雷電波發(fā)生器的MATLAB仿真及參數(shù)選取sc

1、雷電波沖擊電流發(fā)生器的MATLAB/Simulink仿真及參數(shù)選取摘要：本文介紹了雷電波沖擊電流發(fā)生器的工作原理，對(duì)沖擊電流發(fā)生器的放電回路進(jìn)行了理論分析。介紹了一種在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下，通過(guò)模擬沖擊電流發(fā)生器放電回路來(lái)進(jìn)行電阻和電感等參數(shù)選取及沖擊電流波形調(diào)試的方法，為實(shí)際檢測(cè)中雷電波沖擊電流發(fā)生器的波形調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)及軟件參考。關(guān)鍵詞：沖擊電流發(fā)生器，MATLAB，Simulink，仿真1. 引言在通信上為了考核電涌保護(hù)器和通信設(shè)備抗感應(yīng)雷能力的測(cè)試，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室需要具備模擬雷電流的設(shè)備雷電波沖擊電流發(fā)生器，根據(jù)GB18802.1-20021低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器以

2、及通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1235.2-20022通信局（站）低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器測(cè)試方法的規(guī)定，8/20ms標(biāo)準(zhǔn)雷電流是測(cè)試電涌保護(hù)器動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)以及殘壓測(cè)試的規(guī)定波形。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)8/20ms波形圖及其參數(shù)規(guī)定如圖1所示：圖1 沖擊電流波形視在原點(diǎn)（O1）：通過(guò)沖擊電流峰值的10%和90%所畫(huà)直線與時(shí)間坐標(biāo)軸的相交點(diǎn)；視在波頭時(shí)間（Tf）：其值等于沖擊電流峰值的10%增加到90%（見(jiàn)圖1）所需時(shí)間T的1.25倍；視在波尾（或半峰值）時(shí)間（Tt）：沖擊電流視在原點(diǎn)O1與電流下降到峰值一半的時(shí)間間隔。容許偏差：峰值 ±10波前時(shí)間Tf ±10半峰值時(shí)間Tt±10在沖擊峰值附近

3、，允許小的過(guò)沖或振蕩，但是單個(gè)幅值不應(yīng)超過(guò)其峰值的5。當(dāng)電流下降到零后，反極性的振蕩幅值不應(yīng)超過(guò)峰值的20。2. 沖擊電流發(fā)生器的工作原理3沖擊電流發(fā)生器的基本原理是：數(shù)臺(tái)或數(shù)組大容量的電容器經(jīng)由高壓直流裝置，以整流電壓或恒流方式進(jìn)行并聯(lián)充電，然后通過(guò)間隙放電使試品上流過(guò)沖擊大電流。以信息產(chǎn)業(yè)防雷質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心防雷實(shí)驗(yàn)室的沖擊電流發(fā)生器為例，如圖2所示，它包括充電回路和放電回路兩部分。圖2 沖擊電流發(fā)生器工作原理框圖圖2中C為并聯(lián)電容器的電容總值，L及R為包括電容器、回路連線、分流器、球隙以及試品上火花在內(nèi)的電感及電阻值，包括為了調(diào)波而增加的電感和電阻值，G為點(diǎn)火球間隙，D為高壓硅堆，r為保

4、護(hù)電阻，T為變充電試驗(yàn)變壓器，EUT為試品，S為分流器。工作時(shí)先由整流裝置向電容器組充電至所需電壓，送一觸發(fā)脈沖到火球間隙G，間隙擊穿放電，于是電容器C經(jīng)L、R及試品放電。根據(jù)充電電壓的高低以及電阻、電感等回路參數(shù)的大小，產(chǎn)生不同大小的脈沖電流。3. 放電回路的原理分析由圖2可以看出，沖擊電流發(fā)生器實(shí)際上是個(gè)RLC放電回路，沖擊電流發(fā)生器靠改變回路參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)波形，靠升降電容器上的充電電壓來(lái)調(diào)節(jié)電流。根據(jù)電路原理，按照放電回路阻尼條件的不同，放電可以分為三種情況4。1）過(guò)阻尼情況，即R2，亦即放電回路產(chǎn)生的沖擊電流波形是非振蕩波。令，在這種情況下RLC二階放電回路的特征根為 ， （1）電流為 （

5、2）在電流到達(dá)最大值之前，電流不斷增加，設(shè)到最大值的時(shí)刻為，則 （3）在式（1）中的t值代之以，就可以求出電流的最大值im。2）欠阻尼情況，即R2，放電回路產(chǎn)生的沖擊電流波形是衰減振蕩波，此種情況下RLC二階放電回路的特征根為一對(duì)共軛復(fù)數(shù)根 ， （4）式中，電流為 （5）令，則電流第一次到達(dá)最大值的時(shí)間為 （6）電流最大值為 （7）3）臨界阻尼情況，即R=2，放電回路產(chǎn)生的沖擊電流波形是臨界阻尼振蕩，這種情況下回路中的電流為 （8）電流到達(dá)最大值的時(shí)間為 （9） 電流的最大值im為 （10） 雷電波沖擊電流發(fā)生器的放電回路所要求產(chǎn)生的波形為8/20ms單次非振蕩波，即在發(fā)生器的回路設(shè)計(jì)中僅考慮

6、R2的情況。但是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定（反極性的振蕩幅值不應(yīng)超過(guò)峰值的20），以及實(shí)際設(shè)計(jì)中往往從獲得最大沖擊電流波形幅值的角度出發(fā)，在沖擊電流波形滿足波頭Tf=8ms、波尾Tt=20ms的要求時(shí)，盡量考慮使沖擊電流波形的反極性振蕩幅值不超過(guò)峰值的20，由上我們可以看到，在求解放電電路回路元件參數(shù)時(shí)存在兩類問(wèn)題。第一類問(wèn)題是：從給定的電流波形求回路的參數(shù)值；第二類問(wèn)題是：根據(jù)已知的R、L、C和充電電壓確定求解產(chǎn)生的電流幅值及波形。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)8/20ms沖擊電流的波前時(shí)間Tf和峰值時(shí)間Tt的定義比較復(fù)雜，在理論上難以直接確定它們與回路參數(shù)之間的關(guān)系。用傳統(tǒng)的圖解法求解上述兩類問(wèn)題時(shí)，波形的選擇不夠直觀，在

7、實(shí)驗(yàn)室雷電波沖擊電流發(fā)生器的調(diào)試中會(huì)出現(xiàn)多次、反復(fù)調(diào)試的問(wèn)題。為此提出應(yīng)用MATLAB/Simulink來(lái)對(duì)沖擊電流發(fā)生器放電回路進(jìn)行仿真，探討沖擊電流發(fā)生器放電回路參數(shù)的選取方法。4. 沖擊電流發(fā)生器的Simulink仿真及回路參數(shù)選取如圖3所示，利用MATLAB/Simulink的電力系統(tǒng)仿真模塊（SimPowerSystems）中的powergui模塊模擬充電電容兩端的電壓，元件模塊R、L分別表示放電回路中包括電容器、分流器及連接線等器件的總電阻和總電感，R1和L1為模擬調(diào)波電阻和調(diào)波電感。圖3沖擊電流發(fā)生器Smulink仿真圖1）對(duì)于第一類問(wèn)題，雙擊仿真模塊，直接輸入R、L、C、R1、

8、L1的值，運(yùn)行即可讀出沖擊電流的幅值im、Tf和Tt的值。以實(shí)驗(yàn)室的大容量8/20ms雷電波沖擊電流發(fā)生器為例，C=24.496mF，R=0.401，L=2.59mH，電容器充電電壓為60kV，仿真結(jié)果如圖4所示，該波形為符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8/20ms沖擊電流波形，波頭Tf=8.0ms，波尾Tt =20.0ms，峰值為90kA。圖5為實(shí)驗(yàn)室沖擊電流發(fā)生器通過(guò)軟件截取的波形，由圖形可以看到仿真波形是可以模擬實(shí)際波形的。圖4 大容量沖擊電流仿真波形 圖5 軟件截取波形圖2）對(duì)于第二類問(wèn)題，可以根據(jù)傳統(tǒng)的圖解法或者相關(guān)參考書(shū)4提供的Tf和Tt與回路參數(shù)之間的關(guān)系，計(jì)算出回路中R或者L的參數(shù)值。表1是由張

9、仁豫老師等人編寫(xiě)的高電壓試驗(yàn)技術(shù)4摘錄過(guò)來(lái)的非阻尼狀態(tài)下的三種標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊電流波下的， 及值。表1 三種標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊電流波下的， 及值Tf，Tt /ms/ms/（rad/ms）4,100.08320.2400.6658,200.04160.1200.66530,800.01380.02850.872根據(jù)表1以及相關(guān)公式，已知RLC三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)后，就可以求出其他兩個(gè)參數(shù)。以實(shí)驗(yàn)室的另外一臺(tái)小容量8/20ms沖擊電流發(fā)生器為例，主電容為40mF，那么上文所述公式 （11）根據(jù)表1 （12）再根據(jù)上文提到的計(jì)算式可得 ， （13）由于根據(jù)上述計(jì)算方法得到的R、L值是欠阻尼狀態(tài)下的R、L值

10、，波頭波尾滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是反沖擊振蕩超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20%。因此要產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8/20ms沖擊電流波形，還需要進(jìn)一步的參數(shù)調(diào)節(jié)及波形調(diào)試。在確定了RLC的大概值以后，可以分別固定UC、R和L中的兩個(gè)值，改變另外一個(gè)值進(jìn)行仿真，直到仿真結(jié)果與給定參數(shù)的差異滿足要求為止。筆者在進(jìn)行波形仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)沖擊電流波形峰值im、波頭Tf、波尾Tt與電阻R、電感L與的關(guān)系如表2所示。表2 Im、Tf、Tt與R、L關(guān)系表波頭Tf波尾Tt峰值振蕩電阻R電阻R電感L電感L注：表2中表示增大，表示減小根據(jù)計(jì)算值以及表2中列出的關(guān)系進(jìn)行仿真調(diào)試，經(jīng)過(guò)調(diào)試最終得到的沖擊電流發(fā)生器放電仿真波形如圖5所示，在電容兩端施加

11、10kV電壓，放電回路的電阻R=0.236、電感L=1.158。得到的沖擊電流波形波頭Tf=8.0ms，波尾Tt =20.0ms，峰值im=20kA。圖6為實(shí)驗(yàn)室沖擊電流發(fā)生器通過(guò)軟件截取的波形圖。在實(shí)際調(diào)試中根據(jù)升壓電流與放電電流比例的關(guān)系以及需要升到的電流值，即可算出電容器兩端的升壓電壓。圖5 小容量沖擊電流仿真波形 圖6 軟件截取波形圖5結(jié)論本文通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了應(yīng)用MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)仿真模塊仿真求解沖擊電流發(fā)生器的放電回路參數(shù)是比較可行的。雷電波沖擊電流發(fā)生器的放電回路的仿真結(jié)果比傳統(tǒng)的圖解法更加的直觀，在實(shí)際高電壓實(shí)驗(yàn)室對(duì)沖擊電流發(fā)生器進(jìn)行調(diào)試時(shí)，也節(jié)省了大量的調(diào)試時(shí)間，減少了設(shè)備的損耗，借助于MATLAB/Simulink的仿真更加有利于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。筆者還對(duì)實(shí)驗(yàn)室的1.2/50ms 8/20ms組合波發(fā)生器及10/350ms雷電波沖擊電流發(fā)生器進(jìn)行了模擬仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)借助于MATLAB/Simulink的仿真，對(duì)于雷電波沖擊電流發(fā)生器的參數(shù)選取以及放電波形調(diào)試有很大的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第1部分：性能要求和試驗(yàn)方