十脈沖下限壓型SPD級(jí)間串聯(lián)退耦電感前后能級(jí)匹配研究

徐樂，史東東，高攀亮，曹洪亮，秦孟晟，王成芳

（1.揚(yáng)州市氣象局，江蘇 揚(yáng)州225009；2.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225009；3.寧夏中科天際防雷股份有限公司，寧夏 銀川750000；4.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044；5.吳江市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)中心有限公司，江蘇 蘇州215000；6.江西省氣象局，江西 南昌330046）

1 引言

隨著電子集成工業(yè)的快速發(fā)展，電氣電子設(shè)備對(duì)雷電防護(hù)的要求越發(fā)嚴(yán)苛，單個(gè)浪涌保護(hù)器(SPD)已無法滿足當(dāng)前精細(xì)化的防護(hù)要求，需要不同類型、不同功能防雷器件進(jìn)行配合使用。在SPD的配合使用中，級(jí)間必須加入足夠的阻抗加以退耦，以期達(dá)到前后級(jí)快速泄流、有效箝壓的使用效果[1-3]。

目前限壓型SPD級(jí)間串聯(lián)的退耦元件常采用電感和電阻，相關(guān)專題已有部分國(guó)內(nèi)外專家在做探究。Standlerrb等[4]分析了不同傳輸線模型下各類退耦元件配合產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓浪涌對(duì)工業(yè)和住宅系統(tǒng)產(chǎn)生的影響；李祥超等[5]研究了浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中串聯(lián)退耦電感對(duì)于雷電流箝壓的效果；張棟等[5]利用波過程研究SPD配合時(shí)的導(dǎo)通次序，并配合仿真軟件研究線路參數(shù)對(duì)于SPD配合結(jié)果的影響。上述研究均在單脈沖條件下圍繞如何提升兩者匹配后的整體保護(hù)效果，并未在更接近實(shí)際雷擊環(huán)境下的多脈沖條件下對(duì)兩者匹配過程中的能級(jí)參數(shù)(殘壓、通流和分流比等)進(jìn)行細(xì)致深入的研究。

自然雷電的三大物理特性之一是雷擊的脈沖個(gè)數(shù)多，在IEC62305-1中，將多脈沖定義為平均含有3～4個(gè)雷擊的雷閃。限壓型SPD作為可靠的防雷保護(hù)器件，必須經(jīng)受住嚴(yán)苛的耐受沖擊測(cè)試，能夠經(jīng)受住十脈沖的限壓型器件顯然更能夠保護(hù)供電系統(tǒng)設(shè)備。本文針對(duì)兩者匹配過程中退耦電感選取問題，結(jié)合10個(gè)8/20μs脈沖電流對(duì)限壓型浪涌保護(hù)器級(jí)間串聯(lián)退耦電感配合后作耐受沖擊試驗(yàn)，得出級(jí)聯(lián)不同退耦電感值時(shí)限壓型SPD殘壓、通流和分流比的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律。

2 限壓型浪涌保護(hù)器(SPD)串聯(lián)退耦電感理論分析

2.1 行波通過串聯(lián)電感的理論分析

在低壓供配電系統(tǒng)中，敏感電子電氣設(shè)備需要多級(jí)SPD進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)，依據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定多個(gè)SPD能級(jí)匹配時(shí)宜使用組合或并聯(lián)的基本模式[7-9]。氧化鋅作為主流的限壓型防雷元件，具備優(yōu)異的非線性伏安特性，在能級(jí)匹配過程中需加入電感進(jìn)行退耦。在限壓型SPD多級(jí)并聯(lián)中，退耦電感參數(shù)的選擇，既要滿足電涌保護(hù)器參數(shù)的要求，又要滿足電涌保護(hù)器能級(jí)匹配的要求。

在電力系統(tǒng)線路中，行波遇到輸電線路中的串聯(lián)電感時(shí)會(huì)發(fā)生波形的改變且其反射和折射系數(shù)也伴隨相應(yīng)的變化[10-12]。

圖1a為串聯(lián)有退耦電感的線路上侵入一無限長(zhǎng)直角波u1q，其中Z1為線路前段的波阻抗和Z2為線路后段的波阻抗。當(dāng)u1q到達(dá)Z1和Z2的連接點(diǎn)A時(shí)將產(chǎn)生折射和反射，而作為集中參數(shù)元件退耦電感L，在它上面只存在相應(yīng)的電壓降而沒有波過程，所以反射過程在L和Z2的連接點(diǎn)B上不存在，存在的折射為A點(diǎn)電壓在電壓波Z2上的分壓。由圖1b中的等值電路，根據(jù)彼德遜換算法則得，

由式(1)求得線路中Z2的前行電流波i2q為：

進(jìn)而求得沿線路Z2傳播的折射電壓波u2q為：

如圖1c所示，當(dāng)t=0,u2q=0，當(dāng)t→∞時(shí)，u2q→αu1q，說明雷電波在侵入輸變電線路后產(chǎn)生的長(zhǎng)直角行波在遇到串聯(lián)退耦電感后按比例平穩(wěn)上升，由此可見線路中串聯(lián)退耦電感能夠有效減小雷電流上升的陡度。

圖1 行波通過串聯(lián)電感

由式(3)求得折射電壓波u2q的上升速率為=0時(shí)為最大值，表明最大上升速率與線路后段的參數(shù)有關(guān)，即由Z2和L決定，當(dāng)波阻抗Z2恒定，L愈大，則上升速率下降越快。這一結(jié)論應(yīng)用到電氣系統(tǒng)的防雷保護(hù)中，則表現(xiàn)為侵入的雷電流的陡度越高，則相應(yīng)的過電壓也越大，故通過串聯(lián)合理電感值來減緩雷電瞬態(tài)過電壓的上升速率對(duì)電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)具有重要的意義。

2.2 限壓型SPD級(jí)間串聯(lián)電感的能級(jí)匹配模型和原理

根據(jù)IEC61643-1規(guī)定[7]，電力設(shè)備線路中多處安裝SPD時(shí)，限壓型SPD與限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不宜小于5 m，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不宜小于10 m，但實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于受場(chǎng)地限制等客觀因素限制，可利用退耦電感元件的延時(shí)、濾波等屬性來有效解決多級(jí)SPD級(jí)聯(lián)配合的問題。

前后級(jí)限壓型SPD能量匹配模式如圖2所示。根據(jù)集中電路參數(shù)理論分析，限壓型SPD具備優(yōu)異的伏安特性，具體表現(xiàn)為通流容量大，響應(yīng)時(shí)間短，無續(xù)流且殘壓低。當(dāng)采用前后級(jí)SPD配合時(shí)，兩者伏安特性均具備連續(xù)特性，其殘壓相同亦或逐級(jí)遞升。通常來說，具體過程如下：當(dāng)侵入的雷電流電壓上升達(dá)到前級(jí)SPD的壓敏電壓時(shí)，前級(jí)SPD率先導(dǎo)通，此時(shí)由于線路中串聯(lián)有退耦電感，使行進(jìn)中雷電流不會(huì)發(fā)生突變且響應(yīng)延遲，因此后級(jí)SPD不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。隨著雷電流繼續(xù)上升，流過前級(jí)SPD的電流不斷增大，使得前級(jí)SPD的殘壓逐漸上升，后級(jí)SPD兩端的電壓也隨著前級(jí)SPD殘壓的增大而上升，當(dāng)其達(dá)到后級(jí)SPD壓敏電壓時(shí)，后級(jí)SPD開始導(dǎo)通。當(dāng)侵入雷電流能量在前后級(jí)SPD耐受范圍內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)了兩者的能級(jí)匹配[13-15]。

圖2 前后級(jí)SPD級(jí)聯(lián)退耦電感匹配模型

3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)方案

十脈沖試驗(yàn)發(fā)生裝置包含10個(gè)單脈沖8/20 μs沖擊發(fā)生回路(圖3)。圖3a中共設(shè)置10個(gè)波形發(fā)生器，每個(gè)發(fā)生器的沖擊電流幅值均可調(diào)，且觸發(fā)間隔時(shí)間均可通過可變電阻和電容進(jìn)行控制，每次觸發(fā)可產(chǎn)生10個(gè)8/20μs波形的間歇時(shí)間可調(diào)的脈沖信號(hào)。多脈沖連續(xù)沖擊過程中，第一與第十脈沖幅值采用標(biāo)準(zhǔn)值，第二和第九脈沖幅值為標(biāo)準(zhǔn)值的一半，第一至第九脈沖時(shí)間間隔為60 ms，第九至第十脈沖時(shí)間間隔400 ms，沖擊時(shí)間長(zhǎng)度為880.5 ms。圖3a中每個(gè)8/20μs波形發(fā)生器模塊均相同，其基本電路如圖3b所示。臨界阻尼條件下，回路間各參數(shù)關(guān)系為：

圖3 十脈沖試驗(yàn)原理圖

其中R=Rt+Rz，Rt為線路調(diào)波電阻，Rz為沖擊試驗(yàn)樣品的等效電阻，Im為試驗(yàn)沖擊電流幅值，Uc為線路電容C的充電電壓，t1為雷電流觸發(fā)的波前時(shí)間。對(duì)匹配模型進(jìn)行模擬雷電流沖擊試驗(yàn)，依次采用8/20μs波形施加5～30 kV的耐受沖擊，選取串聯(lián)電感值分別為2μH、4μH、6μH、8μH、10μH，等效線路沖擊過程中的殘壓和通流數(shù)據(jù)通過TEK DPO3012數(shù)字示波器實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，采樣頻率為200 kHz[13]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 前后級(jí)SPD匹配時(shí)泄流分析

第一組試驗(yàn)，前后級(jí)SPD依次選用壓敏電壓相近的壓敏電阻，壓敏電壓依次為625 V和627 V，測(cè)試出的泄漏電流依次為1.2μA和2.1μA，極間依次串聯(lián)電感值為2μH、4μH、6μH、8μH、10μH，試驗(yàn)測(cè)試波形為8/20μs，在相同的沖擊電壓下得到極間串聯(lián)不同電感時(shí)泄流變化曲線圖(圖4)。由圖4可知在沖擊電壓5～30 kV區(qū)間內(nèi)，兩者匹配的總泄流區(qū)間為2.8～20.8 kA，前級(jí)SPD的泄流區(qū)間為1.98～17.12 kA，后級(jí)SPD的泄流區(qū)間為0.46～3.92 kA，很顯然在整體能級(jí)匹配中前級(jí)SPD承擔(dān)了絕大部分的泄流作用，后級(jí)SPD只泄放了小部分雷電流。根據(jù)前文行波理論公式(3)可知，隨著串聯(lián)電感值的增加，后級(jí)SPD泄流的雷電瞬態(tài)過電壓的上升速率在顯著減小，這是因?yàn)橥笋铍姼袑?duì)于線路雷電流有抑制作用，當(dāng)雷電流第一時(shí)間侵入線路時(shí)，首先經(jīng)過前級(jí)SPD，泄放了大部分雷電流，隨后在線路間退耦電感隔離抑制作用下，后級(jí)SPD泄放剩余小部分雷電流，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)SPD能級(jí)匹配，從而有效保護(hù)線路終端設(shè)備。

圖4 級(jí)間串聯(lián)不同電感值時(shí)泄流隨沖擊電壓變化的曲線

通常來說，當(dāng)采用兩個(gè)限壓型SPD配合時(shí)，前后兩級(jí)SPD的泄流箝壓是有分工的，前級(jí)主要功能是用于泄流。由表1可知：當(dāng)極間串聯(lián)電感值為3～6μF時(shí)，前級(jí)泄流占比隨著電感值的增加而增加，相應(yīng)的后級(jí)SPD泄流壓力在不斷減??；當(dāng)極間串聯(lián)電感值為6～10μF時(shí)，前級(jí)SPD泄流比重在不斷下降，相應(yīng)的后級(jí)SPD的泄流比重在增加，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象，所以得出相應(yīng)結(jié)論即在電感值合理區(qū)間內(nèi)，線路中串聯(lián)電感值越大，后級(jí)SPD電流分比越小，能級(jí)匹配效果越好。

表1 十脈沖下串聯(lián)不同電感值時(shí)前級(jí)SPD占總泄流比重

同理在第二組試驗(yàn)中，當(dāng)前后級(jí)SPD依次選用壓敏電壓相差較大的壓敏電阻時(shí)，壓敏電壓依次為610 V和520 V，測(cè)試出的泄漏電流依次為0.7μA和1.1μA，其中分流比沖擊測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 壓敏電壓不同情況下串聯(lián)不同電感值時(shí)分流比隨沖擊電壓變化的對(duì)比圖

在相同沖擊條件下，綜合第二組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)并聯(lián)的壓敏電阻其壓敏電壓差距較大時(shí)，分流比與壓敏電壓關(guān)系不大，殘壓與壓敏電壓有關(guān)，壓敏電壓越低，殘壓越低。在第二組試驗(yàn)中所用后級(jí)SPD壓敏電壓為510 V，故殘壓值也相對(duì)較低(圖6)。

圖6 壓敏電壓不同情況下串聯(lián)不同電感值時(shí)殘壓隨沖擊電壓變化的對(duì)比圖

同理，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較可得，相同沖擊電壓下，SPD間電感值越大，后級(jí)壓敏電阻的電流分比越小，殘壓越低，能量匹配效果越好。當(dāng)出現(xiàn)前級(jí)SPD通流明顯降低，后級(jí)SPD的通流顯著增加時(shí)，應(yīng)該考慮線路中出現(xiàn)磁飽和的可能性。

磁飽和現(xiàn)象是基于瞬變電流流過線路電感時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)電感中導(dǎo)磁體內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著沖擊電流的增加達(dá)到一定水平時(shí)，出現(xiàn)電流增加而磁場(chǎng)強(qiáng)度不再增加的滯漲現(xiàn)象[17]。在并聯(lián)電路中的關(guān)系可描述如下：

式中Ures1為壓敏電阻上的前級(jí)殘壓值，Ures2為后級(jí)殘壓值。當(dāng)沖擊回路產(chǎn)生磁飽和情況時(shí)，線路實(shí)際電感值會(huì)發(fā)生顯著減小，使得串聯(lián)電感上的壓降逐步減小，繼而導(dǎo)致后級(jí)SPD響應(yīng)動(dòng)作變得遲緩，最終在沒有出現(xiàn)磁飽和情況下，后級(jí)SPD發(fā)生提前動(dòng)作，使得后級(jí)SPD的通流增加，殘壓也相對(duì)升高的現(xiàn)象。針對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)的磁飽和現(xiàn)象應(yīng)作為選取退耦電感器件的重要參考。為了避免此種現(xiàn)象，在實(shí)際裝設(shè)SPD時(shí)級(jí)間選裝的退耦電感值在合理范圍內(nèi)應(yīng)較理論電感值稍大一些。

3.2.2 前后級(jí)SPD匹配時(shí)箝壓分析

殘壓作為SPD的核心參數(shù)，是表征浪涌保護(hù)器箝壓水平的重要指標(biāo)[18]。表2是限壓型SPD分別串聯(lián)2μH、4μH、6μH、8μH、10μH時(shí)前后級(jí)SPD殘壓值隨沖擊電壓的變化數(shù)據(jù)表。在沖擊電壓5～30 kV區(qū)間內(nèi)，前級(jí)SPD箝壓水平范圍為1.07～2.08 kA，后級(jí)SPD箝壓水平范圍為1.02～1.97 kV，后級(jí)SPD的殘壓值整體低于前級(jí)SPD殘壓，后級(jí)SPD主要起限制殘壓的作用，且殘壓值隨著電感值的不斷增大總體呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。殘壓值越高意味著器件鉗壓水平越低，尤其是當(dāng)級(jí)聯(lián)電感值由2μF變?yōu)?μF，且沖擊電壓在15～30 kV區(qū)間時(shí)，前后級(jí)SPD的箝壓水平有顯著的下降，隨著串聯(lián)電感值由8μF變?yōu)?0μF時(shí)，整體箝壓水平出現(xiàn)一定程度的回升。圖7和圖8分別是在20 kV沖擊電壓作用下，串聯(lián)電感值為2μF和6μF時(shí)的通流和殘壓波形圖。由圖可知，CH1是流過SPD的兩端電壓，CH2是流過SPD的電流，隨著串聯(lián)電感值的增加，限壓型SPD的泄流箝壓能力都有顯著提升。由此可見：在限壓型浪涌保護(hù)器級(jí)間串聯(lián)退耦電感的能級(jí)匹配中，串聯(lián)電感值應(yīng)該在一個(gè)合理的范圍，在客觀條件允許情況下可選取稍大于理論計(jì)算的電感值，這樣既能快速泄流又能有效箝壓。

表2 5～30 kV十脈沖下串聯(lián)不同電感值時(shí)前后級(jí)SPD殘壓值(kV)

圖7 級(jí)間串聯(lián)2μH電感連接的波形圖

圖8 級(jí)間串聯(lián)6μH電感連接的波形圖

4 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際限壓型浪涌保護(hù)器級(jí)間串聯(lián)退耦電感的能級(jí)匹配問題，通過十脈沖8/20μs沖擊測(cè)試得出不同壓敏電壓的氧化鋅壓敏電阻和不同電感值的通流、殘壓和分流比的匹配關(guān)系，得出以下結(jié)論。

(1)在沖擊電壓相同的情況下，氧化鋅壓敏電阻的壓敏電壓對(duì)前后級(jí)SPD分流比影響較小，但與殘壓有關(guān)，壓敏電壓愈低，殘壓值愈低。SPD級(jí)聯(lián)電感值越大，前級(jí)SPD泄流越多，后級(jí)SPD箝壓水平越高，能級(jí)匹配效果越好。因此，實(shí)際應(yīng)用中，在限壓型SPD耐受范圍內(nèi)可適當(dāng)增大退耦電感值。

(2)在限壓型SPD多級(jí)并聯(lián)應(yīng)用的實(shí)際情況中，由于受到場(chǎng)地限制等因素影響，導(dǎo)線長(zhǎng)度無法滿足安裝條件要求時(shí)，可加裝退耦電感來有效減緩雷電瞬態(tài)過電壓的上升速率，但不應(yīng)該忽視磁飽和現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)磁飽和時(shí)，前級(jí)SPD通流明顯降低，后級(jí)SPD的通流明顯增高，為了避免此種現(xiàn)象，在實(shí)際裝設(shè)SPD時(shí)級(jí)間選裝的退耦電感值應(yīng)較理論電感值稍大一些。