基于Simulink的沖擊電壓放電試驗仿真系統

楊玲，王智東，鄧豐強，梁梅，董笑

（華南理工大學，廣州 510641）

引言

電氣設備在電力系統運行中除承受正常運行的工頻電壓外，還可能受到暫時過電壓及雷電過電壓的襲擊。雷電能造成極高的電壓，因此對高壓電力設備絕緣將造成很大的影響，是電力系統造成事故的重要因素，因此，雷電沖擊試驗是模擬發生在電力系統中的雷電波的電壓波形而進行的試驗，其主要目的是考核設備的絕緣強度。

試驗室中對高壓電氣設備的絕緣檢測是利用沖擊電壓發生器產生沖擊電壓以模擬雷閃放電引起的過電壓進行的。沖擊電壓發生器是一種產生脈沖波的高電壓發生裝置，它被用于研究電力設備遭受大氣過電壓（雷電）時的絕緣性能。沖擊電壓的破壞作用不僅決定于波形、幅值、還與波形陡度有關。目前國內沖擊電壓發生器能產生8種沖擊波形[1-6]。

為使所得結果可以互相比較，需規定沖擊電壓的標準波形。國家規定的雷電沖擊電壓標準波形參數主要有：峰值允許偏差、波前時間、半峰時間以及沖擊電壓的極性。以變壓器為例，我國現行標準對變壓器的雷電沖擊試驗波形有嚴格規定，要求波前時間為1.2 μs，允許偏差±30 %；波峰處的過沖或震蕩不得大于峰值的5 %；波尾時間為50 μs，允許偏差±20 %；由于試品電感的存在，一般無法取得單極性標準全波電壓，在波尾部分會有過零震蕩，此時要求震蕩反峰值不超過施加電壓幅值的50 %[7-10]。基于以上對波形嚴格的規定，以及設備的復雜性，標準波形的獲得不僅需要參數計算，還需要通過進行大量的沖擊試驗來獲取，在做試驗的過程中需要對設備參數進行調整，耗費了大量的時間。

目前，單純依靠常規的沖擊電壓放電試驗設備進行絕緣檢測存在調試設備參數難、試驗次數多、時間長、效率低等弊端。為了節約獲取雷電沖擊標準波形的過程時間，本論文研究了一種虛擬仿真試驗系統，該系統主要對沖擊電壓發生器等設備進行建模。

隨著當前計算機技術和虛擬仿真技術的迅速發展，虛擬試驗已被逐漸地引入到試驗測試中。在試驗測試研究中，將虛擬試驗與傳統試驗相結合，使兩者相輔相成，可以有效地提高測試質量與測試效果。

本文采用了Matlab的GUI功能和Simulink結合制作交互界面的方法，設計沖擊電壓放電試驗仿真試驗系統。通過模仿各種擊穿耐壓及沖擊試驗，得出波形與數據，用以與現實高壓設備數據做比較得出結論。試驗測試人員在調整設備參數進行試品測試前，可以利用電腦實現試驗的仿真，根據試品的耐壓水平與測試要求設置仿真試驗系統中各元件參數，通過仿真得到了測試需要的標準雷電波形后再進行常規試驗設備的搭建與調節。

對于高電壓設備來說，虛擬試驗場景的建模研究是非常有意義的，虛擬場景是根據后臺仿真場景的運行情況，被實時渲染出來的虛擬場景，試驗測試人員可以在該虛擬場景中設計試驗，搭建試驗平臺，輸入試驗數據進行試驗與研究，可大大的緩解試驗測試人員直接利用高壓設備做試驗時的緊張心理，同時可以設計試驗平臺參數范圍以外的試驗研究，為雷電沖擊放電測試試驗提供了一種新的方法，大大節約了試驗測試時間，提高了試驗測試的效率與效果。

1 沖擊電壓放電試驗原理

目前，雷電沖擊放電試驗平臺主要由試驗變壓器、整流硅堆、充電電阻、放電球隙、充電電容、波頭電阻、波尾電阻等元器件組成。搭建試驗平臺所用的元器件較多，搭建過程較復雜，搭建完成后需要做進一步的試驗以得到適用于被測試設備的標準雷電波形。在此過程中安全要求高，數據要求精確無誤，這給測試人員提出了較高的要求。

沖擊電壓發生器接線圖如圖1所示。

圖1 沖擊電壓發生器原理接線圖

圖中D1為整流硅堆，作用是將交流電整流為直流電，以模擬直流雷電沖擊的效果，G1、C1、R0，G2、C2、R0……為各級的放電球隙、充點電容和充電電阻，Rf、Rt、Cd1、Cd2為波頭電阻、波尾電阻和電容分壓器，構成了放電回路。

其中，放電球隙的距離決定了調壓設備的升壓范圍，球隙距離太大會導致升壓至變壓器額定參數后球隙仍然無法擊穿，而球隙距離太小又會導致還未升壓到規定的數值時球隙就自動擊穿了。因此球隙太大或太小都不能進行正常的測試。根據不同設備絕緣水平的測試要求，確定雷電沖擊電壓波形的峰值，而測試平臺的雷電沖擊電壓波形的峰值由級數決定，因此在確定級數后，確定了變壓器的電壓水平，再以此確定球隙距離。當球隙距離小于球直徑的四分之一時，該球隙形成的空氣場可以看做是均勻電場，而超過此距離后，球隙距離越大，形成的電場越不均勻。其擊穿電壓的數值也都不同。因此，放電球隙距離的大小也是影響雷電沖擊放電試驗最終結果的一個重要因素。

除此以外，波前時間和波尾時間由波頭電阻和波尾電阻決定。即對于額定電壓與運行條件不同的各類設備做雷電沖擊電壓放電試驗時，需要根據其試驗要求對以上元器件進行計算并進行多次的調整測試。

2 總體系統結構

本文總體設計利用Simulink加以仿真實現，對于雷電沖擊電壓放電試驗，難以通過經驗公式表達，所以在Simulink中搭建了放電過程的等效電路模型，通過Matlab GUI將參數傳輸到Simulink中，仿真后將波形和幅值信息重新反饋到GUI界面。總體設計結構圖如圖2所示。測試人員利用仿真軟件試驗平臺對各元器件參數進行設置，運行得出數據結果與沖擊電壓波形，經過反復的參數計算、調整校正試驗，得出標準的沖擊電壓波形，并以此為依據搭建設備平臺用于試驗測試。

圖2 總體設計結構圖

其中，放電過程的等效電路仿真模型如圖3所示，其中，Rf，Rd為等效的波頭、波尾電阻，C1、Rt為等效的充電電容和充電電阻。

圖3 放電過程等效電路仿真模型

放電球隙距離所對應的擊穿電壓是通過程序計算得到。對于均勻電場氣體間隙工頻放電試驗，相對簡單，我們通過搜集資料和現場試驗，得到了均勻電場空氣擊穿的經驗公式為：

式中：

Ub—對應該間隙長度的擊穿電壓，單位為kV；

d—間隙長度，單位為cm；

而對于不均勻電場氣體間隙工頻放電試驗，理論很多，目前較為廣泛接受的是流注理論，但是對于短間隙放電的研究還不完善，計算公式也非常復雜。為了實現符合我們的設備的仿真功能，我們結合搜集到的資料，進行了多次現場試驗，得到多組試驗數據，進行修正后，通過對數擬合的方法，得到了標準大氣條件下擊穿電壓的擬合函數：

式中：

U0—標準大氣條件下不均勻電場氣隙的擊穿電壓，單位為kV；

d—氣隙長度，單位為cm。

所以任一大氣條件下的擊穿電壓由以下公式得到：

Ub=δU0（3）

式中：

Ub—任一大氣條件下的擊穿電壓，單位為kV；

空氣密度校正系數δ的定義與均勻電場相同。

通過對電路各模塊參數進行反復的設置調整，運行并得出相應的波形及數據來確定試驗平臺各元器件合理的試驗參數，并以確定后的參數作為依據對高壓設備進行相應的調整后進行測試。

3 具體實現與應用

在完成對上述放電過程等效電路仿真模型中各元件模塊的參數設置后，調節電壓，進行沖擊電壓放電，記錄其波形和電壓幅值等數據，具體實現如圖4所示 。

圖4 仿真程序圖

在調整設備仿真模型參數后，沖擊電壓的放電試驗仿真界面如圖5所示。

圖5 試驗仿真界面

輸入試驗所加電壓U，點擊數值框輸入數值或是用鼠標拖動電壓滾動條可改變所加電壓，點擊“仿真”選項，即可獲得最大沖擊電壓幅值和在曲線框圖顯示該電壓下產生的沖擊電壓的波形圖。

調整放電過程的等效電路仿真模型參數，使其相當于發生器本體2級的數值，負荷電容為電容分壓器1 000 pF，設置輸入電壓數值為25 kV、50 kV、80 kV、100 kV，得到數據如表1所示。

表1 沖擊電壓放電試驗仿真結果

將仿真試驗中的各組試驗參數在實物設備上進行調節并驗證，結果顯示電壓峰值、波頭時間、波尾時間與仿真試驗的數據結果的誤差不超過5 %。以此，證明了本論文研究的基于Simulink的沖擊電壓放電試驗仿真系統的試驗數據及結果對實際設備的試驗測試具有指導意義。

4 結語

針對利用雷電沖擊電壓放電試驗對電力設備絕緣水平進行檢測時，參數計算與設備調整工作量大，檢測時間長，效率低等問題，本論文研究了一種基于Simulink的沖擊電壓放電試驗仿真系統，即在Simulink中搭建了放電過程的等效電路模型，測試人員通過Matlab GUI將試驗參數傳輸到Simulink中，進行仿真后將波形和幅值信息重新反饋到GUI界面。測試人員將仿真后的數據波形作為依據搭建試驗平臺進行測試。通過具體的實現與應用，該沖擊電壓放電試驗仿真系統能夠通過仿真的方法計算合理的試驗參數，運行得出理想的試驗結果，再以此作為依據在測試平臺上進行試驗，可大幅度縮短試驗時間，提高測試效率。