CN111781451B - 一种ZnO电阻片吸收能量等效分析方法、装置及介质 - Google Patents

Abstract

一种ZnO电阻片吸收能量等效分析方法、装置及介质，首先通过冲击电流试验得到ZnO电阻片动态伏安特性，将电流‑电压最大值点连线绘制成静态伏安特性曲线；对静态曲线进行拟合得到特性公式，在给定的电压或者电流波形下可以计算得到电阻片吸收能量；随着电流波形波头时间增加，通过静态伏安特性曲线进行吸收能量模拟计算与实际波形的等效性越好。本发明首次提出基于静态伏安特性曲线拟合的电阻片吸收能量计算方法，适用于多柱并联避雷器组吸收能量分布特性的研究；特高压电力系统中，避雷器所面临吸收巨大能量的严峻工况为开关操作或故障，其波形波头时间都相对较长，此计算方法的等效性较好。

Description

一种ZnO电阻片吸收能量等效分析方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及ZnO电阻片试验领域，具体涉及一种ZnO电阻片吸收能量等效分析方法、装置及介质。

背景技术

ZnO压敏电阻由于具有良好的非线性伏安特性，用于电力系统各种场合的过电压抑制。随着我国特高压快速发展，尤其是在直流输电工程换流站中绝缘配合复杂，避雷器应用种类多，也随之出现了较多故障。经分析研究，在避雷器限制过电压耐受能量的过程中，主要原因之一是受电阻片伏安特性偏差的影响，在大能量耐受时部分电阻片老化较快、率先损坏形成雪崩效应，导致避雷器击穿、系统接地闭锁。

为解决在高电压等级电力系统中避雷器组故障问题，避雷器组整体可靠性亟需进一步开展研究。目前关于电阻片动态特性及机理分析、等效电路、冲击特性等方面的研究已较为成熟。在针对避雷器组中各电阻片能量分布及老化特性的研究中，电阻片耐受能量计算方法及其等效性是一个重要环节。

为计算电阻片吸收的能量，可通过试验测量波形计算、等值电路模型计算以及静态伏安特性曲线计算的方法。在避雷器试验中，不可能直接测量得到每一片电阻片上的电流及电压波形，只能通过对电阻片伏安特性的分析，通过等效计算的方式模拟避雷器组中各个电阻片在经受过电压时的耐受能量分布，进而计算其局部老化趋势的快慢。

有关电阻片等值电路模型，现有研究主要包括非线性模型、IEEE模型、Pinceti模型和Fernandez模型，这几种等值电路在仿真模拟1μs波头电流、8/20μs电流、30/60μs电流时及元件参数计算方面各有优势。对这几种模型得到的波形进行吸收能量计算结果显示，针对上述三种不同波形的电流模拟计算中，计算得到的吸收能量误差有大有小。在1μs波头电流下，非线性模型计算得到吸收能量的误差不超过2％，但其他模型计算得到的误差普遍超过10％，最大到40％。可以看出通过等值电路进行计算没有一个通用的模型可以使电阻片吸收能量计算误差较小。并且这种方法需要针对每片电阻片进行参数确定并通过仿真得到波形，在大规模并联避雷器组中难以实现。

发明内容

本发明提出的一种ZnO电阻片吸收能量等效分析方法、装置和介质，可解决现有的相关计算方法，计算得到的吸收能量误差较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种ZnO电阻片吸收能量等效分析方法，包括：

S100、通过冲击试验回路进行ZnO电阻片冲击电流试验，得到实际电流、电压波形；

S200、对每一次冲击试验的电压、电流波形取最大值点，得到静态伏安特性；

S300、通过曲线拟合的方法得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

S400、根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

S500、对比获得特性方程计算电阻片吸收能量的等效性。

进一步的，所述S300、通过曲线拟合的方法的得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

具体包括：

对之前测量的电阻片静态伏安特性曲线进行拟合，使用MATLAB的curve fitting工具箱power2指数函数U＝A*I^B+C，

其中，U是电阻片电压，I是电阻片电流，A、B、C为系数。

进一步的，所述S400、根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

其中，电阻片能量吸收公式为：

W＝∫U(t)×I(t)dt

计算可获得吸收能量的时域波形；

其中，W为电阻片能量。

另一方面本发明还公开一种ZnO电阻片吸收能量等效分析装置，包括以下单元：

静态伏安特性方程确定单元，用于通过曲线拟合的方法的得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

电阻片实际吸收能量计算单元，用于根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

电阻片吸收能量分析单元，用于对比获得特性方程计算电阻片吸收能量的等效性。

同时本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

由上可知，本发明可在电阻片经受冲击电流流过时，时域波形图中电流波形幅值滞后于电压波形，在电压-电流波形关系图中可以观察到动态回滞特性，且这种现象随着波头时间的减小更加明显。

基于双肖特基势垒的ZnO电阻非线性导电机理可以对此现象做出解释，在外施电压较低时，流过电阻片电流主要为热刺激电流，当外施电压达到临界电压值后，隧道电流开始增长并成为主导，此时电阻片将呈现低阻值状态。基于“空穴诱导隧道击穿”理论，隧道电流的发展相对于电压上升速率较慢，因此产生了电流滞后现象。

选取电阻片进行冲击电流试验，设置试验电路，测量电阻片在不同电流幅值时的动态特性。将不同充电电压下的电流-电压波形最大值定点连线，即是该电阻片在该波形下的静态伏安特性，同时，由于电阻片伏安特性的分散性，不同电阻片绘制成的静态伏安特性同样具有分散性；

使用MATLAB的curve fitting工具箱power2指数函数U＝A*I^B+C。通过拟合函数可由实际电压波形计算获得拟合电流波形，通过电阻片能量吸收公式W＝∫U(t)×I(t)dt计算可获得吸收能量的时域波形。

本发明的ZnO电阻片吸收能量等效分析方法，可在无法获取电阻片实际波形时通过该方法可以计算电阻片吸收能量。本发明首先通过冲击电流试验得到ZnO电阻片动态伏安特性，将电流-电压最大值点连线绘制成静态伏安特性曲线；对静态曲线进行拟合得到特性公式，在给定的电压或者电流波形下可以计算得到电阻片吸收能量；随着电流波形波头时间增加，通过静态伏安特性曲线进行吸收能量模拟计算与实际波形的等效性越好。本发明提供的计算方法可以为避雷器组吸收能量分布、寿命预测及可靠性分析等方面的研究提供参考，有必要的研究价值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、首次提出基于静态伏安特性曲线拟合的电阻片吸收能量计算方法，适用于多柱并联避雷器组吸收能量分布特性的研究。

2、特高压电力系统中，避雷器所面临吸收巨大能量的严峻工况为开关操作或故障，其波形波头时间都相对较长，此计算方法的等效性较好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2本发明实施例冲击电流试验电路原理图；

图3分别为本发明实施例的4/10μs、8/20μs、30/60μs实验波形；

图4为不同电流波形时静态伏安特性曲线；

图5是100片电阻片静态伏安特性曲线；

图6是指数函数拟合曲线；

图7分别为本发明实施例的4/10μs、8/20μs、30/60μs拟合计算电流及吸收能量波形。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的ZnO电阻片吸收能量等效分析方法，包括：

包括以下步骤：

S100、通过冲击试验回路进行ZnO电阻片冲击电流试验，得到实际电流、电压波形；

S200、对每一次冲击试验的电压、电流波形取最大值点，得到静态伏安特性；

S300、通过曲线拟合的方法的得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

S400、根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

S500、对比获得特性方程计算电阻片吸收能量的等效性。

上述步骤可解释为：

由于在电阻片经受冲击电流流过时，时域波形图中电流波形幅值滞后于电压波形，在电压-电流波形关系图中可以观察到动态回滞特性，且这种现象随着波头时间的减小更加明显。

基于双肖特基势垒的ZnO电阻非线性导电机理可以对此现象做出解释，在外施电压较低时，流过电阻片电流主要为热刺激电流，当外施电压达到临界电压值后，隧道电流开始增长并成为主导，此时电阻片将呈现低阻值状态。基于“空穴诱导隧道击穿”理论，隧道电流的发展相对于电压上升速率较慢，因此产生了电流滞后现象。

选取电阻片进行冲击电流试验，试验电路如图2，测量电阻片在不同电流幅值时的动态特性。将不同充电电压下的电流-电压波形最大值定点连线，即是该电阻片在该波形下的静态伏安特性，同时，由于电阻片伏安特性的分散性，不同电阻片绘制成的静态伏安特性同样具有分散性；

使用MATLAB的curve fitting工具箱power2指数函数U＝A*I^B+C。通过拟合函数可由实际电压波形计算获得拟合电流波形，通过电阻片能量吸收公式W＝∫U(t)×I(t)dt计算可获得吸收能量的时域波形。

以下举例说明：

实验电路图2所示，图中充电回路包括变压器T、整流硅堆D及保护电阻R0；放电回路包括大容量电容器C、放电间隙G、回路电阻R、回路电感L和负载F；测量系统主要包括分流器S、分压器PD和示波器CRO。通过调节电容器充电电压U0可改变放电时的能量；试验回路可产生4/10μs、8/20μs、30/60μs等波形的冲击电流；

选取直径52mm，高度26mm的电阻片进行冲击电流试验，试验电路如图2，图3为分别在4/10μs、8/20μs、30/60μs三种电流波形下测量电阻片在不同电流幅值时的动态特性，具体为电压-电流时域波形，电压-电流波形，静态伏安特性曲线。将不同充电电压下的电流-电压波形最大值定点连线，即是该电阻片在该波形下的静态伏安特性；

图3(a)中在电流下降接近零时，电压仍保持在一定值，这是由于放电间隙动作产生放电后未及时收回，放电后充电电容器上仍保持了一定的残压。图中振荡的波形是由于在电流发展的初始阶段由于球隙击穿放电产生的振荡，振荡存在时间较短，不影响后续波形，且只存在于陡波波形中，这是由于此时回路阻尼较小。在长波头时间的放电回路中，阻尼较大，放电初始产生的振荡会有很大程度的衰减。

可以看出在冲击电流作用下，存在电流波形滞后电压波形的现象，这是由ZnO电阻片材料中晶界层特性导致的，晶界层非线性特性中，电压上升过程中上升速率较快，隧道击穿发展电流上升的过程比这个时间长，因此电流幅值滞后于电压，下降过程中不存在这种滞后现象。因此动态特性是不重合的。

如图4所示，在动态伏安特性图中，可以看出不同波头时间下，波头时间越短，波形上升部分与下降部分差距越大，而不同波形的下降部分接近重合，因此在绘制静态伏安特性时，会出现由波头时间较短的波形绘制的曲线偏上。

同时，由于电阻片伏安特性的分散性，不同电阻片绘制成的静态伏安特性同样具有分散性，如图5所示，图5为100片电阻片静态伏安特性曲线；

对应于不同的参考电压值，参考电压越高，说明在相同电流流过该电阻片时压降越大，对应的静态伏安特性就具有近似平行的特性。

对电阻片静态伏安特性进行拟合，拟合函数有多种选择：

(1)指数函数拟合

首先对之前测量的电阻片静态伏安特性曲线进行拟合，使用MATLAB的curvefitting工具箱power2指数函数U＝A*I^B+C，伏安特性如表所示，

4/10μs波形静态伏安特性

拟合结果如图6所示，

拟合系数：A＝343.7、B＝0.2601、C＝5161；相关性Adjusted R-square＝0.9946。拟合函数表达式为：

通过拟合函数可由实际电压波形计算获得拟合电流波形，通过电阻片能量吸收公式W＝∫U(t)×I(t)dt计算可获得吸收能量的时域波形。

如图7所示：

拟合4/10μs波形计算得到电阻片最后吸收能量5409.6J，通过实际测量波形计算得到电阻片吸收能量6306.8J。误差为14.2％。

拟合8/20μs波形计算得到电阻片最后吸收能量3008.5J，通过实际测量波形计算得到电阻片吸收能量3195.4J。误差为5.85％。

拟合30/60μs波形计算得到电阻片最后吸收能量877.2J，通过实际测量波形计算得到电阻片吸收能量887.5J。误差为1.16％。

根据计算结果可以看出波头时间越长，动态伏安特性越集中时，静态伏安特性曲线能量的计算就越准确。

由上述技术方案可知，本发明实施例的ZnO电阻片吸收能量等效分析方法，可在无法获取电阻片实际波形时通过该方法可以计算电阻片吸收能量。本发明首先通过冲击电流试验得到ZnO电阻片动态伏安特性，将电流-电压最大值点连线绘制成静态伏安特性曲线；对静态曲线进行拟合得到特性公式，在给定的电压或者电流波形下可以计算得到电阻片吸收能量；随着电流波形波头时间增加，通过静态伏安特性曲线进行吸收能量模拟计算与实际波形的等效性越好。本发明提供的计算方法可以为避雷器组吸收能量分布、寿命预测及可靠性分析等方面的研究提供参考，有必要的研究价值。

另一方面本发明还公开一种ZnO电阻片吸收能量等效分析装置，包括以下单元：

静态伏安特性方程确定单元，用于通过曲线拟合的方法的得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

电阻片实际吸收能量计算单元，用于根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

电阻片吸收能量分析单元，用于对比获得特性方程计算电阻片吸收能量的等效性。

同时本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种ZnO电阻片吸收能量等效分析方法，其特征在于：

包括以下步骤：

S100、通过冲击试验回路进行ZnO电阻片冲击电流试验，得到实际电流、电压波形；

S200、对每一次冲击试验的电压、电流波形取最大值点，得到静态伏安特性；

S300、通过曲线拟合的方法得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

S400、根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

S500、对比获得特性方程计算电阻片吸收能量的等效性。

2.根据权利要求1所述的ZnO电阻片吸收能量等效分析方法，其特征在于：所述S300、通过曲线拟合的方法得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

具体包括：

对之前测量的电阻片静态伏安特性曲线进行拟合，使用MATLAB的curve fitting工具箱power2指数函数U＝A*I^B+C，

其中，U是电阻片电压，I是电阻片电流，A、B、C为系数。

3.根据权利要求2所述的ZnO电阻片吸收能量等效分析方法，其特征在于：所述S400、根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

其中，电阻片能量吸收公式为：

W＝∫U(t)×I(t)dt

计算可获得吸收能量的时域波形；

其中，W为电阻片能量。

4.一种ZnO电阻片吸收能量等效分析装置，其特征在于：

包括以下单元：

静态伏安特性方程确定单元，用于通过曲线拟合的方法得到电阻片在不同波形电流时的静态伏安特性方程；

电阻片实际吸收能量计算单元，用于根据方程计算电阻片吸收能量，根据实验波形计算电阻片实际吸收能量；

电阻片吸收能量分析单元，用于对比获得特性方程计算电阻片吸收能量的等效性。

5.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述方法的步骤。

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