高电压技术论文模板

1、利用避雷器电阻阀片特性分析过电压姜聿涵谢维成李建明2,戴玉松李国毅1(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)末端电压与过电压的关系，利用ATP-EMTP软件对陡冲击电流作用下的避雷器及等效模型进行仿

2、真，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文章编号:1001-1390( 2015)00-0000-00Analysis of the over-voltage based on the character of metal oxide arrestervaristor value1 1 2 11Jia ng Yuha n , Xie Weiche ng , Li Jia nming , Dai Yusong , Li

3、Guoyi(1.Electric Power In formation College, Xihua Un iversity, Che ngdu 610000, Chi na. 2.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610000, China )Abstract: With the in creased accide nts of 500kV over-li ne being attacked by the lighti ng, the on-li ne mon itori ng of over-volt

4、age lines has become an importa nt research topic at home and abroad. To an alyze the character un der different impact curre nt of non-I in ear metal oxide varistor value(MOV), and to do the curve fitt ing of the 500kV metal oxide surge arrestor non-liner characteristic in a small current role, and

5、 derive the relationship between the terminal voltage of MOV and over-voltage on li ne. Utilize ATP-EMTP software to simulate equivale nt model of metal oxide MOV un der surge impact curre nt, we verify the feasibility of the equivale nt model. By the methods above, differe nt characteristics of MOA

6、 effecti ng on the derivatio n of the over-voltage be an alyzed and thus providi ng the basis formetal oxide surge arrestor, varistor value, over-voltage, surge curre nt, ATP, curve fitt ingmon itori ng overvoltage.Keywords :0引言对于电力系统过电压的监测，国内现有的技术 有通过高压分压器，阻容分压器等外加设备来获 取过电压信号2，通过变压器高压套管末屏串联小 电容的方式测

7、电压，但这种方法在高压系统中安全 性较差。金属氧化物电阻阀片 (metal oxide varistor, MOV )在 避雷器中起着重要作用， 它决定了避雷器(metal oxide arrester, MOA)的特性。 目前，国内外学者对金属氧*基金项目：四川省重点学科基金资助项目(NO.SZD0503-09)；四川省 教育厅自然科学基金重点项目(No. 10ZA098)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。本文通过对

8、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

9、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 特性，周龙等在文献4中提到了简单的等值电路, 如图1所示，R为非线性电阻，C为固态电容。R图1 MOA的RC等值电路Fig.1 RC equivale nt 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 电流中的极化电流的特性，Tominage. S在文献5中提出带有极化电阻 Rk与极化电容Ck

10、的等效电路， 其中包括C电容支路，Rk-Ck极化支路，R非线性 电阻支路。具体电路如图2所示。RR1 C1 R2 .C2CFig.2 Consider the current polarization of theMOA equivale nt 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 在小电流作用下的特点。但对于冲击波头较短的大 电流区域，MOA的伏安特性并不固定，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

11、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6。当电流波的波前时间小于8ys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30 ns。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

12、小于45宙的情况下，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。L0L1A1A2图3 PINCETI简化模型Fig.3 Simplified model of PINCETI2 MOA特性对线路过电压的分析2.1 MOA在低压场区分析线路过电压图2考虑电流极化现象的 MOA等效电路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

13、与 过电压之间的关系。伏安特性分析研究对象选取深圳某厂家生产的型号为YH20WX-444/1106，等级为500 kV的避雷器，其中厂家给出的避雷器参数如下:表1500 kV避雷器电阻阀片参数Tab.1 Parameters of 500 kV MOA型号系统额定电压/kV避雷器额直流参考电压/ kV定电压/kV持续运行压/ kVYH20WX-444/11065004432497陡波冲击残雷电冲击残操作冲击方波冲击耐大电流压/kV压/kV残压/kV受电流/A击/kA123811069071500300其中避雷器的伏安特性参数如表2所示。表2500 kV避雷器电阻阀片 U-I特性参数Tab .2

14、 U-I character parameters of 500Kv MOA1/kA123581020U/kV 817845866896920945984对以上数据进行整理绘图， 用来表示500kV避 雷器的伏安特性。此曲线是避雷器电阻阀片在低电 场时呈现的非线性特性曲线图。具体曲线如图 4所 示。图4 500kV避雷器伏安特性曲线Fig.4 U-I character curve of 500 kV MOA对MOA进行函数拟合通过图4可以看出，避雷器在低电场区具有稳 定的伏安特性，此伏安特性可以通过数据拟合，得 出相应的函数关系。关于拟合方面的研究，钱鑫等在文献10中具体介绍了分段线性法，此

15、方法计算速度快，数值稳定， 但容易造成拟合点不精确，导致函数拟合误差较大。 此外还有多指数拟合11法，此方法不限制MOA的主要工作区域，但其使用牛顿迭代可能导致结果不 收敛，且迭代速度慢。线性和非线性拟合克服了多 指数算法数值振荡的问题，但增加了工作量。利用origin8.0软件对曲线进行分析并进行数值 拟合，其中结合了分段线性和多指数的方法，采用 了多段非线性函数对曲线进行分段拟合，得出如下 公式：0 057 丄、* U = 874.91 I(0.01 5 )j9U =1067.71 _218.17e .88 (5I 20 )U =944 +2.61 0.0312(20 cl 40)式中I和

16、U分别为流经避雷器电阻阀片的电流和电 压，单位为kA及kV。具体的拟合函数曲线可见图5,图中原 MOA伏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

17、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。示为避雷器末端获取的电压波形图，图8所示是PINCETI模型下的末端冲击电压波形曲线图。1000950,900.850800.201/kA3040图5拟合函数曲线与伏安曲线对比Fig.5 Comparison between fitting c

18、urve and U-Icurve图6线路冲击电压波形IgU =0.057lg I ，1 I 5lg(1067 U )=， 5：l：2020.881005-U0.032=(l -45)2,2 0：l ： 4 0Fig.6 Surge voltage curve of tran smissi on line图7避雷器末端电压波形曲线以上公式为氧化锌电阻片伏安曲线拟合函数的 反函数，其中电流I的单位为kA，电压U的单位为 kV。通过反推公式可以在已知避雷器末端电压的情 况下求出流经避雷器的电流，在1 I : 5kA范围内，线路端电流的对数与避雷器末端电压的对数呈线性 关系；在5 ： I ：20kA

19、范围内，线路电流与避雷器 末端电压的对数呈一定的比例；而在 20 ： I ： 40kA范围内，线路端电流的平方与避雷器 端电压呈系数关系。通过反推公式对避雷器末端电 压进行数据分析与计算得出线路电流的波形与特征 参数，从而获取线路过电压的幅值。2.2 MOA在高电场区分析过电压经过对MOA在冲击电流波下的特性分析可以 得出，此时的 MOA动态伏安特性不唯一，且变得 尤为复杂。但PINCETI模型充分考虑了避雷器在高 电场区的特性，能较好的对避雷器进行等效。利用ATP-EMTP软件分别对冲击电流作用下 的PINCETI模型与避雷器进行仿真，分析比较两种 仿真电压波形的特征，了解避雷器在冲击波下的

20、残 压特性。其中，图6所示是雷电冲击电流对应电压 的仿真波形，将冲击电流峰值设置为200kA，对应冲击雷电压峰值为 18.8MV,时间小于10 ys图7所Fig.7 Terminal voltage curve of MOV图8 PINCETI等效模型末端电压波形曲线Fig.8 Terminal voltage curve of PINCETI equivale ntmode由这三个图形可以推断出，PINCETI模型对避雷器等效结论是成立的。图6中显示线路过电压为3 y s 18.8 MV时，在图7中的避雷器末端测到的 残压约为3 ys 42.5kV，图8中PINCETI等效模型 末端测出的残

21、压为 3ys 50kV，与避雷器末端残压 数值相近，在半波时间与峰值的参数的等效上与避 雷器模型保持一致，对于雷电过电压的波形也能够 较好的响应。所以，PINCETI模型能更好地体现避雷器在冲击电流作用下的暂态特性。PINCETI模型的等效更有利于研究避雷器的在 冲击大电流下的瞬变特性，以此为基础，可以对线 路端过电压进行回归运算。根据文中所提到的等效 电路，建立相应的等值阻抗数值模型，并经过特定 的运算获得线路端过电压信号。3 试验数据分析利用型号为 YH20WX-444/1106，等级为500 kV 的线路避雷器作为研究对象，通过冲击电流发生器 向该避雷器分别施加 1/10 yS口 8/2

22、0 s电流波形下 的幅值为5 kA , 10 kA , 20 kA的冲击电流波。 将测 得的数据利用origin 8.0软件做出电压分布图，得出 的结果如图9所示。通过图9显然可以看出，随着电流冲击波变陡， 阀片的残压也会随之增高，非线性特性也就越差， 在波前时间相同的情况下，电流幅值越高，残压也 就越高12。图9不同电流波形下的电压分布图Fig.9 Distribution diagram of voltage under different curre nt curves同时，在波前时间小于10 ys的冲击电流波作用 下，电阻阀片的残压特性虽然具有多样性，但总体 趋势仍沿一定的关系曲面变化

23、，电阻阀片的残压不 仅与波前时间T有关，而且与冲击电流峰值 Y有关。 根据这一特性，通过曲面拟合可以得出以波前时间T、冲击电流Y为自变量，残压 U为因变量的函数关系。具体公式如下:U =U0 AI BI2 C exp通过拟合可以得出式中参数的具体数值为:U0=8.05, A=0.19, B=0.379, C=1, D=15.35, E=6.49。利用曲面函数关系，可以通过线路端冲击波的 波前时间T或电流峰值Y产生相对应的残压值 U。同样根据曲面的函数定义，在已知残压U的情 况下，能通过逆运算，对应找出波前时间为 T,峰 值为Y的冲击电流波形。4 结束语通过对避雷器不同特性的分析，并做了相关的

24、仿真与拟合，得到了避雷器电阻阀片在低电场区域 具有稳定的非线性伏安特性，利用多段非线性函数 拟合出伏安曲线，并通过电阻阀片的伏安曲线反向 推导，得出线路侧电压的波形。同时，在冲击电流 作用下利用PINCETI模型等效变换，可以得到良好 的冲击响应，可以通过此等效电路经过特定的阻抗 变换，将末端电压反推到线路侧，从而对过电压进 行监测。利用试验结果分析并对数据进行曲面拟合， 可以得到与波前时间T及冲击电流峰值 Y有关的拟合函数，将函数进行逆运算，可以在已知避雷器末 端电压的情况下得到线路侧过电压，为过电压监测 提供了计算及理论性依据。参考文献1 Griscom S. B., Lloyd B. L

25、., Hileman A. R. V oltage divider for measuringimpulse voltages on transmission linesJ. 1954. 73(1). 228-237.2 周凯，张涛，董秀成，等.配电网过电压在线监测的阻容分压器研制J.电气应用,2007, 26(8): 96-99.Zhou Kai, Zhang Tao, Dong Xiucheng, et al. Development of capacitance resistance divider for monitoring overvoltage in power distribu

26、tion network. Electric Application, 2007, 26(8): 96-99.3 Schmidt W, Meppelink J, Richer B, et al.Behavior of MO-surge-arresterblocks to fast transients J. IEEE Trans on PWRD,1989, 4(1): 292-3004 周龙，文远芳.金属氧化物避雷器运行状态监测中的变系数补偿法和阀片性能诊断方法的研究J.电工技术学报，1998,13(6): 2l-24.Zhou Long, Wen Yuanfang, et al. A stu

27、dy on variable coefficient compensation method and performance diagnosis of metal oxide arrester soperating state detectionJ. Transaction of China Electrotechnical Society, 1998, 13(6): 2l-245 Tominage S. et al. Electrical properties of zine oxide elements for surgearrester. IEEE PES Summer Meeting

28、Los Angeles USA 19786 何金良，屠幼萍.氧化锌非线性电阻等效计算模型J.高压电器，1998, 6: 58-54.He Jinliang, Tu Youping. Equivalent calculate model of MOAJ.High V oltage Appartus, 1998, 6: 58-54.7 曹红岩，樊力.利用陡波冲击电流发生器研究避雷器阀片的残压与过冲J.电瓷避雷器，1996, 151(3): 35-39.Cao Hon gya n. Fan Li. A study of valve arrester residual voltage andovershoot with the use of steep wave impulse J. Insualtor and Surge Arresters, 1996, 151(3): 35-398IEEE