十脉冲下限压型SPD级间串联退耦电感前后能级匹配研究

徐乐，史东东，高攀亮，曹洪亮，秦孟晟，王成芳

（1.扬州市气象局，江苏 扬州225009；2.扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏 扬州225009；3.宁夏中科天际防雷股份有限公司，宁夏 银川750000；4.南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏 南京210044；5.吴江市建设工程质量检验中心有限公司，江苏 苏州215000；6.江西省气象局，江西 南昌330046）

1 引言

随着电子集成工业的快速发展，电气电子设备对雷电防护的要求越发严苛，单个浪涌保护器(SPD)已无法满足当前精细化的防护要求，需要不同类型、不同功能防雷器件进行配合使用。在SPD的配合使用中，级间必须加入足够的阻抗加以退耦，以期达到前后级快速泄流、有效箝压的使用效果[1-3]。

目前限压型SPD级间串联的退耦元件常采用电感和电阻，相关专题已有部分国内外专家在做探究。Standlerrb等[4]分析了不同传输线模型下各类退耦元件配合产生的瞬态电压浪涌对工业和住宅系统产生的影响；李祥超等[5]研究了浪涌保护器的设计与应用中串联退耦电感对于雷电流箝压的效果；张栋等[5]利用波过程研究SPD配合时的导通次序，并配合仿真软件研究线路参数对于SPD配合结果的影响。上述研究均在单脉冲条件下围绕如何提升两者匹配后的整体保护效果，并未在更接近实际雷击环境下的多脉冲条件下对两者匹配过程中的能级参数(残压、通流和分流比等)进行细致深入的研究。

自然雷电的三大物理特性之一是雷击的脉冲个数多，在IEC62305-1中，将多脉冲定义为平均含有3～4个雷击的雷闪。限压型SPD作为可靠的防雷保护器件，必须经受住严苛的耐受冲击测试，能够经受住十脉冲的限压型器件显然更能够保护供电系统设备。本文针对两者匹配过程中退耦电感选取问题，结合10个8/20μs脉冲电流对限压型浪涌保护器级间串联退耦电感配合后作耐受冲击试验，得出级联不同退耦电感值时限压型SPD残压、通流和分流比的对应变化规律。

2 限压型浪涌保护器(SPD)串联退耦电感理论分析

2.1 行波通过串联电感的理论分析

在低压供配电系统中，敏感电子电气设备需要多级SPD进行系统保护，依据国际电工委员会制定的标准，明确规定多个SPD能级匹配时宜使用组合或并联的基本模式[7-9]。氧化锌作为主流的限压型防雷元件，具备优异的非线性伏安特性，在能级匹配过程中需加入电感进行退耦。在限压型SPD多级并联中，退耦电感参数的选择，既要满足电涌保护器参数的要求，又要满足电涌保护器能级匹配的要求。

在电力系统线路中，行波遇到输电线路中的串联电感时会发生波形的改变且其反射和折射系数也伴随相应的变化[10-12]。

图1a为串联有退耦电感的线路上侵入一无限长直角波u1q，其中Z1为线路前段的波阻抗和Z2为线路后段的波阻抗。当u1q到达Z1和Z2的连接点A时将产生折射和反射，而作为集中参数元件退耦电感L，在它上面只存在相应的电压降而没有波过程，所以反射过程在L和Z2的连接点B上不存在，存在的折射为A点电压在电压波Z2上的分压。由图1b中的等值电路，根据彼德逊换算法则得，

由式(1)求得线路中Z2的前行电流波i2q为：

进而求得沿线路Z2传播的折射电压波u2q为：

如图1c所示，当t=0,u2q=0，当t→∞时，u2q→αu1q，说明雷电波在侵入输变电线路后产生的长直角行波在遇到串联退耦电感后按比例平稳上升，由此可见线路中串联退耦电感能够有效减小雷电流上升的陡度。

图1 行波通过串联电感

由式(3)求得折射电压波u2q的上升速率为=0时为最大值，表明最大上升速率与线路后段的参数有关，即由Z2和L决定，当波阻抗Z2恒定，L愈大，则上升速率下降越快。这一结论应用到电气系统的防雷保护中，则表现为侵入的雷电流的陡度越高，则相应的过电压也越大，故通过串联合理电感值来减缓雷电瞬态过电压的上升速率对电力系统的防雷保护具有重要的意义。

2.2 限压型SPD级间串联电感的能级匹配模型和原理

根据IEC61643-1规定[7]，电力设备线路中多处安装SPD时，限压型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于5 m，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10 m，但实际应用场景中，由于受场地限制等客观因素限制，可利用退耦电感元件的延时、滤波等属性来有效解决多级SPD级联配合的问题。

前后级限压型SPD能量匹配模式如图2所示。根据集中电路参数理论分析，限压型SPD具备优异的伏安特性，具体表现为通流容量大，响应时间短，无续流且残压低。当采用前后级SPD配合时，两者伏安特性均具备连续特性，其残压相同亦或逐级递升。通常来说，具体过程如下：当侵入的雷电流电压上升达到前级SPD的压敏电压时，前级SPD率先导通，此时由于线路中串联有退耦电感，使行进中雷电流不会发生突变且响应延迟，因此后级SPD不会同时导通。随着雷电流继续上升，流过前级SPD的电流不断增大，使得前级SPD的残压逐渐上升，后级SPD两端的电压也随着前级SPD残压的增大而上升，当其达到后级SPD压敏电压时，后级SPD开始导通。当侵入雷电流能量在前后级SPD耐受范围内，即实现了两者的能级匹配[13-15]。

图2 前后级SPD级联退耦电感匹配模型

3 试验方案及试验数据分析

3.1 试验方案

十脉冲试验发生装置包含10个单脉冲8/20 μs冲击发生回路(图3)。图3a中共设置10个波形发生器，每个发生器的冲击电流幅值均可调，且触发间隔时间均可通过可变电阻和电容进行控制，每次触发可产生10个8/20μs波形的间歇时间可调的脉冲信号。多脉冲连续冲击过程中，第一与第十脉冲幅值采用标准值，第二和第九脉冲幅值为标准值的一半，第一至第九脉冲时间间隔为60 ms，第九至第十脉冲时间间隔400 ms，冲击时间长度为880.5 ms。图3a中每个8/20μs波形发生器模块均相同，其基本电路如图3b所示。临界阻尼条件下，回路间各参数关系为：

图3 十脉冲试验原理图

其中R=Rt+Rz，Rt为线路调波电阻，Rz为冲击试验样品的等效电阻，Im为试验冲击电流幅值，Uc为线路电容C的充电电压，t1为雷电流触发的波前时间。对匹配模型进行模拟雷电流冲击试验，依次采用8/20μs波形施加5～30 kV的耐受冲击，选取串联电感值分别为2µH、4µH、6µH、8µH、10µH，等效线路冲击过程中的残压和通流数据通过TEK DPO3012数字示波器实时显示并存储，采样频率为200 kHz[13]。

3.2 试验结果分析

3.2.1 前后级SPD匹配时泄流分析

第一组试验，前后级SPD依次选用压敏电压相近的压敏电阻，压敏电压依次为625 V和627 V，测试出的泄漏电流依次为1.2µA和2.1µA，极间依次串联电感值为2µH、4µH、6µH、8µH、10µH，试验测试波形为8/20μs，在相同的冲击电压下得到极间串联不同电感时泄流变化曲线图(图4)。由图4可知在冲击电压5～30 kV区间内，两者匹配的总泄流区间为2.8～20.8 kA，前级SPD的泄流区间为1.98～17.12 kA，后级SPD的泄流区间为0.46～3.92 kA，很显然在整体能级匹配中前级SPD承担了绝大部分的泄流作用，后级SPD只泄放了小部分雷电流。根据前文行波理论公式(3)可知，随着串联电感值的增加，后级SPD泄流的雷电瞬态过电压的上升速率在显著减小，这是因为退耦电感对于线路雷电流有抑制作用，当雷电流第一时间侵入线路时，首先经过前级SPD，泄放了大部分雷电流，随后在线路间退耦电感隔离抑制作用下，后级SPD泄放剩余小部分雷电流，实现前后级SPD能级匹配，从而有效保护线路终端设备。

图4 级间串联不同电感值时泄流随冲击电压变化的曲线

通常来说，当采用两个限压型SPD配合时，前后两级SPD的泄流箝压是有分工的，前级主要功能是用于泄流。由表1可知：当极间串联电感值为3～6μF时，前级泄流占比随着电感值的增加而增加，相应的后级SPD泄流压力在不断减小；当极间串联电感值为6～10μF时，前级SPD泄流比重在不断下降，相应的后级SPD的泄流比重在增加，这是因为出现了磁饱和现象，所以得出相应结论即在电感值合理区间内，线路中串联电感值越大，后级SPD电流分比越小，能级匹配效果越好。

表1 十脉冲下串联不同电感值时前级SPD占总泄流比重

同理在第二组试验中，当前后级SPD依次选用压敏电压相差较大的压敏电阻时，压敏电压依次为610 V和520 V，测试出的泄漏电流依次为0.7µA和1.1µA，其中分流比冲击测试结果对比如图5所示。

图5 压敏电压不同情况下串联不同电感值时分流比随冲击电压变化的对比图

在相同冲击条件下，综合第二组试验数据，当并联的压敏电阻其压敏电压差距较大时，分流比与压敏电压关系不大，残压与压敏电压有关，压敏电压越低，残压越低。在第二组试验中所用后级SPD压敏电压为510 V，故残压值也相对较低(图6)。

图6 压敏电压不同情况下串联不同电感值时残压随冲击电压变化的对比图

同理，根据试验数据相比较可得，相同冲击电压下，SPD间电感值越大，后级压敏电阻的电流分比越小，残压越低，能量匹配效果越好。当出现前级SPD通流明显降低，后级SPD的通流显著增加时，应该考虑线路中出现磁饱和的可能性。

磁饱和现象是基于瞬变电流流过线路电感时产生。当电感中导磁体内磁场强度随着冲击电流的增加达到一定水平时，出现电流增加而磁场强度不再增加的滞涨现象[17]。在并联电路中的关系可描述如下：

式中Ures1为压敏电阻上的前级残压值，Ures2为后级残压值。当冲击回路产生磁饱和情况时，线路实际电感值会发生显著减小，使得串联电感上的压降逐步减小，继而导致后级SPD响应动作变得迟缓，最终在没有出现磁饱和情况下，后级SPD发生提前动作，使得后级SPD的通流增加，残压也相对升高的现象。针对可能会出现的磁饱和现象应作为选取退耦电感器件的重要参考。为了避免此种现象，在实际装设SPD时级间选装的退耦电感值在合理范围内应较理论电感值稍大一些。

3.2.2 前后级SPD匹配时箝压分析

残压作为SPD的核心参数，是表征浪涌保护器箝压水平的重要指标[18]。表2是限压型SPD分别串联2µH、4µH、6µH、8µH、10µH时前后级SPD残压值随冲击电压的变化数据表。在冲击电压5～30 kV区间内，前级SPD箝压水平范围为1.07～2.08 kA，后级SPD箝压水平范围为1.02～1.97 kV，后级SPD的残压值整体低于前级SPD残压，后级SPD主要起限制残压的作用，且残压值随着电感值的不断增大总体呈现先升后降的现象。残压值越高意味着器件钳压水平越低，尤其是当级联电感值由2μF变为6μF，且冲击电压在15～30 kV区间时，前后级SPD的箝压水平有显著的下降，随着串联电感值由8μF变为10μF时，整体箝压水平出现一定程度的回升。图7和图8分别是在20 kV冲击电压作用下，串联电感值为2μF和6μF时的通流和残压波形图。由图可知，CH1是流过SPD的两端电压，CH2是流过SPD的电流，随着串联电感值的增加，限压型SPD的泄流箝压能力都有显著提升。由此可见：在限压型浪涌保护器级间串联退耦电感的能级匹配中，串联电感值应该在一个合理的范围，在客观条件允许情况下可选取稍大于理论计算的电感值，这样既能快速泄流又能有效箝压。

表2 5～30 kV十脉冲下串联不同电感值时前后级SPD残压值(kV)

图7 级间串联2µH电感连接的波形图

图8 级间串联6µH电感连接的波形图

4 结论

针对实际限压型浪涌保护器级间串联退耦电感的能级匹配问题，通过十脉冲8/20μs冲击测试得出不同压敏电压的氧化锌压敏电阻和不同电感值的通流、残压和分流比的匹配关系，得出以下结论。

(1)在冲击电压相同的情况下，氧化锌压敏电阻的压敏电压对前后级SPD分流比影响较小，但与残压有关，压敏电压愈低，残压值愈低。SPD级联电感值越大，前级SPD泄流越多，后级SPD箝压水平越高，能级匹配效果越好。因此，实际应用中，在限压型SPD耐受范围内可适当增大退耦电感值。

(2)在限压型SPD多级并联应用的实际情况中，由于受到场地限制等因素影响，导线长度无法满足安装条件要求时，可加装退耦电感来有效减缓雷电瞬态过电压的上升速率，但不应该忽视磁饱和现象，当出现磁饱和时，前级SPD通流明显降低，后级SPD的通流明显增高，为了避免此种现象，在实际装设SPD时级间选装的退耦电感值应较理论电感值稍大一些。