基于Simulink的雷電沖擊高壓試驗激勵建模仿真分析

閆紅強，王關平，孫 偉，楊婉霞，楊 森，雒 琦，任 輝

(1.甘肅農業大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.靈臺縣道路運輸管理局，甘肅 靈臺 744400)

目前，氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)等高壓電力設備在電力系統中的應用更加廣泛[1-3]，它具有結構緊湊、占地面積小、可靠性高、維護量小、配置靈活、安全性強等優點[4-5]，為避免GIS等高壓電力設備出現內部絕緣缺陷造成擊穿事故，設備在交付前都要進行耐壓與絕緣試驗，雷電沖擊高壓試驗是設備交接試驗項目之一[6-8]，對于高電壓實驗而言，涉及到的實驗設備電壓等級較高，難度較大，操作復雜，具有一定危險性，需要專業技術人員現場督導，同時實驗室的成本和運行維護費用較高，使得高電壓相關實驗開設難度極大，基于此，運用軟件和虛擬仿真平臺搭建模型進行參數設定和相關實驗不失為一條有效途徑。在整個雷電沖擊高壓試驗過程中，激勵建模仿真是雷電沖擊高壓試驗的關鍵環節。本文基于Simulink構建雷電沖擊高壓試驗激勵仿真模型，設置主要模塊相關參數，計算沖擊電壓峰值、波前時間及半峰值時間，進而生成一個完整的標準沖擊電壓波形，該方法為后續特超高壓系統開展相關試驗提供技術支持。

1 雷電沖擊電壓波形

在電力系統中的高壓電氣設備，除了要長期承受工作電壓外，在運行過程中，還可能會承受短時的雷電過電壓和操作過電壓的作用[9]。雷電沖擊試驗就是用來檢驗高壓電氣設備在雷電過電壓作用下的絕緣性能和保護性能[10-12]。雷電沖擊電壓，一般指持續時間很短，只有約幾個微秒到幾十個微秒的非周期性變化電壓，由這種因素而引起的過電壓又稱為雷電沖擊過電壓[13-14]。標準雷電沖擊電壓波形見圖1所示。沖擊電壓的波形主要由沖擊電壓峰值(Um)、波前時間T1及半峰值時間T2刻畫；GB/T16927.1-2011和IEC60060-1標準對雷電沖擊電壓的規定為T1=1.2μs±30、T2=50μs±20%。IEC一般寫作1.2/50μs，個別國家認為是1.4/40μs，我國關于雷電沖擊電壓的標準波形與IEC相同，雷電沖擊電壓的標準波形有正有負[15-16]。

圖1 雷電標準電壓波形

2 沖擊電壓發生裝置方案

沖擊電壓發生裝置通常是利用高壓電容器通過球隙對阻容回路放電而產生的，常見的沖擊電壓產生方案如圖2所示，其中，電容C1上的電壓是事先由高壓直流電源充電形成的，球隙G擊穿后，將在圖2(a)和圖2(b)電路中的電容C2上先后產生波前過程和波尾過程，形成一個完整的沖擊電壓波形輸出。

(a)方案a

(b)方案b圖2 沖擊電壓發生器的基本方案

圖2中，(a)和(b)兩個方案中都有R2>>R1，C1>>C2；輸出沖擊電壓峰值Um與電容C1的初始電壓U0之比，稱為沖擊電壓發生器的利用系數η，對于這兩個方案來講，η如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

因此，如果圖2中(a)和(b)兩個方案的參數完全相同，則顯然(b)方案的利用系數更高。因此，在仿真過程中選擇(b)方案構建系統仿真模型。

(a)波前等值電路模型

(b)波尾等值電路模型圖3 圖2(b)方案電路的簡化等值電路

圖3所示為圖2(b)方案電路的簡化等值電路，其中，圖3(a)為波前等值電路模型，而圖3(b)為波尾等值電路模型。由于波前時間極短且R2比R1大得多，C1也比C2大得多，故這一極短的時間內，R2對系統的影響可以忽略，C2上的電壓式(3)所示。

(3)

設t=t1時，u(t1)=0.3Um；t=t2時，u(t1)=0.9Um，T1則如式(4)所示。

T1=1.67(t2-t1)=1.67τ1ln7

(4)

波尾等值電路中C2兩端電壓如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

根據雷電壓半峰值時間T2的定義，如式(7)所示。

T2=τ2ln2=0.7τ2=0.7R2(C1+C2)

(7)

這些公式是在略去了很多影響因素(其中最主要的是回路的電感)后得出的。根據較詳細的分析計算和實際裝置上測量校驗的經驗，推薦使用的T1、T2修正公式如式(8)、式(9)，當回路的電感較大時，公式中的系數取較小的值。

(8)

T2=(0.7～0.8)R2(C1+C2)

(9)

式(8)、式(9)可以用來計算沖擊電壓發生器的參數和調整沖擊電壓發生器的輸出電壓波形。

3 系統仿真模型構建及關鍵參數設置

3.1 標準沖擊電壓波形生成電路仿真模型構建

設某一直流高壓電源能夠提供的直流電壓為50kV，設計一個雷電沖擊高壓試驗激勵發生裝置，其輸出的沖擊電壓峰值Um=48kV，波前時間T1=(1.5±30%)μs，半峰值時間T2=(50±20%)μs。按照圖2所述方案(b)，基于Simulink的標準沖擊電壓波形生成電路仿真模型如圖4所示，其中，電容C1、C2和電阻R1、R2的位置保持不變，放電球隙G由理想開關Ideal Switch代替，電容C1充電至50kV，當Step模塊的輸出發生0→1的跳變時，模擬球隙G被擊穿(或者稱為點火)，然后，電路將先后經歷波前與波尾放電兩個過程，從而生成一個完整的標準沖擊電壓波形。

圖4 標準沖擊電壓波形生成電路仿真模型(m10_2_4.mdl)

3.2 主要模塊的參數設置

依據題設要求和式(8)、(9)的參數約束關系，本實驗選擇C1=10μF，C2=1μF，R1=0.7Ω，R2=7Ω，相關參數設置見圖5所有子圖所示，由此可以求得T1、T2如下式所示。

T2=(0.7～0.8)R2(C1+C2)=53.9～61.6μs

這些參數的設計值完全符合T1=1.2μs±30%，T2=50μs±20%的范圍要求。

圖5 圖4中有關參數設置

4 實驗結果及數據分析

基于圖4所示系統仿真模型輸出的標準沖擊電壓波形見圖6所示，由圖可知，仿真實驗輸出測得T1=1.41μs，T2=56.48μs；而沖擊電壓的頂值Um=44kV，因此，沖擊電壓發生器的利用系數η=44/50=88%，而利用系數η的理論計算值為η≈90.9%。因此，可以看出，理論計算值顯然更為樂觀，并沒有考慮更多因素的影響，但理論值與仿真輸出值的差距還是較小的，完全在工程上可以接受的范圍內。

圖6 輸出的標準沖擊電壓波形

5 結論

GIS等大容量電力設備現場耐壓試驗對保障GIS安全、穩定、可靠運行具有重大作用，對降低GIS絕緣擊穿事故、保障電力系統安全可靠運行具有強大的經濟效應。本實驗基于圖2(b)所述方案構建了圖4所示的系統仿真模型，該模型采用理想開關Ideal Switch代替放電球隙，Ideal Switch合閘后，標準沖擊電壓波形生成電路先后經歷了波前及波尾兩個放電階段，形成了一個基本完整的放電周期，該電路輸出的沖擊電壓波形各項指標雖與理想指標有一定差距，但完全符合高電壓技術工程需求。通過以上建模仿真分析，我們發現基于MATLAB/Simulink建立與實際系統相似的仿真模型非常簡潔、方便，該方法為后續特超高壓系統開展相關試驗提供了理論支持。