金屬氧化物避雷器行為的仿真

金屬氧化物避雷器行為的仿真ChristosA.Christodoulou,FaniA.Assimakopoulou,IoannisF.Gonos,IoannisA.stathopulos（晏青松翻譯）摘要：金屬氧化物避雷器是用來(lái)保護(hù)中高電壓系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)雷擊和開關(guān)過(guò)電壓。測(cè)量氧化鋅避雷器的殘余電壓說(shuō)明其動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，具體而言，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)電流下降，殘余電壓增加；避雷器的電流達(dá)到最大值之后，殘余電壓也達(dá)到它的最大值。由于這些原因，金屬氧化物避雷器不能只靠一個(gè)非線性電阻來(lái)模仿，因?yàn)樗姆磻?yīng)取決于上升脈沖的規(guī)模和上升斜率。為了模擬這個(gè)動(dòng)態(tài)的頻率依賴性行為，給出了一些常見的可靠模型。目前可用的三種模型一一IEEE、Pinceti-Gianettoni和Fernadez-Diaz都通過(guò)了PSCAD審查。按照制造商提供的數(shù)據(jù)資料，每種模型的剩余電壓包含著5kA、10kA和20kA8/20ms的沖擊電流。該模型也被用來(lái)研究配電線路的雷擊情況，每個(gè)桿塔上避雷器是否有效，并計(jì)算出它們失效的概率。結(jié)果表明，所有模型的功能有一個(gè)令人滿意的精確性；這些模型的不同之處表現(xiàn)在它們的參數(shù)估計(jì)的難度。金屬氧化物避雷器是用來(lái)保護(hù)設(shè)備在電力系統(tǒng)內(nèi)部和外部過(guò)電壓。幾種可用的不同類型的避雷器（例如間隙碳化硅，間隙或非間隙金屬氧化物）以同樣的方式的所有表現(xiàn):它們主要起在正常工作電壓下作為高阻抗的作用，并在條件［1-4］下作為低阻抗的作用。在一定的電壓超過(guò)額定電壓下，一個(gè)理想的避雷器必須通過(guò)電流控制著電壓，使過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間幾乎沒有變化，并在傳導(dǎo)開啟時(shí)幾乎相同的電壓下大大停止傳導(dǎo)［5］。盡管大量的電阻由碳化硅制成的間隙避雷器仍然在使用，現(xiàn)在安裝的避雷器幾乎所有的都是沒有間隙的金屬氧化物避雷器，也就是說(shuō)避雷器的電阻是由金屬氧化物制成的［6］。金屬氧化物避雷器有一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)或多個(gè)列圓柱壓敏電阻塊。圖1顯示的是一個(gè)額定電壓為20kV的氧化鋅避雷器。它們具有非線性特性，并且當(dāng)它們工作時(shí)通過(guò)比碳化硅避雷器更低功耗和更低頻率的電流。一個(gè)金屬氧化物避雷器將只讓通過(guò)由過(guò)電壓造成的電流，沒有工頻后續(xù)電流。這使得當(dāng)被替換為碳化硅避雷器時(shí)，金屬氧化物避雷器有很少可用的容量［7］。2氧化鋅避雷器的伏安特性

氧化物電阻服從方程［1,2］：1=KVa次＞1（1）其中：I通過(guò)避雷器的電流U避雷器對(duì)地電壓K陶瓷常數(shù)（視避雷器型號(hào)）A非線性指數(shù)（衡量非線性）V-I特性必須確定于短暫脈沖電流測(cè)量結(jié)果，如8/20微秒波形，以避免避雷器過(guò)熱的影響。此外，在實(shí)驗(yàn)室里連續(xù)浪涌之間的間隔時(shí)間必須足夠長(zhǎng)以便在下一個(gè)浪涌到達(dá)之前變阻器返回到室內(nèi)溫度［5］。金屬氧化物避雷器特性的數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果表明避雷器的動(dòng)態(tài)行為；避雷器的殘余電壓取決于浪涌電流的波形。經(jīng)分析，隨著電流前導(dǎo)時(shí)間的衰減殘余過(guò)電壓會(huì)增加［2,4］。當(dāng)放電電流的前導(dǎo)時(shí)間從8ps減小到1.3口s時(shí)，殘余電壓的增加大約可達(dá)到6%［7-9］。另外的一個(gè)動(dòng)態(tài)特性是殘余電壓會(huì)在電流達(dá)到其最大值之前達(dá)到最大值。3氧化物避雷器的模型僅用一個(gè)非線性電阻是不能模仿氧化物避雷器的，因?yàn)樗姆磻?yīng)取決于規(guī)模和浪涌脈沖的上升率。氧化鋅避雷器表現(xiàn)為各種不同浪涌波形，取決于每一次的規(guī)模和浪涌的上升率。氧化物避雷器的一些經(jīng)常依賴模型已被提出，在某種程度上，該模型仿真結(jié)果相當(dāng)于避雷器的實(shí)際行為。每個(gè)模型的困難在于其參數(shù)的估計(jì)，因?yàn)樗鼈儽灰笫侵圃焐烫峁┑膮?shù)和符合相應(yīng)的程序?，F(xiàn)有的模式［9-11］主要的不同在于參數(shù)的評(píng)估程序，但都能有效地模擬依賴于頻率的行為的避雷器。在這項(xiàng)工作中提出了三種模式并通過(guò)適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)程序模擬。A.IEEE模型IEEE工作組3.4.11［9］提出了模型圖2，包括靠RL濾波器區(qū)別的非線性電阻A0和A1。為了降低前期浪涌，過(guò)濾器阻抗低，同時(shí)非線性電阻也低。為了快速前端過(guò)濾器阻抗變成高，電流要流過(guò)非線性電阻A0。因?yàn)殡娮鐰0的特性是當(dāng)給一個(gè)電流時(shí)它會(huì)有更高的電壓，所以頻率越高殘余電壓越高。LdL1圖2一IEEE模型電感L1和電阻R1組成過(guò)濾器，在兩變阻器之間。因?yàn)殡姼蠰0與避雷器附近的磁場(chǎng)密切相關(guān)。R0使數(shù)值更穩(wěn)定，C代表的終端到終端的電容量。關(guān)于上述參數(shù)和避雷器的伏安特性的方程如下［9］：

TOC\o"1-5"\h\zL=(15d)/n日H(2)iR=(65d)/n。(3)L=(0.2d)/n日H(4)R=(100d)/n。(5)C=(100n)/dpF(6)其中d是避雷器的長(zhǎng)度(米)和n是金屬氧化物磁盤片的平行專欄的數(shù)字。B.Pinceti-Gianettoni模型它是在IEEE模型的基礎(chǔ)上有些區(qū)別。沒有電容量，電IW0和R］被輸入終端的一個(gè)電阻(約1M)所取代。如圖3所示。非線性電阻基于曲線［9］。電感L0和L的計(jì)算使用方程［10］：r(1/T)r(8/20)*V四r(1/T)r(8/20)*V四H(7)14Vr(8/20)1V-VL=12*r(8/20)*V日H(8)r(8/20)其中Vn是避雷器的額定電壓，Vr(8/20)是一個(gè)8/2010kA雷電流下的殘余電壓，Vr(1/T2)是一個(gè)(1/T2)10kA雷電流下的殘余電壓。與IEEE模型相比，這種模型的優(yōu)點(diǎn)是不需要知道避雷器的的物理特性，只要知道制造商提供的電器相關(guān)數(shù)據(jù)。C.Fernadez-Diaz模型它也是基于IEEE模式。在此模型中，A0和A1被L1分開，而L0被忽略掉(如圖四)。避雷器終端增加的C代表避雷器終端之間的容量。L14泌圖4-Fernadez-D這種模式并不需要迭代計(jì)算基礎(chǔ)，因?yàn)樗璧臄?shù)據(jù)來(lái)自制造商的資料。參數(shù)的計(jì)算步驟給出了如［11］。使用制造商的數(shù)據(jù)，考慮I0比I1的比值等于0.02來(lái)計(jì)算A0和A1的伏安特性。

給出電感如下:(9)L=nL(9)其中n是一比例因子和L'在［11］中找不到，計(jì)算殘余電壓的增加值的百分比如下:V-V(10)△V(%)=_r(1/T2r(8/20)*100resVr(8/20)(10)其中Vr(8/20)是8/20雷電流下的殘余電壓，Vr(1/T2)是一個(gè)(1/丁2)象征性大電流下的殘余電壓。4仿真結(jié)果每種模型的仿真是使用PSCAD軟件程序仿真一欄額定電壓為20千伏，高度為260毫米的氧化鋅避雷器。表一至表三是每個(gè)模型的計(jì)算參數(shù)。表LIEEE模型的參魏1|33祖1%16,9￡i0?052pll瓦26￡1C384,6pFfe.Pinceti-Gianettcni^B的參數(shù)Li031邛IIL0..106fillRIMCi表3一Fe「n&ez-Diaz模型的參數(shù)Ii1.07[i\lC94.74R1MCi三個(gè)脈沖電流8/20Ms(5kA,10kA,20kA)下每個(gè)模型的殘余電壓波形如圖4至六的顯示數(shù)字4-6。每個(gè)模型的仿真結(jié)果與制造商的數(shù)據(jù)相比較(見表四)7S-.VrTem踞DjXIilD-niC.chmC.CBmCLIm□州D.D6n7S-.VrTem踞DjXIilD-niC.chmC.CBmCLIm□州D.D6nad?rnQD&nC.(EmC.ibri圖4一額定電流為5KA脈沖'的殘余電壓L,\L-—.■——_CiS_anihic.d2mc.irmcuhnarama?nD.d?mc.damaranatom圖5一額定電流為10KA脈沖、的殘余電壓■hnteGj~en跟】■Vrpiic■Wfem71>60T4C-j2Cr—,r-■■r1X/"、、/—.脈口訪aoimDuthntuinelcsmtiDenaihm-jietmimMun圖&額定電流為20KA腺?zèng)_飛的殘余電壓相對(duì)誤差是計(jì)算公式:(11)e—simulationmanufacturer*100%Vrmanufacturer(11)其中Vr-simulation是仿真結(jié)果的殘余電壓,Vr-manufacturer是制造商資料所給出的殘余電壓所有的模擬模型似乎都是有效的，它們以良好的準(zhǔn)確性再現(xiàn)制造商數(shù)據(jù)單提供的殘余電壓峰值。Pincetti-Giannettoni模型和Fernadez-Diaz模型更為簡(jiǎn)單，因?yàn)樗麄儾⒉恍枰芾灼鞯娜魏挝锢硖匦曰虻绦騾?shù)的計(jì)算方法。5仿真模型的實(shí)際應(yīng)用氧化物避雷器安裝在配電線路或輸電線路上，以直接地保護(hù)它們或者保護(hù)附近的桿塔，并減少故障率。避雷器吸收的能量通過(guò)下列公式計(jì)算：E=jtu（t）*i（t）dt（12）t0其中：u（t）是避雷器的殘余電壓（kV）和I（t）是通過(guò)避雷器放電電流的值（KA）如果避雷器吸收的能量超過(guò)其最高可接受能量的水平，那么他們就會(huì)損壞。避雷器損壞的概率見公式［12］：

f(If(I)dI\g(T)dT(13)T11(T)PPrL、其中：il（T）是即將損壞避雷器的最低臨界值，當(dāng)閃電襲擊一相導(dǎo)體，依賴于時(shí)間的一半值。f（ip）是雷電流峰值的概率密度。g（Tt）是時(shí)間的一半價(jià)值的雷電流的概率密度表4一每種模型的殘余電壓和相對(duì)誤差ResidualVoltage(kV)NiaimfactiureTS1datasheetIEEEmodelegPin€eti.-Gianettonimodel時(shí)％)Feimdez-Diazmodelg560.BO61.731.53dl.170.6161.941.6810定066.411.策65310.7866.372.1020712072.181.3871.&20.8771652.04為了檢查每一個(gè)避雷器模型在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，有人計(jì)算在額定電壓為20kV的配電線路上避雷器的失效概率（圖6），每次實(shí)施一個(gè)模型。假定這些能量承受能力1.2kJ/kVMCOV的避雷器，安裝在每一個(gè)桿塔每一相上。頻率分布和雷擊電流的參數(shù)基于［13］。雷電電流峰值的持續(xù)時(shí)間為2ps，因?yàn)榕c時(shí)間的一半值比較起來(lái)它的影響是微不足道的，從10ps到1000ps各不相同。C1C2C31.4[m]:桿塔8［m］導(dǎo)體0[m]C1C2C3V圖6一統(tǒng)路分布模型仿真是通過(guò)PSCAD軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。避雷器路端電壓的波形和流經(jīng)避雷器并被PSCAD軟件模擬的電流的波形，被用來(lái)計(jì)算避雷器減少的能量，當(dāng)這個(gè)能量超過(guò)避雷器的最大能量值時(shí)，就會(huì)發(fā)生故障。在表五中，給出了三個(gè)不同的桿塔電阻造成的結(jié)果。這三個(gè)模型提供了有效的結(jié)果，沒有大的區(qū)別。對(duì)于所有的模型以相同的方式，隨著接地電阻的增大失效概率會(huì)增加。

表5一避雷器康失效榛率ArrestersFailureProbabilityGroundingRjesistaneeion4Q￡1]EEEmodel30.1%32.4%36.1%Pinretimodel28.2%30.5%34.7%Femadezmodel29.4%312%35.6%圖7一每種避雷器模型失效的概率——對(duì)地電阻圖7以相同的方式列出了仿真結(jié)果。符合IEEE模型的可能性不大，主要是由于位于電壓曲線下的面積較大，所以吸收的能量也會(huì)更大。這是相對(duì)于一個(gè)很大失敗的可能性的結(jié)果。然而，計(jì)算結(jié)果表明，在閃電性能仿真和失敗概率估計(jì)下所有的模型都是恰當(dāng)?shù)?，每次將?huì)選擇哪個(gè)模型取決于可用的數(shù)據(jù)。6結(jié)論在這個(gè)文件的審查三個(gè)氧化物避雷器的頻率取決于模型，它們主要不同在于計(jì)算和調(diào)整其參數(shù)。使用PSCAD計(jì)算每種模型的殘余電壓，采用8/20Ms脈沖電流和將仿真結(jié)果與制造商的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這三種型號(hào)似乎有效的重現(xiàn)了避雷器的殘余電壓，提出了可接受的錯(cuò)誤。該模型還用于而定電壓為20kV的配電線路，以便估計(jì)避雷器的失效概率。分析表明，所有的模型有一個(gè)有效的動(dòng)態(tài)行為，他們可以被用來(lái)檢查電力裝置的雷擊情況，這些模型的主要區(qū)別在于其中包含的程序參數(shù)的計(jì)算。本文譯自：ChristosA.Chr