CN104866658A - 一种vfto作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，包括线性电感(L₁)、非线性电阻(R₁)、线性电阻(R₀)和线性电容(C₀)；其中，线性电感(L₁)和非线性电阻(R₁)组成第一串联支路，线性电阻(R₀)和线性电容(C₀)组成第二串联支路，第一串联支路和第二串联支路组成并联支路，且并联支路的一端低压端，另一端为高压端。当外加电压低于阻抗转折电压U₀时，R₀C₀支路中流过的电流大于R₁L₁支路，MOV对外主要表现容性阻抗特征；当外加电压大于阻抗转折电压U₀时，R₀C₀支路中流过的电流大于R₁L₁支路，MOV对外表现感性阻抗特征。本发明提供的电气等值模型用于VFTO作用下MOV特性的仿真计算。

Description

一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型

技术领域：

本发明属于电力系统GIS电站过电压防护领域，具体涉及一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型。

背景技术：

电力系统GIS(Gas-insulated Metal-enclosed Switchgear)中隔离开关操作会引起频率约为1MHz到100MHz、峰值最大可达2.5p.u.的特快速瞬态过电压(Very Fast transient Over-voltage,VFTO)。高幅值、陡波前的VFTO会威胁GIS内部设备及变压器等设备的绝缘。作为过电压的主要保护设备，金属氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester,MOA)在特快波前瞬态电压(VFTO)作用下的伏安特性和保护特性受到极大关注，它对VFTO电压下设备绝缘配合、避雷器参数选取以及数值仿真分析中的MOA模型均有重大影响。

近年来，国内外专家学者对陡波下MOA的伏安特性及电气模型做了大量的研究。BBC公司搭建了特快波前方波回路，研究了金属氧化物电阻片(Metal Oxide Varistors,MOV)形状对于伏安特性的影响；P.Valsalal对特快波前下MOV残压和放电电流时差和响应特性进行了研究。

基于试验结果，国内外专家学者综合了一定条件下MOV的伏安特性，提出了陡波下MOV的伏安特性模型，限于试验条件，模型适用范围主要集中在一定配方工艺制作的MOV，且电流波头时间在0.5μs～45μs的范围。IEC标准中提出了陡波作用下的一种非线性电阻的建议模型，将避雷器在标准雷电波下伏安特性的残压上浮5％～10％进行等值；IEEE第3.4.11工作组依据多方研究成果并对数据进行细致的提取和归纳，提出了广泛适用于电流波头时间在0.5μs～45μs时的MOV模型，称为IEEE推荐的模型；意大利学者PINCEITI对该模型中参数的确定方法及MOV的等值电容进行了简化，提出了PINCEITI模型；ABB公司(前BBC公司)结合MOV微观结构中ZnO晶粒和晶界的导电过程提出了一个特快波前作用下MOV等值计算模型，但未给出模型中参数的具体确定方法，无法得到具体实用。

综上，对于MOV在陡波冲击下的模型基本适用于电流波头时间在0.5μs～45μs内。由于MOV微观结构的复杂性，使其对外呈现的伏安特性受电阻片配方、工艺、作用电压幅值、波形、能量、温度等多因素影响，相应机理涉及物理、化学等多学科理论。且VFTO冲击电流波头时间在数十纳秒甚至数纳秒内，截至目前，基于我国MOV配方工艺的MOA在特快波前瞬态电压下的伏安特性、响应特性、阻抗特性等的研究还不完善，还无法提出在VFTO特快速瞬态冲击下，适合我国MOV特性的等值计算模型。

发明内容：

本发明的目的在于针对目前对VFTO下MOV特性研究的不足，提供了一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，为GIS变电站VFTO下计算防护提供仿真计算参考模型。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，包括线性电感、非线性电阻、线性电阻和线性电容；其中，线性电感和非线性电阻组成第一串联支路，线性电阻和线性电容组成第二串联支路，第一串联支路和第二串联支路组成并联支路，且并联支路的一端为低压端，另一端为高压端。

本发明进一步的改进在于：并联支路中非线性电阻和线性电容的连接点为低压端，线性电感和线性电阻的连接点为高压端。

本发明进一步的改进在于：线性电感表征放电电流峰值滞后于残余电压，对于紧凑型MOV试验装置，线性电感是MOV的本体电感。

本发明进一步的改进在于：非线性电阻为控制元件，表征在VFTO作用下MOV的V-I特性，为试验获得的VFTO下MOV的伏安特性。

本发明进一步的改进在于：线性电容描述放电电流峰值超前残余电压，是MOV的本体电容。

本发明进一步的改进在于：线性电阻为极化电阻，根据实验的阻抗转折电压和放电电流而求取。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

本发明提供的一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，突破了VFTO作用下无有效可用的金属氧化物避雷器电阻片等值计算模型的局限，给出了VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，并提供了模型中各个参数的具体确定方法，适用范围广泛，为GIS变电站VFTO下计算防护提供仿真计算参考模型。

附图说明：

图1为本发明一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型的电路原理图；

图2为运用本发明电气等值模型仿真得到的MOV电流波形和试验电流波形对比图；

图3为运用本发明电气等值模型仿真得到的MOV电压波形和试验电压波形对比图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，包括线性电感L₁、非线性电阻R₁、线性电阻R₀和线性电容C₀；其中，线性电感L₁和非线性电阻R₁组成第一串联支路，线性电阻R₀和线性电容C₀组成第二串联支路，第一串联支路和第二串联支路组成并联支路，且并联支路的一端低压端，另一端为高压端。优选地，并联支路中非线性电阻R₁和线性电容C₀的连接点为低压端，线性电感L₁和线性电阻R₀的连接点为高压端。

对特快波前作用下的MOV，存在一个阻抗转折电压U₀。当MOV上电压峰值小于U₀时，MOV晶界不完全击穿，电流先于电压到达峰值，MOV呈现出容性阻抗特征；当作用在MOV上的电压峰值为U₀时，MOV晶界逐渐击穿，电流与电压同时到达峰值，MOV呈现阻性阻抗特征。当MOV上电压峰值大于U₀时，MOV晶界完全击穿，电压先于电流到达峰值，MOV呈现出感性阻抗特征。

本发明提供的VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，当外加电压低于阻抗转折电压U₀时，R₀C₀支路中流过的电流大于R₁L₁支路，MOV对外主要表现容性阻抗特征；当外加电压大于阻抗转折电压U₀时，R₀C₀支路中流过的电流大于R₁L₁支路，MOV对外表现感性阻抗特征。

其中，线性电感L₁表征放电电流峰值滞后于残余电压，对于紧凑型MOV试验装置，电感L₁是MOV的本体电感。

非线性电阻R₁为控制元件，表征在VFTO作用下MOV的V-I特性，为试验获得的VFTO下MOV伏安特性，反映了与标准雷电冲击作用下残压上升的规律。

线性电容C₀描述放电电流峰值超前残余电压，是MOV的本体电容，电容值与MOV的配方工艺和电阻片的形状有很大的关系。

线性电阻R₀为极化电阻，对于某一特定工艺及尺寸的MOV，L₁、R₁、C₀三个参数是固定的，R₀可以根据实验的阻抗转折电压和放电电流而求取。

实施例：

根据本发明提出的VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，利用一套可输出20ns特快波前的同轴发生装置及测量系统，可在电阻片上输出波前时间25ns以内、电流峰值为0.5kA～2kA的冲击电流，试验求取了Φ136/54×20(D136)电阻片的相关参数。

试验回路为同轴紧凑型结构，MOV电感L₁和电容C₀根据下式来求取。

$L_1=0.1\×\frac{d}{n}\×{10}^{-6}H$

$C_0=5400\×\frac{n\×s}{d}\×{10}^{-12}F$

式中n为MOV并联柱数，d为MOV电气高度，S为MOV截面积根据。

单个高度为2cm的MOV电感值L₁为6.6nH，电容值C₀为3304pF，非线性电阻R₁满足试验求取得到的下表所示VFTO作用下MOV的V-I特性，阻抗转折电压U₀根据试验结果得到为1.64U_1mA，线性电阻R₀根据阻抗转折电压计算得到为24Ω。

I(A)	0	594.3	852.6	1094.1	1356.6	1600.2	1696.8	1902.6	2280.6
										U(V)	0	4738	6396.3	6973.1	7374.6	7676	7800	7920	8090

采用本发明提供的VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型对电路进行完整的仿真计算，得到了在VFTO陡波冲击下流过该MOV的电流波形和电压波形，并与试验中测量得到的电流波形和电压波形对比，对比结果见图2和图3。

Claims (6)

1.一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，其特征在于：包括线性电感(L₁)、非线性电阻(R₁)、线性电阻(R₀)和线性电容(C₀)；其中，线性电感(L₁)和非线性电阻(R₁)组成第一串联支路，线性电阻(R₀)和线性电容(C₀)组成第二串联支路，第一串联支路和第二串联支路组成并联支路，且并联支路的一端为低压端，另一端为高压端。

2.根据权利要求1所述的一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，其特征在于：并联支路中非线性电阻(R₁)和线性电容(C₀)的连接点为低压端，线性电感(L₁)和线性电阻(R₀)的连接点为高压端。

3.根据权利要求1所述的一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，其特征在于：线性电感(L₁)表征放电电流峰值滞后于残余电压，对于紧凑型MOV试验装置，线性电感(L₁)是MOV的本体电感。

4.根据权利要求1所述的一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，其特征在于：非线性电阻(R₁)为控制元件，表征在VFTO作用下MOV的V-I特性，为试验获得的VFTO下MOV的伏安特性。

5.根据权利要求1所述的一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，其特征在于：线性电容(C₀)描述放电电流峰值超前残余电压，是MOV的本体电容。

6.根据权利要求1所述的一种VFTO作用下金属氧化物避雷器电阻片的电气等值模型，其特征在于：线性电阻(R₀)为极化电阻，根据实验的阻抗转折电压和放电电流而求取。