基于Simulink的沖擊電壓放電試驗(yàn)仿真系統(tǒng)

楊玲，王智東，鄧豐強(qiáng)，梁梅，董笑

（華南理工大學(xué)，廣州 510641）

引言

電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)運(yùn)行中除承受正常運(yùn)行的工頻電壓外，還可能受到暫時(shí)過電壓及雷電過電壓的襲擊。雷電能造成極高的電壓，因此對(duì)高壓電力設(shè)備絕緣將造成很大的影響，是電力系統(tǒng)造成事故的重要因素，因此，雷電沖擊試驗(yàn)是模擬發(fā)生在電力系統(tǒng)中的雷電波的電壓波形而進(jìn)行的試驗(yàn)，其主要目的是考核設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。

試驗(yàn)室中對(duì)高壓電氣設(shè)備的絕緣檢測(cè)是利用沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生沖擊電壓以模擬雷閃放電引起的過電壓進(jìn)行的。沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置，它被用于研究電力設(shè)備遭受大氣過電壓（雷電）時(shí)的絕緣性能。沖擊電壓的破壞作用不僅決定于波形、幅值、還與波形陡度有關(guān)。目前國(guó)內(nèi)沖擊電壓發(fā)生器能產(chǎn)生8種沖擊波形[1-6]。

為使所得結(jié)果可以互相比較，需規(guī)定沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形。國(guó)家規(guī)定的雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)主要有：峰值允許偏差、波前時(shí)間、半峰時(shí)間以及沖擊電壓的極性。以變壓器為例，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變壓器的雷電沖擊試驗(yàn)波形有嚴(yán)格規(guī)定，要求波前時(shí)間為1.2 μs，允許偏差±30 %；波峰處的過沖或震蕩不得大于峰值的5 %；波尾時(shí)間為50 μs，允許偏差±20 %；由于試品電感的存在，一般無法取得單極性標(biāo)準(zhǔn)全波電壓，在波尾部分會(huì)有過零震蕩，此時(shí)要求震蕩反峰值不超過施加電壓幅值的50 %[7-10]。基于以上對(duì)波形嚴(yán)格的規(guī)定，以及設(shè)備的復(fù)雜性，標(biāo)準(zhǔn)波形的獲得不僅需要參數(shù)計(jì)算，還需要通過進(jìn)行大量的沖擊試驗(yàn)來獲取，在做試驗(yàn)的過程中需要對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，耗費(fèi)了大量的時(shí)間。

目前，單純依靠常規(guī)的沖擊電壓放電試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行絕緣檢測(cè)存在調(diào)試設(shè)備參數(shù)難、試驗(yàn)次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)、效率低等弊端。為了節(jié)約獲取雷電沖擊標(biāo)準(zhǔn)波形的過程時(shí)間，本論文研究了一種虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要對(duì)沖擊電壓發(fā)生器等設(shè)備進(jìn)行建模。

隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬試驗(yàn)已被逐漸地引入到試驗(yàn)測(cè)試中。在試驗(yàn)測(cè)試研究中，將虛擬試驗(yàn)與傳統(tǒng)試驗(yàn)相結(jié)合，使兩者相輔相成，可以有效地提高測(cè)試質(zhì)量與測(cè)試效果。

本文采用了Matlab的GUI功能和Simulink結(jié)合制作交互界面的方法，設(shè)計(jì)沖擊電壓放電試驗(yàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。通過模仿各種擊穿耐壓及沖擊試驗(yàn)，得出波形與數(shù)據(jù)，用以與現(xiàn)實(shí)高壓設(shè)備數(shù)據(jù)做比較得出結(jié)論。試驗(yàn)測(cè)試人員在調(diào)整設(shè)備參數(shù)進(jìn)行試品測(cè)試前，可以利用電腦實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的仿真，根據(jù)試品的耐壓水平與測(cè)試要求設(shè)置仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中各元件參數(shù)，通過仿真得到了測(cè)試需要的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形后再進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備的搭建與調(diào)節(jié)。

對(duì)于高電壓設(shè)備來說，虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景的建模研究是非常有意義的，虛擬場(chǎng)景是根據(jù)后臺(tái)仿真場(chǎng)景的運(yùn)行情況，被實(shí)時(shí)渲染出來的虛擬場(chǎng)景，試驗(yàn)測(cè)試人員可以在該虛擬場(chǎng)景中設(shè)計(jì)試驗(yàn)，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)與研究，可大大的緩解試驗(yàn)測(cè)試人員直接利用高壓設(shè)備做試驗(yàn)時(shí)的緊張心理，同時(shí)可以設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)范圍以外的試驗(yàn)研究，為雷電沖擊放電測(cè)試試驗(yàn)提供了一種新的方法，大大節(jié)約了試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，提高了試驗(yàn)測(cè)試的效率與效果。

1 沖擊電壓放電試驗(yàn)原理

目前，雷電沖擊放電試驗(yàn)平臺(tái)主要由試驗(yàn)變壓器、整流硅堆、充電電阻、放電球隙、充電電容、波頭電阻、波尾電阻等元器件組成。搭建試驗(yàn)平臺(tái)所用的元器件較多，搭建過程較復(fù)雜，搭建完成后需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)以得到適用于被測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形。在此過程中安全要求高，數(shù)據(jù)要求精確無誤，這給測(cè)試人員提出了較高的要求。

沖擊電壓發(fā)生器接線圖如圖1所示。

圖1 沖擊電壓發(fā)生器原理接線圖

圖中D1為整流硅堆，作用是將交流電整流為直流電，以模擬直流雷電沖擊的效果，G1、C1、R0，G2、C2、R0……為各級(jí)的放電球隙、充點(diǎn)電容和充電電阻，Rf、Rt、Cd1、Cd2為波頭電阻、波尾電阻和電容分壓器，構(gòu)成了放電回路。

其中，放電球隙的距離決定了調(diào)壓設(shè)備的升壓范圍，球隙距離太大會(huì)導(dǎo)致升壓至變壓器額定參數(shù)后球隙仍然無法擊穿，而球隙距離太小又會(huì)導(dǎo)致還未升壓到規(guī)定的數(shù)值時(shí)球隙就自動(dòng)擊穿了。因此球隙太大或太小都不能進(jìn)行正常的測(cè)試。根據(jù)不同設(shè)備絕緣水平的測(cè)試要求，確定雷電沖擊電壓波形的峰值，而測(cè)試平臺(tái)的雷電沖擊電壓波形的峰值由級(jí)數(shù)決定，因此在確定級(jí)數(shù)后，確定了變壓器的電壓水平，再以此確定球隙距離。當(dāng)球隙距離小于球直徑的四分之一時(shí)，該球隙形成的空氣場(chǎng)可以看做是均勻電場(chǎng)，而超過此距離后，球隙距離越大，形成的電場(chǎng)越不均勻。其擊穿電壓的數(shù)值也都不同。因此，放電球隙距離的大小也是影響雷電沖擊放電試驗(yàn)最終結(jié)果的一個(gè)重要因素。

除此以外，波前時(shí)間和波尾時(shí)間由波頭電阻和波尾電阻決定。即對(duì)于額定電壓與運(yùn)行條件不同的各類設(shè)備做雷電沖擊電壓放電試驗(yàn)時(shí)，需要根據(jù)其試驗(yàn)要求對(duì)以上元器件進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行多次的調(diào)整測(cè)試。

2 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文總體設(shè)計(jì)利用Simulink加以仿真實(shí)現(xiàn)，對(duì)于雷電沖擊電壓放電試驗(yàn)，難以通過經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)，所以在Simulink中搭建了放電過程的等效電路模型，通過Matlab GUI將參數(shù)傳輸?shù)絊imulink中，仿真后將波形和幅值信息重新反饋到GUI界面?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。測(cè)試人員利用仿真軟件試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)各元器件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行得出數(shù)據(jù)結(jié)果與沖擊電壓波形，經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)計(jì)算、調(diào)整校正試驗(yàn)，得出標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電壓波形，并以此為依據(jù)搭建設(shè)備平臺(tái)用于試驗(yàn)測(cè)試。

圖2 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

其中，放電過程的等效電路仿真模型如圖3所示，其中，Rf，Rd為等效的波頭、波尾電阻，C1、Rt為等效的充電電容和充電電阻。

圖3 放電過程等效電路仿真模型

放電球隙距離所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓是通過程序計(jì)算得到。對(duì)于均勻電場(chǎng)氣體間隙工頻放電試驗(yàn)，相對(duì)簡(jiǎn)單，我們通過搜集資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了均勻電場(chǎng)空氣擊穿的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：

Ub—對(duì)應(yīng)該間隙長(zhǎng)度的擊穿電壓，單位為kV；

d—間隙長(zhǎng)度，單位為cm；

而對(duì)于不均勻電場(chǎng)氣體間隙工頻放電試驗(yàn)，理論很多，目前較為廣泛接受的是流注理論，但是對(duì)于短間隙放電的研究還不完善，計(jì)算公式也非常復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)符合我們的設(shè)備的仿真功能，我們結(jié)合搜集到的資料，進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行修正后，通過對(duì)數(shù)擬合的方法，得到了標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下?lián)舸╇妷旱臄M合函數(shù)：

式中：

U0—標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿電壓，單位為kV；

d—?dú)庀堕L(zhǎng)度，單位為cm。

所以任一大氣條件下的擊穿電壓由以下公式得到：

Ub=δU0（3）

式中：

Ub—任一大氣條件下的擊穿電壓，單位為kV；

空氣密度校正系數(shù)δ的定義與均勻電場(chǎng)相同。

通過對(duì)電路各模塊參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的設(shè)置調(diào)整，運(yùn)行并得出相應(yīng)的波形及數(shù)據(jù)來確定試驗(yàn)平臺(tái)各元器件合理的試驗(yàn)參數(shù)，并以確定后的參數(shù)作為依據(jù)對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整后進(jìn)行測(cè)試。

3 具體實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

在完成對(duì)上述放電過程等效電路仿真模型中各元件模塊的參數(shù)設(shè)置后，調(diào)節(jié)電壓，進(jìn)行沖擊電壓放電，記錄其波形和電壓幅值等數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示 。

圖4 仿真程序圖

在調(diào)整設(shè)備仿真模型參數(shù)后，沖擊電壓的放電試驗(yàn)仿真界面如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)仿真界面

輸入試驗(yàn)所加電壓U，點(diǎn)擊數(shù)值框輸入數(shù)值或是用鼠標(biāo)拖動(dòng)電壓滾動(dòng)條可改變所加電壓，點(diǎn)擊“仿真”選項(xiàng)，即可獲得最大沖擊電壓幅值和在曲線框圖顯示該電壓下產(chǎn)生的沖擊電壓的波形圖。

調(diào)整放電過程的等效電路仿真模型參數(shù)，使其相當(dāng)于發(fā)生器本體2級(jí)的數(shù)值，負(fù)荷電容為電容分壓器1 000 pF，設(shè)置輸入電壓數(shù)值為25 kV、50 kV、80 kV、100 kV，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 沖擊電壓放電試驗(yàn)仿真結(jié)果

將仿真試驗(yàn)中的各組試驗(yàn)參數(shù)在實(shí)物設(shè)備上進(jìn)行調(diào)節(jié)并驗(yàn)證，結(jié)果顯示電壓峰值、波頭時(shí)間、波尾時(shí)間與仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差不超過5 %。以此，證明了本論文研究的基于Simulink的沖擊電壓放電試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果對(duì)實(shí)際設(shè)備的試驗(yàn)測(cè)試具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

針對(duì)利用雷電沖擊電壓放電試驗(yàn)對(duì)電力設(shè)備絕緣水平進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，參數(shù)計(jì)算與設(shè)備調(diào)整工作量大，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，效率低等問題，本論文研究了一種基于Simulink的沖擊電壓放電試驗(yàn)仿真系統(tǒng)，即在Simulink中搭建了放電過程的等效電路模型，測(cè)試人員通過Matlab GUI將試驗(yàn)參數(shù)傳輸?shù)絊imulink中，進(jìn)行仿真后將波形和幅值信息重新反饋到GUI界面。測(cè)試人員將仿真后的數(shù)據(jù)波形作為依據(jù)搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。通過具體的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，該沖擊電壓放電試驗(yàn)仿真系統(tǒng)能夠通過仿真的方法計(jì)算合理的試驗(yàn)參數(shù)，運(yùn)行得出理想的試驗(yàn)結(jié)果，再以此作為依據(jù)在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，可大幅度縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高測(cè)試效率。