磁环在并联型两级压敏电阻中的应用

刘晓康，张雨奇，嵇建飞，马振国，张卫东

(1.国网江苏省电力有限公司常州供电分公司,江苏 常州 213003; 2.国网江西省电力有限公司南昌供电分公司,江西 南昌 330069; 3.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏 南京 210000; 4.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206)

0 引言

换流站二次系统的更新迭代将许多新技术、新设备引入实际工程建设中。同时，换流站内复杂、恶劣的电磁环境对现有二次传导抗干扰措施的有效性提出了严峻的考验。2015年，某特高压换流站因雷击造成直流分压器二次测量部分失效[1]。2017年，某特高压换流站因交流滤波器场开关故障导致保护小室内多块二次板卡损坏[2]。追溯事故原因，发现现有的传导抗干扰措施存在缺陷。浪涌保护器应用于工程之后，对传导干扰的防护效果未能符合预期。由此可见，浪涌保护器在现场应用中的有效性需结合工程实际情况。同时，针对多级配合的浪涌保护器防护设计还需全面考虑各元件之间的电气参数，以及级间退耦阻抗的选取方法[3]。

磁环是电子电路中常用的抗干扰元件，对于瞬态电压有很好的抑制作用。磁环在电路正常工作时，等效阻抗接近于零，对正常工作信号无影响；当高频瞬态骚扰入侵时，磁环等效阻抗增大，将损耗骚扰信号能量、抑制瞬态电压[4]。武超飞在研究磁环应用于二次电缆的骚扰抑制效果时，比较了磁环材料、磁环数量以及不同类型磁环组合方式对瞬态磁导骚扰抑制效果的影响[5]。

金属氧化物电阻器(metal oxide varistor， MOV)应用于浪涌保护时多为压敏电阻，其伏安特性表现为非线性[6]。当瞬态电压入侵时，压敏电阻的阻值迅速减小，支路电流增大，泄放浪涌能量，从而对后级电路起保护作用[7]。然而，在实际工程应用时，由于骚扰波形和前后端接的特性存在差异，两级压敏电阻不一定按预期的次序导通。其后果是原有的防护设计功能无法实现[8-9]。

研究结果表明，并联型两级MOV在使用过程中渐渐配合失效的成因多是退耦元件自身老化所引发的电气性能下降[10]。而分析并联型两级MOV的传统设计可知，电感和电阻是常见的退耦元件。因此，为更好地抑制二次传导骚扰、提高退耦元件在使用过程中的可靠性，本文研究将磁环作为退耦元件应用在两级压敏电阻之间的可行性。

1 并联型两级MOV配合机理及仿真分析

并联型两级MOV是将两个具有不同电气参数的压敏电阻在电路设计上形成并联回路，以提高前级压敏电阻的导通泄流、降低后级压敏电阻的动作残压。在整体设计时，必须要考虑压敏电阻元件自身动作特性的差异，针对不同的前后端接应用环境合理选择两级压敏电阻的电气参数，从而满足保护特性的需求，实现并联型两级MOV的有效配合。

并联型两级MOV配合保护电路如图1所示。

图1 并联型两级MOV配合保护电路

图1中:Ig为模拟瞬态骚扰的发生器，输出的电流波形为斜角波；前级压敏电阻MOV1和后级压敏电阻MOV2的阻抗为Z1、Z2；负荷阻抗为Z；两级压敏电阻之间的线路电缆长度为l，每单位长度Δl的电缆对应电感为L0。

对于斜角波电流Ig，有:

Ig=αt

(1)

式中:α为浪涌陡度；t为电流持续时间。

为求解电路各支路分流，利用拉普拉斯变换，可得:

(2)

式中:I1为MOV1上流过的电流。

将所得的结果从复数域变换到时域,可得:

(3)

式中:ΔU为线路压降。

由式(3)可知，在斜角波电流浪涌作用下，两级压敏电阻之间的线路压降和浪涌电流的陡度、电缆电感参数(单位电感一定条件下，即电缆长度)两者密切相关，随之同比例增大。考虑到不同类型的传导骚扰浪涌陡度相差较大，当浪涌陡度和级间阻抗同时较小时，线路压降将不满足并联型两级MOV正常配合的条件，前后级压敏电阻在导通次序和能量分配上与预期出现差异；而考虑正常工况条件下工作电压信号的传输问题，又不宜将级间阻抗设计过大，否则会使电路在日常运行中产生过多损耗。因此，为实现两级压敏电阻的有效配合，可以考虑在前后级压敏电阻之间串联退耦电感。

为研究退耦电感在并联设计中的作用，通过仿真的方法进行了研究，对比有无退耦电感对前后级压敏电阻配合时导通次序、分流情况的影响。仿真电路中，以重复频率100 kHz的群脉冲为干扰源，将被保护侧后级电路视作大小为50 Ω的负载，并联支路所采用的两级压敏电阻MOV1、MOV2。MOV1和MOV2的压敏电压(压敏电阻流通电流为1 mA时所对应的电压)参数分别设定为120 V、47 V。

负载电阻两端的电压仿真波形如图2所示。图2仿真对比了有、无退耦电感(8 μH)两种情况下，群脉冲骚扰传导至末端负载时电阻上耦合的暂态电压波形。分析图2中的两条电压波形可知：在无退耦电感条件下，末端负载支路所耦合的瞬态电压上升沿为20 ns，电压峰值为71 V；有退耦电感条件下，末端负载支路所耦合的瞬态电压的上升沿为178 ns，电压峰值为59 V。由两组数据可知，退耦电感的存在使得负载电阻两端骚扰电压的上升速率、残压峰值减小，提升了骚扰抑制效果。

图2 负载电阻两端的电压仿真波形

两级MOV的仿真分流对比如图3所示。

图3 两级MOV的仿真分流对比

前后级压敏电阻在同一电气参数不变、只改变级间退耦电感的有无时，前级压敏电阻MOV1和后级压敏电阻MOV2所在支路的脉冲电流分流大小有显著差异。图3(a)中，两级压敏电阻并联配合时，后级压敏电阻的压敏电压阈值较低，因而先一步动作，支路阻值迅速减小，脉冲分流能力提高。相比前级压敏电阻，后级压敏电阻主要承担了泄放浪涌能量的作用，并未实现并联型两级MOV之间的有效配合。而在图3(b)中，两级压敏电阻之间串联入退耦电感，在浪涌入侵时可增大级间压降。这使得两级压敏电阻处于不同的外加电压水平下，有利于前级压敏电阻的深度导通，减小后级压敏电阻的脉冲分流，并降低负载电阻两端残压。

2 并联型两级MOV群脉冲试验及选取方法

群脉冲试验电路如图4所示。

图4 群脉冲试验电路示意图

两级压敏电阻并联时，两级压敏电阻分工不同。前级压敏电阻MOV1在并联设计中主要承担的是泄放脉冲能量，尽可能多地提高支路分流；后级压敏电阻MOV2则偏向于保护后级电路，对抑制耦合至负载两端的瞬态电压发挥更大作用。基于以上目的，设计之初前、后级压敏电阻的电气参数、动作特性不同。两级压敏电阻配合失效的主要原因往往是中间退耦元件电气性能的下降，且上一节的电路仿真分析的结果表明退耦电感的存在对于两级MOV有效配合可产生较大影响。因此，本文在试验中考虑外加磁环对瞬态电压分量所等效电感的作用。

试验中瞬态骚扰由群脉冲发生器激励产生，所输出脉冲波形的主要能量在20 MHz以下。群脉冲试验所用磁环为夹扣式磁环，对应型号为ZCAT2032-9030(TDK)。该磁环在1～100 MHz的频率范围之间等效阻抗非线性增大，由20 Ω增大至150 Ω。

频率0～20 MHz范围内Z8μH/ZZCAT如图5所示。

图5 频率0～20 MHz范围内Z8μH/ZZCAT

为实现并联型两级MOV在实际应用中的有效配合，压敏电阻的级间阻抗不宜小于5 m的二次电缆的等效阻抗(忽略高频分量下的电阻参数，其电感参数约为8 μH)[11]。由图5可知，在0～20 MHz范围内，8 μH电感电抗与外加ZCAT磁环所测得的等效阻抗两者比值随频率升高而增大，最大值为10。因此，为满足磁环等效阻抗的条件，在采用ZCAT磁环时可进行适当绕制，以增大等效阻抗。

(4)

式中:N为磁环绕线匝数；Z8μH为8 μH电感阻抗；ZZCAT为单匝绕线的ZCAT磁环等效阻抗。

负载电阻两端电压试验波形如图6所示。

图6 负载电阻两端电压试验波形

为对比磁环作为退耦元件存在的影响，试验中采用了三种方案(无退耦磁环，有退耦磁环和只有磁环)。比较图6中的三条电压波形可知，有退耦磁环时，并联型两级MOV对脉冲骚扰的抑制效果最好，耦合至末端负载上的瞬态电压最大值衰减为64 V。分析原因，磁环引入两级压敏电阻之间增大级间压降，使得前级压敏电阻得以先导通、支路分流能力提高，后级压敏电阻两端的瞬态电压减小，提高了对脉冲骚扰的抑制效果。此外，通过对比只有磁环(瞬态电压最大值为156 V)或无退耦磁环(瞬态电压最大值为346 V)的骚扰电压波形可以看出，单独采用磁环虽然也可以抑制骚扰电压峰值，但骚扰能量泄放过程较长；而采用无退耦磁环的两级压敏电阻时，负载电阻上的电压存在峰值较大的瞬态脉冲。

两级MOV的试验分流对比如图7所示。试验对比了有无外加磁环作为退耦元件时前后级压敏电阻的分流情况。图7(a)中，在两级压敏电阻之间无外加磁环条件下，前后级压敏电阻所在支路的分流大小极为接近，表明两者分流能力并无较大差异。由图7(b)可知,磁环等效阻抗上的分压使得前后级压敏电阻两端电压上升速率不同，前级压敏电阻MOV1的外加电压提前达到动作阈值，压敏电阻先一步导通泄流；而后级压敏电阻MOV2由于磁环等效阻抗使得脉冲电压的陡度减小，导通后两端电压峰值减小，所在支路脉冲分流的最大值衰减。

图7 两级MOV的试验分流对比

并联型两级MOV群脉冲试验结果表明：合理选择作为退耦元件的磁环材料和绕线匝数，可有效降低被保护负载两端骚扰电压峰值、增大前后级压敏电阻的分流比。因此，外加磁环作为退耦元件加装在并联型两级MOV之间可协助两级压敏电阻实现次序导通、能量配合。

由仿真和试验结果可知，在并联设计中，后级压敏电阻的功能是保护后级电路，对抑制耦合至负载两端的瞬态电压发挥更大作用。 因此，MOV2的压敏电压应满足在系统正常运行电压及允许波动范围内不误动。对于MOV1而言，为在瞬态电压入侵时实现自身的深度导通、提高泄放浪涌能量的能力，应在满足通流需求的前提下适当降低其压敏电压。但MOV1的动作阈值仍应比MOV2的动作阈值要更大。此外，MOV1的压敏电压的选择上限应考虑外加磁环在瞬态条件下的压降，不应大于磁环压降和MOV2的阈值电压之和。对于作为中间退耦元件存在的外加磁环，由于材料特性其磁导率会随频率增大而非线性衰减，在设计之初应使得磁环阻抗的最小值大于8 μH电感电抗。此外，考虑到磁饱和，正常运行时稳态的工况电流所激励的磁通应远小于磁环饱和值。

3 结论

本文首先以斜角波电流浪涌为骚扰源，分析了两级压敏电阻在保护电路中的配合机理，指出级间压降的大小会影响压敏电阻之间的有效配合；然后，通过仿真对比了有无退耦元件对并联型两级MOV抑制效果影响；最后，通过搭建以外加磁环作为退耦元件的并联型两级MOV群脉冲试验电路，开展试验研究磁环作为级间退耦元件方案的可行性。试验结果表明，合理地选择作为退耦元件的磁环材料和绕线匝数，可有效降低被保护负载两端骚扰电压峰值、提高两级压敏电阻的分流比。

本文基于仿真和试验结论，提出了磁环作为退耦元件应用在两级压敏电阻中间时，前后级压敏电阻压敏电压和磁环绕线匝数的选择方法，可为后续研究或相关设计提供参考。