基于Simulink的雷電沖擊高壓試驗(yàn)激勵(lì)建模仿真分析

閆紅強(qiáng)，王關(guān)平，孫 偉，楊婉霞，楊 森，雒 琦，任 輝

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.靈臺(tái)縣道路運(yùn)輸管理局，甘肅 靈臺(tái) 744400)

目前，氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)等高壓電力設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛[1-3]，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、維護(hù)量小、配置靈活、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，為避免GIS等高壓電力設(shè)備出現(xiàn)內(nèi)部絕緣缺陷造成擊穿事故，設(shè)備在交付前都要進(jìn)行耐壓與絕緣試驗(yàn)，雷電沖擊高壓試驗(yàn)是設(shè)備交接試驗(yàn)項(xiàng)目之一[6-8]，對(duì)于高電壓實(shí)驗(yàn)而言，涉及到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備電壓等級(jí)較高，難度較大，操作復(fù)雜，具有一定危險(xiǎn)性，需要專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)督導(dǎo)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室的成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，使得高電壓相關(guān)實(shí)驗(yàn)開設(shè)難度極大，基于此，運(yùn)用軟件和虛擬仿真平臺(tái)搭建模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和相關(guān)實(shí)驗(yàn)不失為一條有效途徑。在整個(gè)雷電沖擊高壓試驗(yàn)過(guò)程中，激勵(lì)建模仿真是雷電沖擊高壓試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文基于Simulink構(gòu)建雷電沖擊高壓試驗(yàn)激勵(lì)仿真模型，設(shè)置主要模塊相關(guān)參數(shù)，計(jì)算沖擊電壓峰值、波前時(shí)間及半峰值時(shí)間，進(jìn)而生成一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形，該方法為后續(xù)特超高壓系統(tǒng)開展相關(guān)試驗(yàn)提供技術(shù)支持。

1 雷電沖擊電壓波形

在電力系統(tǒng)中的高壓電氣設(shè)備，除了要長(zhǎng)期承受工作電壓外，在運(yùn)行過(guò)程中，還可能會(huì)承受短時(shí)的雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的作用[9]。雷電沖擊試驗(yàn)就是用來(lái)檢驗(yàn)高壓電氣設(shè)備在雷電過(guò)電壓作用下的絕緣性能和保護(hù)性能[10-12]。雷電沖擊電壓，一般指持續(xù)時(shí)間很短，只有約幾個(gè)微秒到幾十個(gè)微秒的非周期性變化電壓，由這種因素而引起的過(guò)電壓又稱為雷電沖擊過(guò)電壓[13-14]。標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形見圖1所示。沖擊電壓的波形主要由沖擊電壓峰值(Um)、波前時(shí)間T1及半峰值時(shí)間T2刻畫；GB/T16927.1-2011和IEC60060-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雷電沖擊電壓的規(guī)定為T1=1.2μs±30、T2=50μs±20%。IEC一般寫作1.2/50μs，個(gè)別國(guó)家認(rèn)為是1.4/40μs，我國(guó)關(guān)于雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形與IEC相同，雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形有正有負(fù)[15-16]。

圖1 雷電標(biāo)準(zhǔn)電壓波形

2 沖擊電壓發(fā)生裝置方案

沖擊電壓發(fā)生裝置通常是利用高壓電容器通過(guò)球隙對(duì)阻容回路放電而產(chǎn)生的，常見的沖擊電壓產(chǎn)生方案如圖2所示，其中，電容C1上的電壓是事先由高壓直流電源充電形成的，球隙G擊穿后，將在圖2(a)和圖2(b)電路中的電容C2上先后產(chǎn)生波前過(guò)程和波尾過(guò)程，形成一個(gè)完整的沖擊電壓波形輸出。

(a)方案a

(b)方案b圖2 沖擊電壓發(fā)生器的基本方案

圖2中，(a)和(b)兩個(gè)方案中都有R2>>R1，C1>>C2；輸出沖擊電壓峰值Um與電容C1的初始電壓U0之比，稱為沖擊電壓發(fā)生器的利用系數(shù)η，對(duì)于這兩個(gè)方案來(lái)講，η如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

因此，如果圖2中(a)和(b)兩個(gè)方案的參數(shù)完全相同，則顯然(b)方案的利用系數(shù)更高。因此，在仿真過(guò)程中選擇(b)方案構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型。

(a)波前等值電路模型

(b)波尾等值電路模型圖3 圖2(b)方案電路的簡(jiǎn)化等值電路

圖3所示為圖2(b)方案電路的簡(jiǎn)化等值電路，其中，圖3(a)為波前等值電路模型，而圖3(b)為波尾等值電路模型。由于波前時(shí)間極短且R2比R1大得多，C1也比C2大得多，故這一極短的時(shí)間內(nèi)，R2對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略，C2上的電壓式(3)所示。

(3)

設(shè)t=t1時(shí)，u(t1)=0.3Um；t=t2時(shí)，u(t1)=0.9Um，T1則如式(4)所示。

T1=1.67(t2-t1)=1.67τ1ln7

(4)

波尾等值電路中C2兩端電壓如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

根據(jù)雷電壓半峰值時(shí)間T2的定義，如式(7)所示。

T2=τ2ln2=0.7τ2=0.7R2(C1+C2)

(7)

這些公式是在略去了很多影響因素(其中最主要的是回路的電感)后得出的。根據(jù)較詳細(xì)的分析計(jì)算和實(shí)際裝置上測(cè)量校驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，推薦使用的T1、T2修正公式如式(8)、式(9)，當(dāng)回路的電感較大時(shí)，公式中的系數(shù)取較小的值。

(8)

T2=(0.7～0.8)R2(C1+C2)

(9)

式(8)、式(9)可以用來(lái)計(jì)算沖擊電壓發(fā)生器的參數(shù)和調(diào)整沖擊電壓發(fā)生器的輸出電壓波形。

3 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

3.1 標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形生成電路仿真模型構(gòu)建

設(shè)某一直流高壓電源能夠提供的直流電壓為50kV，設(shè)計(jì)一個(gè)雷電沖擊高壓試驗(yàn)激勵(lì)發(fā)生裝置，其輸出的沖擊電壓峰值Um=48kV，波前時(shí)間T1=(1.5±30%)μs，半峰值時(shí)間T2=(50±20%)μs。按照?qǐng)D2所述方案(b)，基于Simulink的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形生成電路仿真模型如圖4所示，其中，電容C1、C2和電阻R1、R2的位置保持不變，放電球隙G由理想開關(guān)Ideal Switch代替，電容C1充電至50kV，當(dāng)Step模塊的輸出發(fā)生0→1的跳變時(shí)，模擬球隙G被擊穿(或者稱為點(diǎn)火)，然后，電路將先后經(jīng)歷波前與波尾放電兩個(gè)過(guò)程，從而生成一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形生成電路仿真模型(m10_2_4.mdl)

3.2 主要模塊的參數(shù)設(shè)置

依據(jù)題設(shè)要求和式(8)、(9)的參數(shù)約束關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)選擇C1=10μF，C2=1μF，R1=0.7Ω，R2=7Ω，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見圖5所有子圖所示，由此可以求得T1、T2如下式所示。

T2=(0.7～0.8)R2(C1+C2)=53.9～61.6μs

這些參數(shù)的設(shè)計(jì)值完全符合T1=1.2μs±30%，T2=50μs±20%的范圍要求。

圖5 圖4中有關(guān)參數(shù)設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

基于圖4所示系統(tǒng)仿真模型輸出的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形見圖6所示，由圖可知，仿真實(shí)驗(yàn)輸出測(cè)得T1=1.41μs，T2=56.48μs；而沖擊電壓的頂值Um=44kV，因此，沖擊電壓發(fā)生器的利用系數(shù)η=44/50=88%，而利用系數(shù)η的理論計(jì)算值為η≈90.9%。因此，可以看出，理論計(jì)算值顯然更為樂觀，并沒有考慮更多因素的影響，但理論值與仿真輸出值的差距還是較小的，完全在工程上可以接受的范圍內(nèi)。

圖6 輸出的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形

5 結(jié)論

GIS等大容量電力設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)對(duì)保障GIS安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有重大作用，對(duì)降低GIS絕緣擊穿事故、保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行具有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)基于圖2(b)所述方案構(gòu)建了圖4所示的系統(tǒng)仿真模型，該模型采用理想開關(guān)Ideal Switch代替放電球隙，Ideal Switch合閘后，標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形生成電路先后經(jīng)歷了波前及波尾兩個(gè)放電階段，形成了一個(gè)基本完整的放電周期，該電路輸出的沖擊電壓波形各項(xiàng)指標(biāo)雖與理想指標(biāo)有一定差距，但完全符合高電壓技術(shù)工程需求。通過(guò)以上建模仿真分析，我們發(fā)現(xiàn)基于MATLAB/Simulink建立與實(shí)際系統(tǒng)相似的仿真模型非常簡(jiǎn)潔、方便，該方法為后續(xù)特超高壓系統(tǒng)開展相關(guān)試驗(yàn)提供了理論支持。