新能源汽車充電站浪涌侵入波防護分析

矯 真，王兆軍，李 驍，趙 曦，郭紅霞，李付存，劉麗君

(1.國網山東省電力公司武城縣供電公司，山東 德州 253300；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250000)

0 引 言

低碳環(huán)保是我國經濟未來發(fā)展的主旋律，新能源汽車具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]，數量與日俱增，新能源汽車充換電站數量分布也越來越廣。充換電站的普及也伴隨著日益嚴重的雷電災害威脅[3]。充換電站大多設在郊區(qū)、路邊較空曠的地方，遭受雷電直擊或線路過電壓沖擊概率較大，極易損壞充電站電源和信號采集設備，造成充電與收費系統(tǒng)故障甚至導致系統(tǒng)癱瘓。

當線路因雷擊產生浪涌過電壓后，過電壓沿線路向采集終端傳播過程中波形會產生多次折反射[4-6]，呈現較為明顯的振蕩，而非脈沖狀，利用電涌保護器進行設備防護時必須考慮這點差異。此外，由于配電柜和充電樁間存在一定距離，還需要詳細分析前后級電涌保護器間的能量配合與有效保護距離[7,8]，提供針對性的防護。

筆者根據新能源汽車充電站的結構原理，利用ATP-EMTP[9]軟件搭建充電站簡化模型，計算充電站不同部位過電壓幅值，分析充電樁安裝末端電涌保護器的防護效果，討論雷擊點距變壓器高壓側距離、配電柜與充電樁連接電纜長度、末端電涌保護器接地電阻對終端浪涌過電壓的影響，為充電站的雷電浪涌防護提供參考。

1 新能源汽車充電站的雷害途徑

雷電對新能源汽車充電站危害途徑主要有以下4種[10]：雷電直擊、雷電電磁感應耦合、雷電波侵入和地電位反擊。圖1給出了一個典型新能源汽車充電站雷電危害途徑示意圖[11]。

圖1 充電站雷電危害途徑Fig.1 Ways of lightning damage to the charging station

四種危害途徑當中，雷電波侵入造成的雷害事故所占比重很大，充電站作為建(構)筑物，一般其雷電直擊防護措施較為完善，但對雷電波侵入防護重視程度仍顯不足。低壓架空線路分布廣泛，直接雷擊或線路附近雷擊導致線路上產生雷電過電壓，過電壓沿線路侵入充電站，造成站內電氣設備絕緣擊穿、相間短路，嚴重時造成設備起火。

2 雷電浪涌侵入波仿真

2.1 雷電流模型

雷電流模型選用較為符合實際觀測的Heidler模型，其表達式為[12]：

(1)

式中，Im為雷電流幅值；τ1電流波形上升時間，τ2為衰減時間常數；n與雷電流陡度有關，IEC標準推薦取10。

本研究波形取2.6/50 μs。

2.2 充電站電源系統(tǒng)模型

直接充電設備是充電站的核心[13]。相關統(tǒng)計數據表明，超過80%的充電設備雷害事故是由雷電浪涌通過電源線引入。圖2給出了一個簡單的充電站電源系統(tǒng)結構模型，主要包括10 kV線路、10 kV箱變、220 V/380 V電纜、交流配電柜、交流充電樁。

圖2 充電電源系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure chart of power system in the charging station

10 kV線路導線采用Jmatri模型，型號為LGJ-50，導線高度9.8 m，線路檔距50 m。桿塔波阻抗取250 Ω，電感平均值取0.84 μH/m。380 V電纜采用Bergeron模型，標稱截面120 mm2，波阻抗82.37 Ω。

10 kV箱式變壓器容量為500 kVA，簡單的π型變壓器電路模型無法體現雷電沖擊過電壓作用下的高頻特性，因此采用Janiszewski等人提出的配電變壓器高頻模型，等效電路如圖3所示[14]。

圖3 變壓器高頻模型Fig.3 High-frequency model of the transformer

2.3 電涌保護器模型

箱變高壓側、箱變到交流配電柜處安裝避雷器和電涌保護器，其流經電流與電壓之間服從下式[15]關系：

i=kuα

(2)

式中，i為流經避雷器或電涌保護器的電流，u為避雷器或電涌保護器上電壓。系數k和α根據產品具體數據擬合得到。

仿真中，10 kV變壓器高壓側避雷器型號[15]為HY5WZ-17/45，直流參考電壓U1 mA為25 kV，交流配電柜進線處電涌保護器型號為XGMD-40，電壓保護水平Up≤1.8 kV。

3 仿真結果分析

3.1 波 形

圖4給出了距變壓器高壓側100 m線路遭受雷擊時，充電站配電柜與末端充電樁過電壓波形。雷電流幅值50 kA，波形取2.6/50 μs[16]，對應放電通道波阻抗700 Ω。

圖4 浪涌過電壓波形Fig.4 Waveform of lightning surge overvoltages

從圖4可以看出，配電柜前端安裝電涌保護器后，傳遞至配電柜和充電樁的浪涌過電壓得到了一定程度的抑制，但是由于系統(tǒng)內各處設備阻抗不匹配，過電壓波發(fā)生多次折反射，最終傳播到充電樁終端時，波形發(fā)生了較大改變，尾部震蕩較為明顯，且波頭較陡，這不利于電涌保護器的防護[17]。根據相關規(guī)范[18]，配電系統(tǒng)中III類設備的絕緣耐沖擊電壓不超過4 kV，I類設備的絕緣耐沖擊電壓不超過1.5 kV，可見浪涌過電壓對終端充電樁計量控制設備仍然存在威脅。

3.2 末端電涌保護器

圖5給出了充電樁安裝末端電涌保護器后，改變雷擊點距變壓器距離時，充電樁過電壓波形。充電樁末端電涌保護器型號為XGMD-10，電壓保護水平Up≤1.1 kV。

圖5 不同雷擊點距變壓器距離下充電樁過電壓Fig.5 Lightning overvoltages of the charging pile under different distance from lightning strike point to the transformer

由圖5可以看出，充電樁未安終端電涌保護器時，浪涌過電壓幅值為2.4 kV，安裝電涌保護器后過電壓降低至0.8 kV，保護效果明顯。

3.3 連接電纜

圖6給出了配電柜與充電樁不同連接電纜長度下末端過電壓幅值。

圖6 不同長度連接電纜下充電樁過電壓Fig.6 Lightning overvoltages of the charging pile under differentlength of the connecting cable

圖6表明，配電柜與充電樁之間的連接電纜長度對充電終端過電壓幅值影響較大。受充電終端設備與電纜阻抗之間的諧振影響，導致配電柜處電涌保護器保護距離有限，過電壓隨著電纜長度的增加而增大[19]。此外，雷電流波頭時間對終端過電壓也存在一定影響，波頭時間越短，過電壓幅值越高?？紤]到電子設備內部芯片等器件過電壓耐受能力較弱，IEC規(guī)范將電子設備絕緣耐沖擊電壓降低至1 kV，因此建議對應的連接電纜長度應不超過20 m。

3.4 接地電阻

圖7給出了不同末端電涌保護器接地電阻情況下充電樁末端過電壓幅值。

圖7 不同接地電阻下充電樁過電壓Fig.7 Lightning overvoltages of the charging pile under different ground resistances

圖7可以看出，接地電阻對終端過電壓影響非常明顯。接地電阻從10 Ω增加至200 Ω時，終端過電壓增大了74.7%?？梢?，接地電阻阻值越大，終端過電壓幅值越高，電涌保護器防護效果也越差。需要盡可能降低電涌保護器接地電阻，可以充分利用建筑基礎形成共用接地。

4 結 論

通過EMTP軟件建立新能源汽車充電站電路模型，對充電站浪涌侵入波防護進行分析，得到結論如下。

1)10 kV線路遭受雷擊后，傳遞至配電柜和充電樁的雷電過電壓波形呈現較為明顯的尾部振蕩，過電壓幅值仍然較高。

2)在充電樁末端安裝電涌保護器后能夠進一步抑制浪涌過電壓，雷擊點距變壓器高壓側距離越遠，充電樁末端過電壓幅值越高。

3)配電柜與充電樁連接電纜長度影響充電樁末端過電壓，電纜長度越長，過電壓幅值越高。

4)接地電阻對充電樁末端電涌保護器的防護效果影響很大，阻值越大，充電末端過電壓幅值越高。