基于EMTP的MOA仿真模型分析

摘要：因非线性电阻无法精准地模拟金属氧化物避雷器（MOA），为此基于仿真软件EMTP对MOA的IEEE模型和P-G模型进行对比分析。首先构造IEEE和P-G两种模型，然后使用波头为8/20 μs、峰值为10 kA的标准冲击电流进行仿真冲击试验，记录MOA的残压实验数据，最后将MOA仿真试验残压数值与实际残压进行对比，通过对比发现，两种模型的仿真准确度很高，且P-G模型更为精确。

关键词：金属氧化物避雷器（MOA）;EMTP;IEEE模型;P-G模型

0    引言

MOA是配电网非常重要的电气设备之一，其由于良好的非线性特性被广泛用于输配电网络中雷击过电压和操作过电压的抑制。为了更好地研究输配电网络雷电过电压特性，精准地建立避雷器的模型是非常重要的[1]。

避雷器最早的模型是由IEEE工作组在1992年提出的，其主电路由两个非线性电阻和两个线性的电阻、电容和电感组成，通过获取其伏安特性、压敏电阻厚度和压敏电阻的个数来构造模型[2]。1999年，P. Pinceti等人在IEEE工作组模型的基础上对避雷器进行了简化，认为在0.5～45 μs雷电和操作冲击波下，电容可以被忽略，用1 MΩ的电阻代替两个线性电阻[3]。2000年，Fernandez等人在IEEE的模型上略去一个电阻和电感，该模型被广泛用于验证避雷器吸收能量的数值[4]。因为研究内容的不同，单一的非线性电阻模型也被用于研究中，文献[5-6]分别通过仿真和试验的方式，使用8/20 μs标准雷电波、30/60 μs操作波和时间为1 μs的陡波对以上4种模型进行冲击试验，分别估算在不同冲击电流下的残压和吸收的能量，从而验证模型的准确性。试验结果表明，P-G模型和非线性电阻模型估算MOA吸收的能量准确，特别是在波头相对较缓的8/20 μs和30/60 μs冲击电流下，两种模型输出的电压波形几乎相同。为了研究避雷器模型的准确性，本文通过EMTP对IEEE和P-G模型进行仿真电流冲击。

1    仿真模型

1.1    IEEE模型

IEEE模型是使用最为广泛的模型，如图1所示。

对于该模型，A0、A1是两个非线性电阻，数据见文献[6]。两个非线性电阻由R1-L1组成的低通滤波所分离，用于研究残压变化。L0是内外部磁场的电感，R0是为避免仿真过程中出现震荡而引用的电阻，C为外部电容。模型参数计算公式如下：

式中：d为避雷器的高度;n为并联的压敏电阻个数;U8/20为MOA在8/20 μs波形、峰值为10 kA的标准电流冲击下的残压数值;k为调整非线性分量的参数，通常取1.6。

1.2    P-G模型

图2为P-G模型，这是一个简化的模型，在IEEE模型的基础上进行了调整，去掉了固定电容，R1和R0由大小为1 MΩ的电阻替代，A0、A1两个非线性电阻的参数和性质与IEEE模型一样。

电感L0和L1计算公式如下：

式中：Un为MOA的额定电压;U为MOA在波形为1/T2、峰值为10 kA的电流冲击下的残压数值。

2    仿真模型的搭建

在电磁暂态仿真软件EMTP上分别搭建上述MOA的两种模型，MOA型号为YH5WS-17/50，避雷器的压敏电阻片长度为190 mm，压敏电阻片个数为5，通过公式（1）～（6）计算得出IEEE模型的参数如表1所示，通过公式（7）～（8）计算得出P-G模型的参数如表2所示。

3    实验结果分析

采用波头为8/20 μs、峰值大小为10 kA的雷电冲击波形对MOA进行冲击试验，雷电冲击波为双指数Heidler模型，分别测量两种不同的模型残压数值，得出其波形图如图3所示。

通过对比可以看出，IEEE模型和P-G模型殘压数值均有效，仿真结果准确。IEEE模型其最大残压数值为50.1 kV，P-G模型为51.3 kV。根据实际数据，YH5WS-17/50型号的MOA在雷电冲击电流下最大残压数值为51.8 kV。

综上所述，两种模型的仿真结果较好，误差小。相比较IEEE模型，P-G模型的最大残压值更接近实际数据，更为精确。

4    结语

通过实际数据搭建MOA的两种模型，经雷电冲击仿真实验可以看出，IEEE和P-G两种模型仿真结果皆准确，其中P-G模型更为精确，且模型简易，参数计算简单，更适用于仿真实验和分析。

[参考文献]

[1] 姚亚鹏，邬雄，熊易，等.金属氧化物避雷器仿真模型适用性研究[J].电瓷避雷器，2018（4）：138-143.

[2] JONES R A，CLIFTON P R，GROTZ G，et al.Modeling of metal oxide surge arresters[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（1）：302-309.

[3] PINCETI P，GIANNETTONI M.A simplified model for zinc oxide surge arresters[J].IEEE transactions on power delivery，1999，14（2）：393-398.

[4] FERNANDEZ F，DIAZ R.Metal oxide surge arrester model for fast transient simulations[C]//The International Conference on Power System Transients IPAT，2001：1.

[5] 何雨微，司文荣，魏本刚，等.考虑吸收能量估算的金属氧化物避雷器模型准确性分析[J].中国电机工程学报，2017，37（10）：3019-3027.

[6] 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.

收稿日期：2020-08-25

作者简介：徐浩（1994—），男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，研究方向：电气设备故障诊断。