非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓模擬技術(shù)研究

孫鵬宇,江 渝,張晨萌2，謝施君2，王 鑫，王 濤

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044； 2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

電力設(shè)備，特別是電壓等級(jí)比較高的電力設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)主要依據(jù)1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊(standard lighting impulse waveform，SLIW)耐受電壓[1-4]。然而，由于變電站內(nèi)進(jìn)線段衰減、折反射及繞組諧振等因素，變電站現(xiàn)場(chǎng)遭受的大多為非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓(non-standard lightning impulse waveform，NSLIW)，其波前時(shí)間可能在百納秒到數(shù)十微稍范圍內(nèi)變動(dòng)，還會(huì)疊加頻率為幾百到幾兆赫茲較高幅值的振蕩[5-9]。這與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形存在較大差異[10-15]，不利于高壓電氣設(shè)備的合理絕緣設(shè)計(jì)和絕緣考核[16-20]。

多年來(lái)，重慶大學(xué)、華北電力大學(xué)等高校進(jìn)行了大量的站內(nèi)侵入沖擊電壓波形的在線監(jiān)測(cè)研究，并得到了大量的雷電侵入沖擊電壓波形數(shù)據(jù)，取得顯著進(jìn)展。研究學(xué)者對(duì)多年的雷電侵入沖擊電壓波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步得到了變電站內(nèi)雷電侵入沖擊電壓波形的典型特征，分析顯示采集所得的雷電波形均呈現(xiàn)為振蕩的衰減或上升的沖擊電壓波形[21]。因此有必要設(shè)計(jì)出一種可以產(chǎn)生非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的發(fā)生裝置，對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣測(cè)試。

針對(duì)上述問(wèn)題和需求，首先通過(guò)Matlab Simulink搭建電路仿真模型，通過(guò)運(yùn)用電路理論等相關(guān)知識(shí)對(duì)仿真電路進(jìn)行邏輯推導(dǎo)，進(jìn)一步得出所設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生的非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的近似解析表達(dá)式，并在試驗(yàn)室條件下設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形的裝置。

1 非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生回路

所設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器的原理如圖1所示。圖1中：C為沖擊電壓發(fā)生器等值電容；g1為沖擊電壓發(fā)生器等值放電球隙；R1、R2分別為標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓發(fā)生器的波尾、波前電阻；L為電路中線路及電阻電感(外接電感或線路雜散電感)；R3、R4為電路中線路的阻尼電阻；Rd為波尾調(diào)節(jié)電阻，用于調(diào)節(jié)非標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓發(fā)生器的波尾時(shí)間Tt。當(dāng)球隙g1擊穿時(shí)，發(fā)生器將標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電壓施加到Cs上給其充電，當(dāng)Cs上的電壓達(dá)到一定值時(shí)，擊穿球隙g2，這時(shí)發(fā)生器將產(chǎn)生非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓并施加到測(cè)量試品兩端。

圖1 非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器原理圖

由于非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器電路中，阻尼電阻R3、R4相對(duì)于電路中其他電阻來(lái)說(shuō)相對(duì)較小，這里為方便計(jì)算忽略不計(jì)，當(dāng)g1、g2球隙閉合時(shí)簡(jiǎn)化的等效電路如圖2所示。

圖2 非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路

由圖2可知非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路是帶有電感、電容、電阻的多階回路，且電容C帶有一定的初始電壓值Uc(0_)，所以在這里用拉普拉斯變換來(lái)求解試品電容兩端的電壓U。非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路的拉普拉斯運(yùn)算電路如圖3所示。

圖3 發(fā)生器拉普拉斯運(yùn)算電路

通過(guò)電路運(yùn)算可求出：

(1)

展開(kāi)得：

(2)

為方便計(jì)算，令a=UC(0-)R1RdCCs，b=CR1+Cs(R1+R2)，d=CtRdLCs，e=LCs，f=CtRd+CsRd，近似可得：

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行分式拆分化簡(jiǎn)，得到有利于拉普拉斯反變換的式子為

(4)

式中，A、B為由a、b、d、e、f構(gòu)成的量。式(4)經(jīng)拉普拉斯反變換后得：

(5)

由式(5)可知，所設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓波形由一個(gè)負(fù)指數(shù)波形加一個(gè)振蕩的正弦波形組成，波形滿足非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波的要求。

2 Matlab Simulink仿真

根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器等效回路構(gòu)建發(fā)生器仿真模型，如圖4所示。

圖4 發(fā)生器仿真模型

圖4中，由4組電容C串聯(lián)構(gòu)成了四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電壓發(fā)生器。假設(shè)電容C帶有一定的初始電壓Uc(0_)，開(kāi)關(guān)g1在0.01 s時(shí)閉合，根據(jù)電路的有關(guān)計(jì)算設(shè)計(jì)出各元件參數(shù)，仿真出a、b兩種波形。在a波形中設(shè)置g2在0.010 05 s時(shí)閉合，a波形元件具體參數(shù)如表1所示。

在表1中，設(shè)置充電電容C的初始電壓為40 kV，四級(jí)串聯(lián)的總充電電壓為160 kV，由于實(shí)際電路中電感與導(dǎo)線中存在電阻，這里設(shè)置電路中的阻尼電阻R3、R4分別為20 Ω和10 Ω。利用Matlab Simulink進(jìn)行仿真，在試驗(yàn)電容Ct兩端得到的a波形如圖5所示。

圖5 沖擊電壓發(fā)生器振蕩波形a

由圖5可知：沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的波形在波峰處產(chǎn)生了下降的高頻振蕩，盡管由于電感電阻與線路中阻尼電阻的影響，振蕩持續(xù)5個(gè)周期，但仍然符合非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波的范圍。

接下來(lái)改變電容Cs的值，其他元件參數(shù)保持不變，仿真出b波形，并在b波形中設(shè)置g2在0.010 01 s時(shí)閉合。b波形元件的具體參數(shù)如表2所示，在試驗(yàn)電容Ct兩端得到的波形如圖6所示。

圖6 沖擊電壓發(fā)生器振蕩波形b

由圖6可知：所設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生了在波峰附近出現(xiàn)高頻振蕩的波形，滿足非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波的要求，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

3 實(shí)際設(shè)計(jì)電路運(yùn)行結(jié)果

圖7 非標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓發(fā)生器

根據(jù)Matlab Simulink仿真電路設(shè)計(jì)出實(shí)際的非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器，如圖7所示。實(shí)際非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器裝置由四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓發(fā)生裝置、外接設(shè)計(jì)電路、分壓器測(cè)試裝置構(gòu)成。由于自然界中侵入變電站的雷電波多數(shù)呈負(fù)極性，這里設(shè)計(jì)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓也為負(fù)極性，其中主電容C為1 μs，每級(jí)電容充電40 kV。

表1 a波形參數(shù)取值

表2 b波形參數(shù)取值

參照仿真電路a模型設(shè)計(jì)發(fā)生器其他元件參數(shù)，調(diào)波電感L=2.2 μs，波尾電阻Rd=20 kΩ，測(cè)量實(shí)際發(fā)生器產(chǎn)生的非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形如圖8所示。實(shí)測(cè)波前時(shí)間T1為0.21 μs，波尾時(shí)間為55.1 μs，波峰值為118.8 kV，誤差為19.32%，與仿真a波形結(jié)果相似，符合非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波的定義。

圖8 實(shí)際發(fā)生器產(chǎn)生的a波形

同樣參照仿真電路b模型設(shè)計(jì)發(fā)生器其他元件參數(shù)，設(shè)置電容Cs=425 pF，波尾電阻Rd=20 kΩ，實(shí)際發(fā)生器產(chǎn)生的非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形如圖9所示。實(shí)測(cè)波前時(shí)間T1為12.50 μs，波尾時(shí)間為74.2 μs，波峰值為107.0 kV，誤差為12.64%，與仿真b波形結(jié)果也相似，符合非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波的定義。

圖9 實(shí)際發(fā)生器產(chǎn)生的b波形

4 結(jié) 語(yǔ)

前面通過(guò)計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓回路的簡(jiǎn)化運(yùn)算，得到了試品電容兩端電壓與電路中元件的關(guān)系，并據(jù)此構(gòu)建了沖擊電壓發(fā)生裝置。

通過(guò)對(duì)比仿真模型與實(shí)際電路的波形，驗(yàn)證了實(shí)際得到的波形與仿真所得到的波形相似，且與統(tǒng)計(jì)得到的非標(biāo)準(zhǔn)雷電波形一致，進(jìn)一步證實(shí)了設(shè)計(jì)的實(shí)際電路可以模擬產(chǎn)生變電站內(nèi)侵入的非標(biāo)準(zhǔn)雷電波，為接下來(lái)測(cè)量非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓對(duì)電介質(zhì)擊穿特性打下了基礎(chǔ)。