金属氧化物避雷器雷电过电压仿真模型介绍

71金属氧化物避雷器雷电过电压仿真模型介绍ChristosA.Christodoulou,FaniA.Assimakopoulou,IoannisF.Gonos,IoannisA.stathopulos（晏青松翻译）摘要：金属氧化物避雷器是用来保护中高电压系统和设备对雷击和开关过电压。测量氧化锌避雷器的残余电压说明其动态特点，具体而言，随着时间的延长电流下降，残余电压增加；避雷器的电流达到最大值之后，残余电压也达到它的最大值。由于这些原因，金属氧化物避雷器不能只靠一个非线性电阻来模仿，因为它的反应取决于上升脉冲的规模和上升斜率。为了模拟这个动态的频率依赖性行为，给出了一些常见的可靠模型。目前可用的三种模型——IEEE、Pinceti-Gianettoni和Fernadez-Diaz都通过了PSCAD审查。按照制造商提供的数据资料，每种模型的剩余电压包含着5kA、10kA和20kA8/20μs的冲击电流。该模型也被用来研究配电线路的雷击情况，每个杆塔上避雷器是否有效，并计算出它们失效的概率。结果表明，所有模型的功能有一个令人满意的精确性；这些模型的不同之处表现在它们的参数估计的难度。1引言金属氧化物避雷器是用来保护设备在电力系统内部和外部过电压。几种可用的不同类型的避雷器（例如间隙碳化硅，间隙或非间隙金属氧化物）以同样的方式的所有表现：它们主要起在正常工作电压下作为高阻抗的作用，并在条件[1-4]下作为低阻抗的作用。在一定的电压超过额定电压下，一个理想的避雷器必须通过电流控制着电压，使过电压的持续时间几乎没有变化，并在传导开启时几乎相同的电压下大大停止传导[5]。尽管大量的电阻由碳化硅制成的间隙避雷器仍然在使用，现在安装的避雷器几乎所有的都是没有间隙的金属氧化物避雷器，也就是说避雷器的电阻是由金属氧化物制成的[6]。金属氧化物避雷器有一个简单的结构，包括一个或多个列圆柱压敏电阻块。图1显示的是一个额定电压为20kV的氧化锌避雷器。它们具有非线性特性，并且当它们工作时通过比碳化硅避雷器更低功耗和更低频率的电流。一个金属氧化物避雷器将只让通过由过电压造成的电流，没有工频后续电流。这使得当被替换为碳化硅避雷器时，金属氧化物避雷器有很少可用的容量[7]。2氧化锌避雷器的伏安特性72氧化物电阻服从方程[1,2]：,1IKV（1）其中：I通过避雷器的电流U避雷器对地电压K陶瓷常数（视避雷器型号）A非线性指数（衡量非线性）V-I特性必须确定于短暂脉冲电流测量结果，如8/20微秒波形，以避免避雷器过热的影响。此外，在实验室里连续浪涌之间的间隔时间必须足够长以便在下一个浪涌到达之前变阻器返回到室内温度[5]。金属氧化物避雷器特性的数据和测量结果表明避雷器的动态行为;避雷器的残余电压取决于浪涌电流的波形。经分析，随着电流前导时间的衰减残余过电压会增加[2，4]。当放电电流的前导时间从8μs减小到1.3μs时，残余电压的增加大约可达到6％[7-9]。另外的一个动态特性是残余电压会在电流达到其最大值之前达到最大值。3氧化物避雷器的模型仅用一个非线性电阻是不能模仿氧化物避雷器的，因为它的反应取决于规模和浪涌脉冲的上升率。氧化锌避雷器表现为各种不同浪涌波形，取决于每一次的规模和浪涌的上升率。氧化物避雷器的一些经常依赖模型已被提出，在某种程度上，该模型仿真结果相当于避雷器的实际行为。每个模型的困难在于其参数的估计，因为它们被要求是制造商提供的参数和符合相应的程序。现有的模式[9-11]主要的不同在于参数的评估程序，但都能有效地模拟依赖于频率的行为的避雷器。在这项工作中提出了三种模式并通过适当的计算机程序模拟。A.IEEE模型IEEE工作组3.4.11[9]提出了模型图2，包括靠RL滤波器区别的非线性电阻A0和A1。为了降低前期浪涌，过滤器阻抗低，同时非线性电阻也低。为了快速前端过滤器阻抗变成高，电流要流过非线性电阻A0。因为电阻A0的特性是当给一个电流时它会有更高的电压，所以频率越高残余电压越高。电感L1和电阻R1组成过滤器，在两变阻器之间。因为电感L0与避雷器附近的磁场密切相关。R0使数值更稳定，C代表的终端到终端的电容量。关于上述参数和避雷器的伏安特性的方程如下[9]：731100(15)/(2)(65)/(3)(0.2)/(4)(100)/(5)(100)/(6)LdnHRdnLdnHRdnCndpF其中d是避雷器的长度（米）和n是金属氧化物磁盘片的平行专栏的数字。B.Pinceti-Gianettoni模型它是在IEEE模型的基础上有些区别。没有电容量，电阻0R和1R被输入终端的一个电阻（约1M）所取代。如图3所示。非线性电阻基于曲线[9]。电感0L和1L的计算使用方程[10]：22(1/)(8/20)1(8/20)(1/)(8/20)2(8/20)1**(7)41**(8)12rTrnrrTrnrVVLVHVVVLVHV其中Vn是避雷器的额定电压，Vr(8/20)是一个8/2010kA雷电流下的残余电压，Vr(1/T2)是一个（1/T2）10kA雷电流下的残余电压。与IEEE模型相比，这种模型的优点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电器相关数据。C．Fernadez-Diaz模型它也是基于IEEE模式。在此模型中，A0和A1被L1分开，而L0被忽略掉（如图四）。避雷器终端增加的C代表避雷器终端之间的容量。这种模式并不需要迭代计算基础，因为所需的数据来自制造商的资料。参数的计算步骤给出了如[11]。使用制造商的数据，考虑I0比I1的比值等于0.02来计算A0和A1的伏安特性。74给出电感如下：'11LnL（9）其中n是一比例因子和'L在[11]中找不到，计算残余电压的增加值的百分比如下：2(1/)(8/20)(8/20)(%)*100rTrresrVVVV(10)其中Vr（8/20）是8/20雷电流下的残余电压，Vr(1/T2)是一个（1/T2）象征性大电流下的残余电压。4仿真结果每种模型的仿真是使用PSCAD软件程序仿真一栏额定电压为20千伏，高度为260毫米的氧化锌避雷器。表一至表三是每个模型的计算参数。三个脉冲电流8/20μs（5kA，10kA，20kA）下每个模型的残余电压波形如图4至六的显示数字4-6。每个模型的仿真结果与制造商的数据相比较（见表四）75相对误差是计算公式：*100%(11)simulationmanufacturermanufacturerVrVreVr其中Vr-simulation是仿真结果的残余电压,Vr-manufacturer是制造商资料所给出的残余电压所有的模拟模型似乎都是有效的，它们以良好的准确性再现制造商数据单提供的残余电压峰值。Pincetti-Giannettoni模型和Fernadez-Diaz模型更为简单，因为他们并不需要避雷器的任何物理特性或迭代程序参数的计算方法。5仿真模型的实际应用氧化物避雷器安装在配电线路或输电线路上，以直接地保护它们或者保护附近的杆塔，并减少故障率。避雷器吸收的能量通过下列公式计算：0()*()(12)ttEutitdt其中：U（t）是避雷器的残余电压（kV）和I（t）是通过避雷器放电电流的值（KA）如果避雷器吸收的能量超过其最高可接受能量的水平，那么他们就会损坏。避雷器损坏的概率见公式[12]：76()()()(13)rLtppttTITPfIdIgTdT其中：()LtIT是即将损坏避雷器的最低临界值，当闪电袭击一相导体，依赖于时间的一半值。f(Ip)是雷电流峰值的概率密度。g(Tt)是时间的一半价值的雷电流的概率密度为了检查每一个避雷器模型在实际应用中的表现，有人计算在额定电压为20kV的配电线路上避雷器的失效概率（图6），每次实施一个模型。假定这些能量承受能力1.2kJ/kVMCOV的避雷器，安装在每一个杆塔每一相上。频率分布和雷击电流的参数基于[13]。雷电电流峰值的持续时间为2μs，因为与时间的一半值比较起来它的影响是微不足道的，从10μs到1000μs各不相同。仿真是通过PSCAD软件程序来实现。避雷器路端电压的波形和流经避雷器并被PSCAD软件模拟的电流的波形，被用来计算避雷器减少的能量，当这个能量超过避雷器的最大能量值时，就会发生故障。在表五中，给出了三个不同的杆塔电阻造成的结果。这三个模型提供了有效的结果，没有大的区别。对于所有的模型以相同的方式，随着接地电阻的增大失效概率会增加。77图7以相同的方式列出了仿真结果。符合IEEE模型的可能性不大，主要是由于位于电压曲线下的面积较大，所以吸收的能量也会更大。这是相对于一个很大失败的可能性的结果。然而，计算结果表明，在闪电性能仿真和失败概率估计下所有的模型都是恰当的，每次将会选择哪个模型取决于可用的数据。6结论在这个文件的审查三个氧化物避雷器的频率取决于模型，它们主要不同在于计算和调整其参数。使用PSCAD计算每种模型的残余电压，采用8/20μs脉冲电流和将仿真结果与制造商的数据进行比较。这三种型号似乎有效的重现了避雷器的残余电压，提出了可接受的错误。该模型还用于而定电压为20kV的配电线路，以便估计避雷器的失效概率。分析表明，所有的模型有一个有效的动态行为，他们可以被用来检查电力装置的雷击情况，这些模型的主要区别在于其中包含的程序参数的计算。本文译自：ChristosA.Christodoulou,FaniA.Assimakopoulou,IoannisF.Gonos,IoannisA.stathopulos.NationalTechnicalUniversityofAthens.SchoolofElectricalandComputerEngineering,HighVoltageLaboratory.IroonPolytechniou9,GR15773,ZografouCampus,Athens,Greece.IEEEXplore.Restrictionsapply.