十脈沖下限壓型SPD級間串聯退耦電感前后能級匹配研究

徐樂，史東東，高攀亮，曹洪亮，秦孟晟，王成芳

（1.揚州市氣象局，江蘇 揚州225009；2.揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州225009；3.寧夏中科天際防雷股份有限公司，寧夏 銀川750000；4.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，江蘇 南京210044；5.吳江市建設工程質量檢驗中心有限公司，江蘇 蘇州215000；6.江西省氣象局，江西 南昌330046）

1 引言

隨著電子集成工業的快速發展，電氣電子設備對雷電防護的要求越發嚴苛，單個浪涌保護器(SPD)已無法滿足當前精細化的防護要求，需要不同類型、不同功能防雷器件進行配合使用。在SPD的配合使用中，級間必須加入足夠的阻抗加以退耦，以期達到前后級快速泄流、有效箝壓的使用效果[1-3]。

目前限壓型SPD級間串聯的退耦元件常采用電感和電阻，相關專題已有部分國內外專家在做探究。Standlerrb等[4]分析了不同傳輸線模型下各類退耦元件配合產生的瞬態電壓浪涌對工業和住宅系統產生的影響；李祥超等[5]研究了浪涌保護器的設計與應用中串聯退耦電感對于雷電流箝壓的效果；張棟等[5]利用波過程研究SPD配合時的導通次序，并配合仿真軟件研究線路參數對于SPD配合結果的影響。上述研究均在單脈沖條件下圍繞如何提升兩者匹配后的整體保護效果，并未在更接近實際雷擊環境下的多脈沖條件下對兩者匹配過程中的能級參數(殘壓、通流和分流比等)進行細致深入的研究。

自然雷電的三大物理特性之一是雷擊的脈沖個數多，在IEC62305-1中，將多脈沖定義為平均含有3～4個雷擊的雷閃。限壓型SPD作為可靠的防雷保護器件，必須經受住嚴苛的耐受沖擊測試，能夠經受住十脈沖的限壓型器件顯然更能夠保護供電系統設備。本文針對兩者匹配過程中退耦電感選取問題，結合10個8/20μs脈沖電流對限壓型浪涌保護器級間串聯退耦電感配合后作耐受沖擊試驗，得出級聯不同退耦電感值時限壓型SPD殘壓、通流和分流比的對應變化規律。

2 限壓型浪涌保護器(SPD)串聯退耦電感理論分析

2.1 行波通過串聯電感的理論分析

在低壓供配電系統中，敏感電子電氣設備需要多級SPD進行系統保護，依據國際電工委員會制定的標準，明確規定多個SPD能級匹配時宜使用組合或并聯的基本模式[7-9]。氧化鋅作為主流的限壓型防雷元件，具備優異的非線性伏安特性，在能級匹配過程中需加入電感進行退耦。在限壓型SPD多級并聯中，退耦電感參數的選擇，既要滿足電涌保護器參數的要求，又要滿足電涌保護器能級匹配的要求。

在電力系統線路中，行波遇到輸電線路中的串聯電感時會發生波形的改變且其反射和折射系數也伴隨相應的變化[10-12]。

圖1a為串聯有退耦電感的線路上侵入一無限長直角波u1q，其中Z1為線路前段的波阻抗和Z2為線路后段的波阻抗。當u1q到達Z1和Z2的連接點A時將產生折射和反射，而作為集中參數元件退耦電感L，在它上面只存在相應的電壓降而沒有波過程，所以反射過程在L和Z2的連接點B上不存在，存在的折射為A點電壓在電壓波Z2上的分壓。由圖1b中的等值電路，根據彼德遜換算法則得，

由式(1)求得線路中Z2的前行電流波i2q為：

進而求得沿線路Z2傳播的折射電壓波u2q為：

如圖1c所示，當t=0,u2q=0，當t→∞時，u2q→αu1q，說明雷電波在侵入輸變電線路后產生的長直角行波在遇到串聯退耦電感后按比例平穩上升，由此可見線路中串聯退耦電感能夠有效減小雷電流上升的陡度。

圖1 行波通過串聯電感

由式(3)求得折射電壓波u2q的上升速率為=0時為最大值，表明最大上升速率與線路后段的參數有關，即由Z2和L決定，當波阻抗Z2恒定，L愈大，則上升速率下降越快。這一結論應用到電氣系統的防雷保護中，則表現為侵入的雷電流的陡度越高，則相應的過電壓也越大，故通過串聯合理電感值來減緩雷電瞬態過電壓的上升速率對電力系統的防雷保護具有重要的意義。

2.2 限壓型SPD級間串聯電感的能級匹配模型和原理

根據IEC61643-1規定[7]，電力設備線路中多處安裝SPD時，限壓型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5 m，電壓開關型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10 m，但實際應用場景中，由于受場地限制等客觀因素限制，可利用退耦電感元件的延時、濾波等屬性來有效解決多級SPD級聯配合的問題。

前后級限壓型SPD能量匹配模式如圖2所示。根據集中電路參數理論分析，限壓型SPD具備優異的伏安特性，具體表現為通流容量大，響應時間短，無續流且殘壓低。當采用前后級SPD配合時，兩者伏安特性均具備連續特性，其殘壓相同亦或逐級遞升。通常來說，具體過程如下：當侵入的雷電流電壓上升達到前級SPD的壓敏電壓時，前級SPD率先導通，此時由于線路中串聯有退耦電感，使行進中雷電流不會發生突變且響應延遲，因此后級SPD不會同時導通。隨著雷電流繼續上升，流過前級SPD的電流不斷增大，使得前級SPD的殘壓逐漸上升，后級SPD兩端的電壓也隨著前級SPD殘壓的增大而上升，當其達到后級SPD壓敏電壓時，后級SPD開始導通。當侵入雷電流能量在前后級SPD耐受范圍內，即實現了兩者的能級匹配[13-15]。

圖2 前后級SPD級聯退耦電感匹配模型

3 試驗方案及試驗數據分析

3.1 試驗方案

十脈沖試驗發生裝置包含10個單脈沖8/20 μs沖擊發生回路(圖3)。圖3a中共設置10個波形發生器，每個發生器的沖擊電流幅值均可調，且觸發間隔時間均可通過可變電阻和電容進行控制，每次觸發可產生10個8/20μs波形的間歇時間可調的脈沖信號。多脈沖連續沖擊過程中，第一與第十脈沖幅值采用標準值，第二和第九脈沖幅值為標準值的一半，第一至第九脈沖時間間隔為60 ms，第九至第十脈沖時間間隔400 ms，沖擊時間長度為880.5 ms。圖3a中每個8/20μs波形發生器模塊均相同，其基本電路如圖3b所示。臨界阻尼條件下，回路間各參數關系為：

圖3 十脈沖試驗原理圖

其中R=Rt+Rz，Rt為線路調波電阻，Rz為沖擊試驗樣品的等效電阻，Im為試驗沖擊電流幅值，Uc為線路電容C的充電電壓，t1為雷電流觸發的波前時間。對匹配模型進行模擬雷電流沖擊試驗，依次采用8/20μs波形施加5～30 kV的耐受沖擊，選取串聯電感值分別為2μH、4μH、6μH、8μH、10μH，等效線路沖擊過程中的殘壓和通流數據通過TEK DPO3012數字示波器實時顯示并存儲，采樣頻率為200 kHz[13]。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 前后級SPD匹配時泄流分析

第一組試驗，前后級SPD依次選用壓敏電壓相近的壓敏電阻，壓敏電壓依次為625 V和627 V，測試出的泄漏電流依次為1.2μA和2.1μA，極間依次串聯電感值為2μH、4μH、6μH、8μH、10μH，試驗測試波形為8/20μs，在相同的沖擊電壓下得到極間串聯不同電感時泄流變化曲線圖(圖4)。由圖4可知在沖擊電壓5～30 kV區間內，兩者匹配的總泄流區間為2.8～20.8 kA，前級SPD的泄流區間為1.98～17.12 kA，后級SPD的泄流區間為0.46～3.92 kA，很顯然在整體能級匹配中前級SPD承擔了絕大部分的泄流作用，后級SPD只泄放了小部分雷電流。根據前文行波理論公式(3)可知，隨著串聯電感值的增加，后級SPD泄流的雷電瞬態過電壓的上升速率在顯著減小，這是因為退耦電感對于線路雷電流有抑制作用，當雷電流第一時間侵入線路時，首先經過前級SPD，泄放了大部分雷電流，隨后在線路間退耦電感隔離抑制作用下，后級SPD泄放剩余小部分雷電流，實現前后級SPD能級匹配，從而有效保護線路終端設備。

圖4 級間串聯不同電感值時泄流隨沖擊電壓變化的曲線

通常來說，當采用兩個限壓型SPD配合時，前后兩級SPD的泄流箝壓是有分工的，前級主要功能是用于泄流。由表1可知：當極間串聯電感值為3～6μF時，前級泄流占比隨著電感值的增加而增加，相應的后級SPD泄流壓力在不斷減小；當極間串聯電感值為6～10μF時，前級SPD泄流比重在不斷下降，相應的后級SPD的泄流比重在增加，這是因為出現了磁飽和現象，所以得出相應結論即在電感值合理區間內，線路中串聯電感值越大，后級SPD電流分比越小，能級匹配效果越好。

表1 十脈沖下串聯不同電感值時前級SPD占總泄流比重

同理在第二組試驗中，當前后級SPD依次選用壓敏電壓相差較大的壓敏電阻時，壓敏電壓依次為610 V和520 V，測試出的泄漏電流依次為0.7μA和1.1μA，其中分流比沖擊測試結果對比如圖5所示。

圖5 壓敏電壓不同情況下串聯不同電感值時分流比隨沖擊電壓變化的對比圖

在相同沖擊條件下，綜合第二組試驗數據，當并聯的壓敏電阻其壓敏電壓差距較大時，分流比與壓敏電壓關系不大，殘壓與壓敏電壓有關，壓敏電壓越低，殘壓越低。在第二組試驗中所用后級SPD壓敏電壓為510 V，故殘壓值也相對較低(圖6)。

圖6 壓敏電壓不同情況下串聯不同電感值時殘壓隨沖擊電壓變化的對比圖

同理，根據試驗數據相比較可得，相同沖擊電壓下，SPD間電感值越大，后級壓敏電阻的電流分比越小，殘壓越低，能量匹配效果越好。當出現前級SPD通流明顯降低，后級SPD的通流顯著增加時，應該考慮線路中出現磁飽和的可能性。

磁飽和現象是基于瞬變電流流過線路電感時產生。當電感中導磁體內磁場強度隨著沖擊電流的增加達到一定水平時，出現電流增加而磁場強度不再增加的滯漲現象[17]。在并聯電路中的關系可描述如下：

式中Ures1為壓敏電阻上的前級殘壓值，Ures2為后級殘壓值。當沖擊回路產生磁飽和情況時，線路實際電感值會發生顯著減小，使得串聯電感上的壓降逐步減小，繼而導致后級SPD響應動作變得遲緩，最終在沒有出現磁飽和情況下，后級SPD發生提前動作，使得后級SPD的通流增加，殘壓也相對升高的現象。針對可能會出現的磁飽和現象應作為選取退耦電感器件的重要參考。為了避免此種現象，在實際裝設SPD時級間選裝的退耦電感值在合理范圍內應較理論電感值稍大一些。

3.2.2 前后級SPD匹配時箝壓分析

殘壓作為SPD的核心參數，是表征浪涌保護器箝壓水平的重要指標[18]。表2是限壓型SPD分別串聯2μH、4μH、6μH、8μH、10μH時前后級SPD殘壓值隨沖擊電壓的變化數據表。在沖擊電壓5～30 kV區間內，前級SPD箝壓水平范圍為1.07～2.08 kA，后級SPD箝壓水平范圍為1.02～1.97 kV，后級SPD的殘壓值整體低于前級SPD殘壓，后級SPD主要起限制殘壓的作用，且殘壓值隨著電感值的不斷增大總體呈現先升后降的現象。殘壓值越高意味著器件鉗壓水平越低，尤其是當級聯電感值由2μF變為6μF，且沖擊電壓在15～30 kV區間時，前后級SPD的箝壓水平有顯著的下降，隨著串聯電感值由8μF變為10μF時，整體箝壓水平出現一定程度的回升。圖7和圖8分別是在20 kV沖擊電壓作用下，串聯電感值為2μF和6μF時的通流和殘壓波形圖。由圖可知，CH1是流過SPD的兩端電壓，CH2是流過SPD的電流，隨著串聯電感值的增加，限壓型SPD的泄流箝壓能力都有顯著提升。由此可見：在限壓型浪涌保護器級間串聯退耦電感的能級匹配中，串聯電感值應該在一個合理的范圍，在客觀條件允許情況下可選取稍大于理論計算的電感值，這樣既能快速泄流又能有效箝壓。

表2 5～30 kV十脈沖下串聯不同電感值時前后級SPD殘壓值(kV)

圖7 級間串聯2μH電感連接的波形圖

圖8 級間串聯6μH電感連接的波形圖

4 結論

針對實際限壓型浪涌保護器級間串聯退耦電感的能級匹配問題，通過十脈沖8/20μs沖擊測試得出不同壓敏電壓的氧化鋅壓敏電阻和不同電感值的通流、殘壓和分流比的匹配關系，得出以下結論。

(1)在沖擊電壓相同的情況下，氧化鋅壓敏電阻的壓敏電壓對前后級SPD分流比影響較小，但與殘壓有關，壓敏電壓愈低，殘壓值愈低。SPD級聯電感值越大，前級SPD泄流越多，后級SPD箝壓水平越高，能級匹配效果越好。因此，實際應用中，在限壓型SPD耐受范圍內可適當增大退耦電感值。

(2)在限壓型SPD多級并聯應用的實際情況中，由于受到場地限制等因素影響，導線長度無法滿足安裝條件要求時，可加裝退耦電感來有效減緩雷電瞬態過電壓的上升速率，但不應該忽視磁飽和現象，當出現磁飽和時，前級SPD通流明顯降低，后級SPD的通流明顯增高，為了避免此種現象，在實際裝設SPD時級間選裝的退耦電感值應較理論電感值稍大一些。