冲击电压发生器，如图7所示。实际非标准雷电冲击电压发生器装置由四级标准冲击电压发生装置、外接设计电路、分压器测试装置构成。由于自然界中侵入变电站的雷电波多数呈负极性，这里设计发生器产生的电压也为负极性，其中主电容C为1 μs，每级电容充电40 kV。

表1 a波形参数取值

表2 b波形参数取值

参照仿真电路a模型设计发生器其他元件参数，调波电感L=2.2 μs，波尾电阻Rd=20 kΩ，测量实际发生器产生的非标准雷电冲击电压波形如图8所示。实测波前时间T1为0.21 μs，波尾时间为55.1 μs，波峰值为118.8 kV，误差为19.32%，与仿真a波形结果相似，符合非标准雷电冲击波的定义。

图8 实际发生器产生的a波形

同样参照仿真电路b模型设计发生器其他元件参数，设置电容Cs=425 pF，波尾电阻Rd=20 kΩ，实际发生器产生的非标准雷电冲击电压波形如图9所示。实测波前时间T1为12.50 μs，波尾时间为74.2 μs，波峰值为107.0 kV，误差为12.64%，与仿真b波形结果也相似，符合非标准雷电冲击波的定义。