高電壓技術(shù)論文模板

1、利用避雷器電阻閥片特性分析過電壓姜聿涵謝維成李建明2,戴玉松李國毅1(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都610000 ； 2四川省電力科學(xué)研究院，成都610000)摘要：隨著500kV架空線路遭受雷擊事故的不斷增加，對線路上過電壓在線監(jiān)測已成為國內(nèi)外研究的重要課題。分析避雷器非線性電阻閥片(metal oxide varistor, MOV)在不同沖擊電流下的特性，通過對 500kV線路避雷器在小電流作用下的非線性電阻特性進(jìn)行曲線擬合，推導(dǎo)金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester, MOA)末端電壓與過電壓的關(guān)系，利用ATP-EMTP軟件對陡沖擊電流作用下的避雷器及等效模型進(jìn)行仿

2、真，驗證了等效模型的可行性。通過上述方式分析了非線性電阻閥片的不同特性對過電壓的推導(dǎo)作用，從而為過電壓的監(jiān)測 提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：避雷器；電阻閥片；過電壓；沖擊電流；ATP ;曲線擬合中圖分類號:TM862文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號:1001-1390( 2015)00-0000-00Analysis of the over-voltage based on the character of metal oxide arrestervaristor value1 1 2 11Jia ng Yuha n , Xie Weiche ng , Li Jia nming , Dai Yusong , Li

3、Guoyi(1.Electric Power In formation College, Xihua Un iversity, Che ngdu 610000, Chi na. 2.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610000, China )Abstract: With the in creased accide nts of 500kV over-li ne being attacked by the lighti ng, the on-li ne mon itori ng of over-volt

4、age lines has become an importa nt research topic at home and abroad. To an alyze the character un der different impact curre nt of non-I in ear metal oxide varistor value(MOV), and to do the curve fitt ing of the 500kV metal oxide surge arrestor non-liner characteristic in a small current role, and

5、 derive the relationship between the terminal voltage of MOV and over-voltage on li ne. Utilize ATP-EMTP software to simulate equivale nt model of metal oxide MOV un der surge impact curre nt, we verify the feasibility of the equivale nt model. By the methods above, differe nt characteristics of MOA

6、 effecti ng on the derivatio n of the over-voltage be an alyzed and thus providi ng the basis formetal oxide surge arrestor, varistor value, over-voltage, surge curre nt, ATP, curve fitt ingmon itori ng overvoltage.Keywords :0引言對于電力系統(tǒng)過電壓的監(jiān)測，國內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù) 有通過高壓分壓器，阻容分壓器等外加設(shè)備來獲 取過電壓信號2，通過變壓器高壓套管末屏串聯(lián)小 電容的方式測

7、電壓，但這種方法在高壓系統(tǒng)中安全 性較差。金屬氧化物電阻閥片 (metal oxide varistor, MOV )在 避雷器中起著重要作用， 它決定了避雷器(metal oxide arrester, MOA)的特性。 目前，國內(nèi)外學(xué)者對金屬氧*基金項目：四川省重點(diǎn)學(xué)科基金資助項目(NO.SZD0503-09)；四川省 教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(No. 10ZA098)化物電阻閥片在不同沖擊電流下的特性研究較多， 并總結(jié)出金屬氧化物避雷器在波頭較緩的電流波作 用下，非線性特性明顯。但在陡沖擊波作用下，避 雷器動態(tài)特性表現(xiàn)不同，尤其在沖擊波頭較陡的情 況下，陡度越大，殘壓越高3。本文通過對

8、線路避雷器電阻閥片的特性進(jìn)行分 析，闡述了在不同特征的電流作用下，電阻閥片呈 現(xiàn)的非線性特性并不是唯一的，通過避雷器電阻閥 片的不同特性測得的過電壓參數(shù)及波形反推到輸電 線路端，從而獲得線路側(cè)過電壓信號。提出了一種 利用相關(guān)軟件擬合避雷器在不同場強(qiáng)作用下的特性及與線路側(cè)過電壓的推導(dǎo)關(guān)系，并利用反函數(shù)分析 了線路側(cè)過電壓的波形與參數(shù)，從而為過電壓監(jiān)測 提供一定的方法探究。1 氧化鋅避雷器的特性概述金屬氧化物避雷器具有優(yōu)異的電氣特性，這是 由于金屬氧化物電阻閥片在避雷器中起著重要作 用，研究表明，金屬氧化物電阻閥片在波頭較緩的 電流波作用下能夠呈現(xiàn)良好的非線性特性，但在陡 度很大的沖擊電流波的作用

9、下，電阻閥片不再呈現(xiàn) 非線性特性，而是與暫態(tài)波的頻率分量密切相關(guān)， 這就要求對避雷器進(jìn)行多個方面的分析。1.1 MOA在小電流作用下的特性在小電流區(qū)域內(nèi)，避雷器呈現(xiàn)出明顯的非線性 特性，周龍等在文獻(xiàn)4中提到了簡單的等值電路, 如圖1所示，R為非線性電阻，C為固態(tài)電容。R圖1 MOA的RC等值電路Fig.1 RC equivale nt circuit of the MOA但此電路并未充分考慮到電阻閥片在小電流區(qū) 域的極化現(xiàn)象，其產(chǎn)生的極化電流與作用電壓中的 交變分量呈正比趨勢。為了能夠具體描述閥片在小 電流中的極化電流的特性，Tominage. S在文獻(xiàn)5中提出帶有極化電阻 Rk與極化電容Ck

10、的等效電路， 其中包括C電容支路，Rk-Ck極化支路，R非線性 電阻支路。具體電路如圖2所示。RR1 C1 R2 .C2CFig.2 Consider the current polarization of theMOA equivale nt circuit以上兩種電路能在小電流區(qū)域起到良好的等效 作用，伏安特性鮮明，能夠明了直觀地分析避雷器 在小電流作用下的特點(diǎn)。但對于沖擊波頭較短的大 電流區(qū)域，MOA的伏安特性并不固定，它隨作用 電流的波形不同會產(chǎn)生不同的響應(yīng)。1.2 MOA在沖擊電流下的特性在大沖擊電流作用下，避雷器電阻閥片具有動 態(tài)的伏安特性，電壓具有先上升后下降的趨勢。在 雷電流范

11、圍內(nèi)，閥片晶界層中PN結(jié)構(gòu)存在時延，電壓峰值要先于電流峰值出現(xiàn)6。當(dāng)電流波的波前時間小于8ys時，金屬氧化物電阻閥片的殘壓會迅 速升高并且有過沖現(xiàn)象，即沖擊電流引起的電壓在 達(dá)到其沖擊殘壓前會出現(xiàn)一個尖脈沖。而當(dāng)電流的 波前時間為小于180ns的情況下，閥片殘壓過沖上 升的很快，前沿約小于30 ns。因此避雷器的動態(tài)伏安特性在研究線路過電壓的過程中起著關(guān)鍵作 用。IEEE工作組提出了在陡波沖擊電流下的等效 電路8，其中考慮了殘壓前出現(xiàn)的由回路中的雜散 電感和閥片中的固有電感共同引起的閥片過沖現(xiàn) 象。但是該模型比較復(fù)雜，參數(shù)設(shè)置也相對繁瑣。PINCETI模型9在這基礎(chǔ)做了進(jìn)一步改進(jìn)，在 波頭時間

12、小于45宙的情況下，等效波形與實驗波形 誤差不大，能更好地模擬沖擊大電流的陡波特性， 通過此模型可以更好的推導(dǎo)線路端過電壓波形。具 體如圖3所示。L0L1A1A2圖3 PINCETI簡化模型Fig.3 Simplified model of PINCETI2 MOA特性對線路過電壓的分析2.1 MOA在低壓場區(qū)分析線路過電壓圖2考慮電流極化現(xiàn)象的 MOA等效電路由于不同的避雷器伏安特性不同，所以本試驗中采用等級為500 kV的避雷器為例進(jìn)行研究分析， 首先在避雷器特性參數(shù)的基礎(chǔ)上繪制出伏安曲線 圖，明確避雷器特性。進(jìn)而利用origin 8.0軟件對曲 線進(jìn)行分段非線性擬合，進(jìn)一步研究避雷器特性

13、與 過電壓之間的關(guān)系。伏安特性分析研究對象選取深圳某廠家生產(chǎn)的型號為YH20WX-444/1106，等級為500 kV的避雷器，其中廠家給出的避雷器參數(shù)如下:表1500 kV避雷器電阻閥片參數(shù)Tab.1 Parameters of 500 kV MOA型號系統(tǒng)額定電壓/kV避雷器額直流參考電壓/ kV定電壓/kV持續(xù)運(yùn)行壓/ kVYH20WX-444/11065004432497陡波沖擊殘雷電沖擊殘操作沖擊方波沖擊耐大電流壓/kV壓/kV殘壓/kV受電流/A擊/kA123811069071500300其中避雷器的伏安特性參數(shù)如表2所示。表2500 kV避雷器電阻閥片 U-I特性參數(shù)Tab .2

14、 U-I character parameters of 500Kv MOA1/kA123581020U/kV 817845866896920945984對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪圖， 用來表示500kV避 雷器的伏安特性。此曲線是避雷器電阻閥片在低電 場時呈現(xiàn)的非線性特性曲線圖。具體曲線如圖 4所 示。圖4 500kV避雷器伏安特性曲線Fig.4 U-I character curve of 500 kV MOA對MOA進(jìn)行函數(shù)擬合通過圖4可以看出，避雷器在低電場區(qū)具有穩(wěn) 定的伏安特性，此伏安特性可以通過數(shù)據(jù)擬合，得 出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。關(guān)于擬合方面的研究，錢鑫等在文獻(xiàn)10中具體介紹了分段線性法，此

15、方法計算速度快，數(shù)值穩(wěn)定， 但容易造成擬合點(diǎn)不精確，導(dǎo)致函數(shù)擬合誤差較大。 此外還有多指數(shù)擬合11法，此方法不限制MOA的主要工作區(qū)域，但其使用牛頓迭代可能導(dǎo)致結(jié)果不 收斂，且迭代速度慢。線性和非線性擬合克服了多 指數(shù)算法數(shù)值振蕩的問題，但增加了工作量。利用origin8.0軟件對曲線進(jìn)行分析并進(jìn)行數(shù)值 擬合，其中結(jié)合了分段線性和多指數(shù)的方法，采用 了多段非線性函數(shù)對曲線進(jìn)行分段擬合，得出如下 公式：0 057 丄、* U = 874.91 I(0.01 5 )j9U =1067.71 _218.17e .88 (5I 20 )U =944 +2.61 0.0312(20 cl 40)式中I和

16、U分別為流經(jīng)避雷器電阻閥片的電流和電 壓，單位為kA及kV。具體的擬合函數(shù)曲線可見圖5,圖中原 MOA伏安特性曲線由黑色點(diǎn)狀圖形表示，擬合曲線由紅 色虛線表示。由圖可知，曲線經(jīng)過多段非線性函數(shù) 分段擬合，效果更接近原函數(shù)，且誤差較小，擬合 過程中所有參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差值均小于0.005,并且在相鄰兩分段點(diǎn)處采用插值運(yùn)算使兩段的電壓值連接 緊密，避免出現(xiàn)斷點(diǎn)情況，從而使得擬合效果達(dá)到 要求。當(dāng)流經(jīng)避雷器的電流小于5kA時，閥片電壓 U與電流I呈指數(shù)關(guān)系；當(dāng)流經(jīng)避雷器的電流小于 20kA 時，閥片電壓 U與電流I呈復(fù)合指數(shù)關(guān)系；而當(dāng)流 經(jīng)避雷器的電流小于 40kA且大于20kA時，閥片電 壓U與電流I

17、呈二次函數(shù)關(guān)系。閥片會在不同的電 流作用下呈現(xiàn)不同的響應(yīng)特性，是閥片本身晶體特 性決定的，體現(xiàn)了更優(yōu)異的非線性特性。以上是結(jié) 合500 kV避雷器內(nèi)部電阻閥片特性分析的結(jié)果?，F(xiàn)已得出MOA的伏安特性具體函數(shù)，為了能更 好的推導(dǎo)線路端電壓波形的特征，可利用該函數(shù)進(jìn) 行推導(dǎo)運(yùn)算，從而得出流經(jīng)避雷器的電流特征值。在一定范圍內(nèi)對線路過電壓進(jìn)行有效的分析與推 導(dǎo)。示為避雷器末端獲取的電壓波形圖，圖8所示是PINCETI模型下的末端沖擊電壓波形曲線圖。1000950,900.850800.201/kA3040圖5擬合函數(shù)曲線與伏安曲線對比Fig.5 Comparison between fitting c

18、urve and U-Icurve圖6線路沖擊電壓波形IgU =0.057lg I ，1 I 5lg(1067 U )=， 5：l：2020.881005-U0.032=(l -45)2,2 0：l ： 4 0Fig.6 Surge voltage curve of tran smissi on line圖7避雷器末端電壓波形曲線以上公式為氧化鋅電阻片伏安曲線擬合函數(shù)的 反函數(shù)，其中電流I的單位為kA，電壓U的單位為 kV。通過反推公式可以在已知避雷器末端電壓的情 況下求出流經(jīng)避雷器的電流，在1 I : 5kA范圍內(nèi)，線路端電流的對數(shù)與避雷器末端電壓的對數(shù)呈線性 關(guān)系；在5 ： I ：20kA

19、范圍內(nèi)，線路電流與避雷器 末端電壓的對數(shù)呈一定的比例；而在 20 ： I ： 40kA范圍內(nèi)，線路端電流的平方與避雷器 端電壓呈系數(shù)關(guān)系。通過反推公式對避雷器末端電 壓進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與計算得出線路電流的波形與特征 參數(shù)，從而獲取線路過電壓的幅值。2.2 MOA在高電場區(qū)分析過電壓經(jīng)過對MOA在沖擊電流波下的特性分析可以 得出，此時的 MOA動態(tài)伏安特性不唯一，且變得 尤為復(fù)雜。但PINCETI模型充分考慮了避雷器在高 電場區(qū)的特性，能較好的對避雷器進(jìn)行等效。利用ATP-EMTP軟件分別對沖擊電流作用下 的PINCETI模型與避雷器進(jìn)行仿真，分析比較兩種 仿真電壓波形的特征，了解避雷器在沖擊波下的

20、殘 壓特性。其中，圖6所示是雷電沖擊電流對應(yīng)電壓 的仿真波形，將沖擊電流峰值設(shè)置為200kA，對應(yīng)沖擊雷電壓峰值為 18.8MV,時間小于10 ys圖7所Fig.7 Terminal voltage curve of MOV圖8 PINCETI等效模型末端電壓波形曲線Fig.8 Terminal voltage curve of PINCETI equivale ntmode由這三個圖形可以推斷出，PINCETI模型對避雷器等效結(jié)論是成立的。圖6中顯示線路過電壓為3 y s 18.8 MV時，在圖7中的避雷器末端測到的 殘壓約為3 ys 42.5kV，圖8中PINCETI等效模型 末端測出的殘

21、壓為 3ys 50kV，與避雷器末端殘壓 數(shù)值相近，在半波時間與峰值的參數(shù)的等效上與避 雷器模型保持一致，對于雷電過電壓的波形也能夠 較好的響應(yīng)。所以，PINCETI模型能更好地體現(xiàn)避雷器在沖擊電流作用下的暫態(tài)特性。PINCETI模型的等效更有利于研究避雷器的在 沖擊大電流下的瞬變特性，以此為基礎(chǔ)，可以對線 路端過電壓進(jìn)行回歸運(yùn)算。根據(jù)文中所提到的等效 電路，建立相應(yīng)的等值阻抗數(shù)值模型，并經(jīng)過特定 的運(yùn)算獲得線路端過電壓信號。3 試驗數(shù)據(jù)分析利用型號為 YH20WX-444/1106，等級為500 kV 的線路避雷器作為研究對象，通過沖擊電流發(fā)生器 向該避雷器分別施加 1/10 yS口 8/2

22、0 s電流波形下 的幅值為5 kA , 10 kA , 20 kA的沖擊電流波。 將測 得的數(shù)據(jù)利用origin 8.0軟件做出電壓分布圖，得出 的結(jié)果如圖9所示。通過圖9顯然可以看出，隨著電流沖擊波變陡， 閥片的殘壓也會隨之增高，非線性特性也就越差， 在波前時間相同的情況下，電流幅值越高，殘壓也 就越高12。圖9不同電流波形下的電壓分布圖Fig.9 Distribution diagram of voltage under different curre nt curves同時，在波前時間小于10 ys的沖擊電流波作用 下，電阻閥片的殘壓特性雖然具有多樣性，但總體 趨勢仍沿一定的關(guān)系曲面變化

23、，電阻閥片的殘壓不 僅與波前時間T有關(guān)，而且與沖擊電流峰值 Y有關(guān)。 根據(jù)這一特性，通過曲面擬合可以得出以波前時間T、沖擊電流Y為自變量，殘壓 U為因變量的函數(shù)關(guān)系。具體公式如下:U =U0 AI BI2 C exp通過擬合可以得出式中參數(shù)的具體數(shù)值為:U0=8.05, A=0.19, B=0.379, C=1, D=15.35, E=6.49。利用曲面函數(shù)關(guān)系，可以通過線路端沖擊波的 波前時間T或電流峰值Y產(chǎn)生相對應(yīng)的殘壓值 U。同樣根據(jù)曲面的函數(shù)定義，在已知?dú)垑篣的情 況下，能通過逆運(yùn)算，對應(yīng)找出波前時間為 T,峰 值為Y的沖擊電流波形。4 結(jié)束語通過對避雷器不同特性的分析，并做了相關(guān)的

24、仿真與擬合，得到了避雷器電阻閥片在低電場區(qū)域 具有穩(wěn)定的非線性伏安特性，利用多段非線性函數(shù) 擬合出伏安曲線，并通過電阻閥片的伏安曲線反向 推導(dǎo)，得出線路側(cè)電壓的波形。同時，在沖擊電流 作用下利用PINCETI模型等效變換，可以得到良好 的沖擊響應(yīng)，可以通過此等效電路經(jīng)過特定的阻抗 變換，將末端電壓反推到線路側(cè)，從而對過電壓進(jìn) 行監(jiān)測。利用試驗結(jié)果分析并對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合， 可以得到與波前時間T及沖擊電流峰值 Y有關(guān)的擬合函數(shù)，將函數(shù)進(jìn)行逆運(yùn)算，可以在已知避雷器末 端電壓的情況下得到線路側(cè)過電壓，為過電壓監(jiān)測 提供了計算及理論性依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 Griscom S. B., Lloyd B. L

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