基于EMTP的MOA仿真模型分析

摘要：因非線性電阻無(wú)法精準(zhǔn)地模擬金屬氧化物避雷器（MOA），為此基于仿真軟件EMTP對(duì)MOA的IEEE模型和P-G模型進(jìn)行對(duì)比分析。首先構(gòu)造IEEE和P-G兩種模型，然后使用波頭為8/20 μs、峰值為10 kA的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流進(jìn)行仿真沖擊試驗(yàn)，記錄MOA的殘壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后將MOA仿真試驗(yàn)殘壓數(shù)值與實(shí)際殘壓進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種模型的仿真準(zhǔn)確度很高，且P-G模型更為精確。

關(guān)鍵詞：金屬氧化物避雷器（MOA）;EMTP;IEEE模型;P-G模型

0? ? 引言

MOA是配電網(wǎng)非常重要的電氣設(shè)備之一，其由于良好的非線性特性被廣泛用于輸配電網(wǎng)絡(luò)中雷擊過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的抑制。為了更好地研究輸配電網(wǎng)絡(luò)雷電過(guò)電壓特性，精準(zhǔn)地建立避雷器的模型是非常重要的[1]。

避雷器最早的模型是由IEEE工作組在1992年提出的，其主電路由兩個(gè)非線性電阻和兩個(gè)線性的電阻、電容和電感組成，通過(guò)獲取其伏安特性、壓敏電阻厚度和壓敏電阻的個(gè)數(shù)來(lái)構(gòu)造模型[2]。1999年，P. Pinceti等人在IEEE工作組模型的基礎(chǔ)上對(duì)避雷器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，認(rèn)為在0.5～45 μs雷電和操作沖擊波下，電容可以被忽略，用1 MΩ的電阻代替兩個(gè)線性電阻[3]。2000年，F(xiàn)ernandez等人在IEEE的模型上略去一個(gè)電阻和電感，該模型被廣泛用于驗(yàn)證避雷器吸收能量的數(shù)值[4]。因?yàn)檠芯績(jī)?nèi)容的不同，單一的非線性電阻模型也被用于研究中，文獻(xiàn)[5-6]分別通過(guò)仿真和試驗(yàn)的方式，使用8/20 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波、30/60 μs操作波和時(shí)間為1 μs的陡波對(duì)以上4種模型進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分別估算在不同沖擊電流下的殘壓和吸收的能量，從而驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，P-G模型和非線性電阻模型估算MOA吸收的能量準(zhǔn)確，特別是在波頭相對(duì)較緩的8/20 μs和30/60 μs沖擊電流下，兩種模型輸出的電壓波形幾乎相同。為了研究避雷器模型的準(zhǔn)確性，本文通過(guò)EMTP對(duì)IEEE和P-G模型進(jìn)行仿真電流沖擊。

1? ? 仿真模型

1.1? ? IEEE模型

IEEE模型是使用最為廣泛的模型，如圖1所示。

對(duì)于該模型，A0、A1是兩個(gè)非線性電阻，數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。兩個(gè)非線性電阻由R1-L1組成的低通濾波所分離，用于研究殘壓變化。L0是內(nèi)外部磁場(chǎng)的電感，R0是為避免仿真過(guò)程中出現(xiàn)震蕩而引用的電阻，C為外部電容。模型參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：d為避雷器的高度;n為并聯(lián)的壓敏電阻個(gè)數(shù);U8/20為MOA在8/20 μs波形、峰值為10 kA的標(biāo)準(zhǔn)電流沖擊下的殘壓數(shù)值;k為調(diào)整非線性分量的參數(shù)，通常取1.6。

1.2? ? P-G模型

圖2為P-G模型，這是一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，在IEEE模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，去掉了固定電容，R1和R0由大小為1 MΩ的電阻替代，A0、A1兩個(gè)非線性電阻的參數(shù)和性質(zhì)與IEEE模型一樣。

電感L0和L1計(jì)算公式如下：

式中：Un為MOA的額定電壓;U為MOA在波形為1/T2、峰值為10 kA的電流沖擊下的殘壓數(shù)值。

2? ? 仿真模型的搭建

在電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP上分別搭建上述MOA的兩種模型，MOA型號(hào)為YH5WS-17/50，避雷器的壓敏電阻片長(zhǎng)度為190 mm，壓敏電阻片個(gè)數(shù)為5，通過(guò)公式（1）～（6）計(jì)算得出IEEE模型的參數(shù)如表1所示，通過(guò)公式（7）～（8）計(jì)算得出P-G模型的參數(shù)如表2所示。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用波頭為8/20 μs、峰值大小為10 kA的雷電沖擊波形對(duì)MOA進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，雷電沖擊波為雙指數(shù)Heidler模型，分別測(cè)量?jī)煞N不同的模型殘壓數(shù)值，得出其波形圖如圖3所示。

通過(guò)對(duì)比可以看出，IEEE模型和P-G模型殘壓數(shù)值均有效，仿真結(jié)果準(zhǔn)確。IEEE模型其最大殘壓數(shù)值為50.1 kV，P-G模型為51.3 kV。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)，YH5WS-17/50型號(hào)的MOA在雷電沖擊電流下最大殘壓數(shù)值為51.8 kV。

綜上所述，兩種模型的仿真結(jié)果較好，誤差小。相比較IEEE模型，P-G模型的最大殘壓值更接近實(shí)際數(shù)據(jù)，更為精確。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)搭建MOA的兩種模型，經(jīng)雷電沖擊仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，IEEE和P-G兩種模型仿真結(jié)果皆準(zhǔn)確，其中P-G模型更為精確，且模型簡(jiǎn)易，參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單，更適用于仿真實(shí)驗(yàn)和分析。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 姚亞鵬，鄔雄，熊易，等.金屬氧化物避雷器仿真模型適用性研究[J].電瓷避雷器，2018（4）：138-143.

[2] JONES R A，CLIFTON P R，GROTZ G，et al.Modeling of metal oxide surge arresters[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（1）：302-309.

[3] PINCETI P，GIANNETTONI M.A simplified model for zinc oxide surge arresters[J].IEEE transactions on power delivery，1999，14（2）：393-398.

[4] FERNANDEZ F，DIAZ R.Metal oxide surge arrester model for fast transient simulations[C]//The International Conference on Power System Transients IPAT，2001：1.

[5] 何雨微，司文榮，魏本剛，等.考慮吸收能量估算的金屬氧化物避雷器模型準(zhǔn)確性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（10）：3019-3027.

[6] 王榮珠，張?jiān)品澹悇t煌，等.基于ATP-EMTP仿真軟件的MOV仿真模型的分析[J].電瓷避雷器，2014（5）：66-70.

收稿日期：2020-08-25

作者簡(jiǎn)介：徐浩（1994—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，研究方向：電氣設(shè)備故障診斷。