利用避雷器电阻阀片特性分析过电压_姜聿涵

U = 1067. 71 － 218. 7e
U = 944 + 2. 61 I － 0. 03 I2
式中
I 和 U 分别为流经避雷器电阻阀片的电流和 具体的拟合函数曲线可见图 5 ， 图中原 MOA 伏
YH20WX － 444 /1106 陡波冲击 残压 / kV 1238
电压， 单位为 kA 及 kV。 安特性曲线由黑色点状图形表示， 拟合曲线由红色 虚线表示。 由图可知， 曲线经过多段非线性函数分 段拟合， 效果更接近原函数， 且误差较小， 拟合过程 中所有参数的标准误差值均小于 0． 005 ， 并且在相邻 两分段点 处 采 用 插 值 运 算 使 两 段 的 电 压 值 连 接 紧 密， 避免 出 现 断 点 情 况， 从而使得拟合效果达到 要求。 当流经避雷器的电流小于 5kA 时， 阀片电压 U 与电流 I 呈 指 数 关 系； 当 流 经 避 雷 器 的 电 流 小 于 20kA 时， 阀片电压 U 与电流 I 呈复合指数关系； 而当 流经避雷器的电流小于 40kA 且大于 20kA 时， 阀片 电压 U 与电流 I 呈二次函数关系。 阀片会在不同的 电流作用下呈现不同的响应特性， 是阀片本身晶体 特性决定的， 体现了更优异的非线性特性。 以上是 结合 500 kV 避雷器内部电阻阀片特性分析的结果 。 现已得出 MOA 的伏安特性具体函数， 为了能更 好的推导线路端电压波形的特征， 可利用该函数进 行推导运 算， 从 而 得 出 流 经 避 雷 器 的 电 流 特 征 值。 在一 定 范 围 内 对 线 路 过 电 压 进 行 有 效 的 分 析 与 推导。
电测与仪表 Electrical Measurement ＆ Instrumentation
Vol． 52 No． 15 Aug． 10 ， 2015
路端， 从而获得线路侧过电压信号。 提出了一种利 用相关软件拟合避雷器在不同场强作用下的特性及 与线路侧过电压的推导关系， 并利用反函数分析了 线路侧过电压的波形与参数， 从而为过电压监测提 供一定的方法探究。 1 氧化锌避雷器的特性概述 金属氧化物避雷器具有优异的电气特性 ， 这是 由于金属氧 化 物 电 阻 阀 片 在 避 雷 器 中 起 着 重 要 作 用， 研究表明， 金属氧化物电阻阀片在波头较缓的电 流波作用下能够呈现良好的非线性特性， 但在陡度 很大的冲击电流波的作用下， 电阻阀片不再呈现非 线性特性， 而是与暂态波的频率分量密切相关， 这就 要求对避雷器进行多个方面的分析 。 1． 1 MOA 在小电流作用下的特性 在小电流区域内， 避雷器呈现出明显的非线性 4］中提到了简单的等值电路， 特性， 周龙等在文献［ Ｒ 为非线性电阻， C 为固态电容。 如图 1 所示，
小电流作用下的特点。 但对于冲击波头较短的大电 MOA 的伏安特性并不固定， 流区域， 它随作用电流的 波形不同会产生不同的响应。 1． 2 MOA 在冲击电流下的特性 在大冲击电流作用下， 避雷器电阻阀片具有动 态的伏安特性， 电压具有先上升后下降的趋势。 在 雷电流范围内， 阀片晶界层中 PN 结构存在时延， 电 压峰值要先于电流峰值出现
0
引
言
［1 ］
要作用， 它决定了避雷器 （ MOA ） 的特性。目前， 国内 ， 阻容分压器等外加设备来获 外学者对金属氧化物电阻阀片在不同冲击电流下的 特性研究较多， 并总结出金属氧化物避雷器在波头 较缓的电流波作用下， 非线性特性明显。 但在陡冲 击波作用下， 避雷器动态特性表现不同， 尤其在冲击 波头较陡的情况下， 陡度越大， 残压越高
［3 ］
国内现有的技术 对于电力系统过电压的监测， 有通过高压分压器 取过电压信号 性较差。 金属氧化物电阻阀片 （ MOV ） 在避雷器中起着重
09 ） ； 四川 * 基金项目： 四川省重点学科基金资助项目 （ No． SZD0503省教育厅自然科学基金重点项目 （ No． 10ZA098 ）
［2 ］
［8 ］
， 其中考虑了残压前出现的由回路中的杂散电
感和阀片中的固有电感共同引起的阀片过冲现象 。 但是该模型比较复杂， 参数设置也相对繁琐。 PINCETI 模型［9］在这基础做了进一步改进， 在波 头时间小于 45 μs 的情况下， 等效波形与实验波形误 差不大， 能更好地模拟冲击大电流的陡波特性， 通过
系统额定 避雷器额 持续运 直流参考 电压 / kV 97 电压 / kV 定电压 / kV 行压 / kV 500 雷电冲击 残压 / kV 1106 44 324
{
U = 874. 91 I
0. 057 （ 20. 88 ）
－I
（ 0. 01 ＜ I ＜ 5 ） （ 5 ＜ I ＜ 20 ） （ 20 ＜ I ＜ 40 ） （ 1）
图1 Fig． 1
MOA 的 ＲC 等值电路
此模型可以更好的推导线路端过电压波形。 具体如 图 3 所示。
ＲC equivalent circuit of the MOA
但此电路并未充分考虑到电阻阀片在小电流区 域的极化现象， 其产生的极化电流与作用电压中的 交变分量呈正比趋势。 为了能够具体描述阀片在小 Tominage S. 在文献［ 5］ 电流中的极化电流的特性， 中提出带有极 化 电 阻 Ｒ k 与 极 化 电 容 C k 的 等 效 电 Ｒk Ｒ 非线性 C k 极化支路， 路， 其中包括 C 电容支路， 电阻支路。具体电路如图 2 所示。 2 2． 1 图3 Fig． 3 PINCETI 简化模型 Simplified model of PINCETI
［6 ］
。 当电流波的波前时
间小于 8 μs 时， 金属氧化物电阻阀片的残压会迅速 升高并且有过冲现象， 即冲击电流引起的电压在达 到其冲击残压前会出现一个尖脉冲。 而当电流的波 前时间为小于 180ns 的情况下， 阀片残压过冲上升的 很快， 前沿约小于 30ns
［7 ］
。 因此避雷器的动态伏安
特性在研究线路过电压的过程中起着关键作用 。 IEEE 工作组提出了在陡波冲击电流下的等效电 路
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表1 Tab． 1
型号wk.baidu.com
500 kV 避雷器电阻阀片参数 Parameters of 500 kV MOA
MOA 特性对线路过电压的分析 MOA 在低压场区分析线路过电压 由于不同的避雷器伏安特性不同， 所以本试验
中采用等级为 500 kV 的避雷器为例进行研究分析， 首先在避 雷 器 特 性 参 数 的 基 础 上 绘 制 出 伏 安 曲 线 图， 明确避雷器特性。 进而利用 origin 8． 0 软件对曲 线进行分段非线性拟合， 进一步研究避雷器特性与 图2 考虑电流极化现象的 MOA 等效电路 Consider the current polarization of the MOA equivalent circuit 以上两种电路能在小电流区域起到良好的等效 作用， 伏安特性鲜明， 能够明了直观地分析避雷器在 过电压之间的关系。 2． 1． 1 MOA 伏安特性分析 研究 对 象 选 取 深 圳 某 厂 家 生 产 的 型 号 为 YH20WX444 /1106 ， 等级为 500kV 的避雷器， 其中厂 家给出的避雷器参数如表 1 所示。 Fig． 2
， 通过变压器高压套管末屏串联小
但这种方法在高压系统中安全 电容的方式测电压，
。
本文通过对线路避雷器电阻阀片的特性进行分 析， 阐述了在不同特征的电流作用下， 电阻阀片呈现 的非线性特性并不是唯一的， 通过避雷器电阻阀片 的不同特性测得的过电压参数及波形反推到输电线
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Analysis of the overvoltage based on the character of metal oxide arrester varistor value
Jiang Yuhan1 ，Xie Weicheng1 ，Li Jianming2 ，Dai Yusong1 ，Li Guoyi1 （ 1． Electric Power Information College，Xihua University ，Chengdu 610000 ，China． 2． State Grid Sichuan Electric Power Ｒesearch Institute，Chengdu 610000 ，China） Abstract： With the increased accidents of 500kV overline being attacked by the lighting ，the online monitoring of overvoltage lines has become an important research topic at home and abroad． To analyze the character under different impact current of nonlinear metal oxide varistor value （ MOV） ，and to do the curve fitting of the 500kV metal oxide surge arrestor nonliner characteristic in a small current role ， and derive the relationship between the terminal voltage of MOV and overvoltage online． Utilize ATPEMTP software to simulate equivalent model of metal oxide MOV under surge impact current，we verify the feasibility of the equivalent model． By the methods above ，different characteristics of MOA effecting on the derivation of the overvoltage be analyzed and thus providing the basis for monitoring overvoltage． Keywords： metal oxide surge arrestor ，varistor value，overvoltage ，surge current，ATP，curve fitting
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利用避雷器电阻阀片特性分析过电压
1 1 2 1 1 谢维成 ， 李建明 ， 戴玉松 ， 李国毅 姜聿涵 ，
*
（ 1． 西华大学 电气信息学院， 成都 610000 ； 2． 四川省电力科学研究院， 成都 610000 ） 摘要： 随着 500kV 架空线路遭受雷击事故的不断增加， 对线路上过电压在线监测已成为国内外研究的重要课 题。分析避雷器非线性电阻阀片（ metal oxide varistor，MOV ） 在不同冲击电流下的特性， 通过对 500kV 线路避 雷器在小电流作用下的非线性电阻特性进行曲线拟合 ， 推导金属氧化物避雷器 （ metal oxide arrester，MOA ） 末 EMTP 软件对陡冲击电流作用下的避雷器及等效模型进行仿真 ， 端电压与过电压的关系， 利用 ATP验证了等效 模型的可行性。通过上述方式分析了非线性电阻阀片的不同特性对过电压的推导作用 ， 从而为过电压的监测 提供依据。 关键词： 避雷器； 电阻阀片； 过电压； 冲击电流； ATP； 曲线拟合 中图分类号： TM862 文献标识码： A 1390 （ 2015 ） 15 － 0062 － 05 文章编号： 1001-