磁環(huán)在并聯(lián)型兩級壓敏電阻中的應(yīng)用

劉曉康，張雨奇，嵇建飛，馬振國，張衛(wèi)東

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司,江蘇 常州 213003; 2.國網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司,江西 南昌 330069; 3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 210000; 4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

0 引言

換流站二次系統(tǒng)的更新迭代將許多新技術(shù)、新設(shè)備引入實(shí)際工程建設(shè)中。同時(shí)，換流站內(nèi)復(fù)雜、惡劣的電磁環(huán)境對現(xiàn)有二次傳導(dǎo)抗干擾措施的有效性提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。2015年，某特高壓換流站因雷擊造成直流分壓器二次測量部分失效[1]。2017年，某特高壓換流站因交流濾波器場開關(guān)故障導(dǎo)致保護(hù)小室內(nèi)多塊二次板卡損壞[2]。追溯事故原因，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的傳導(dǎo)抗干擾措施存在缺陷。浪涌保護(hù)器應(yīng)用于工程之后，對傳導(dǎo)干擾的防護(hù)效果未能符合預(yù)期。由此可見，浪涌保護(hù)器在現(xiàn)場應(yīng)用中的有效性需結(jié)合工程實(shí)際情況。同時(shí)，針對多級配合的浪涌保護(hù)器防護(hù)設(shè)計(jì)還需全面考慮各元件之間的電氣參數(shù)，以及級間退耦阻抗的選取方法[3]。

磁環(huán)是電子電路中常用的抗干擾元件，對于瞬態(tài)電壓有很好的抑制作用。磁環(huán)在電路正常工作時(shí)，等效阻抗接近于零，對正常工作信號無影響；當(dāng)高頻瞬態(tài)騷擾入侵時(shí)，磁環(huán)等效阻抗增大，將損耗騷擾信號能量、抑制瞬態(tài)電壓[4]。武超飛在研究磁環(huán)應(yīng)用于二次電纜的騷擾抑制效果時(shí)，比較了磁環(huán)材料、磁環(huán)數(shù)量以及不同類型磁環(huán)組合方式對瞬態(tài)磁導(dǎo)騷擾抑制效果的影響[5]。

金屬氧化物電阻器(metal oxide varistor， MOV)應(yīng)用于浪涌保護(hù)時(shí)多為壓敏電阻，其伏安特性表現(xiàn)為非線性[6]。當(dāng)瞬態(tài)電壓入侵時(shí)，壓敏電阻的阻值迅速減小，支路電流增大，泄放浪涌能量，從而對后級電路起保護(hù)作用[7]。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，由于騷擾波形和前后端接的特性存在差異，兩級壓敏電阻不一定按預(yù)期的次序?qū)?。其后果是原有的防護(hù)設(shè)計(jì)功能無法實(shí)現(xiàn)[8-9]。

研究結(jié)果表明，并聯(lián)型兩級MOV在使用過程中漸漸配合失效的成因多是退耦元件自身老化所引發(fā)的電氣性能下降[10]。而分析并聯(lián)型兩級MOV的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)可知，電感和電阻是常見的退耦元件。因此，為更好地抑制二次傳導(dǎo)騷擾、提高退耦元件在使用過程中的可靠性，本文研究將磁環(huán)作為退耦元件應(yīng)用在兩級壓敏電阻之間的可行性。

1 并聯(lián)型兩級MOV配合機(jī)理及仿真分析

并聯(lián)型兩級MOV是將兩個(gè)具有不同電氣參數(shù)的壓敏電阻在電路設(shè)計(jì)上形成并聯(lián)回路，以提高前級壓敏電阻的導(dǎo)通泄流、降低后級壓敏電阻的動作殘壓。在整體設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮壓敏電阻元件自身動作特性的差異，針對不同的前后端接應(yīng)用環(huán)境合理選擇兩級壓敏電阻的電氣參數(shù)，從而滿足保護(hù)特性的需求，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)型兩級MOV的有效配合。

并聯(lián)型兩級MOV配合保護(hù)電路如圖1所示。

圖1 并聯(lián)型兩級MOV配合保護(hù)電路

圖1中:Ig為模擬瞬態(tài)騷擾的發(fā)生器，輸出的電流波形為斜角波；前級壓敏電阻MOV1和后級壓敏電阻MOV2的阻抗為Z1、Z2；負(fù)荷阻抗為Z；兩級壓敏電阻之間的線路電纜長度為l，每單位長度Δl的電纜對應(yīng)電感為L0。

對于斜角波電流Ig，有:

Ig=αt

(1)

式中:α為浪涌陡度；t為電流持續(xù)時(shí)間。

為求解電路各支路分流，利用拉普拉斯變換，可得:

(2)

式中:I1為MOV1上流過的電流。

將所得的結(jié)果從復(fù)數(shù)域變換到時(shí)域,可得:

(3)

式中:ΔU為線路壓降。

由式(3)可知，在斜角波電流浪涌作用下，兩級壓敏電阻之間的線路壓降和浪涌電流的陡度、電纜電感參數(shù)(單位電感一定條件下，即電纜長度)兩者密切相關(guān)，隨之同比例增大?？紤]到不同類型的傳導(dǎo)騷擾浪涌陡度相差較大，當(dāng)浪涌陡度和級間阻抗同時(shí)較小時(shí)，線路壓降將不滿足并聯(lián)型兩級MOV正常配合的條件，前后級壓敏電阻在導(dǎo)通次序和能量分配上與預(yù)期出現(xiàn)差異；而考慮正常工況條件下工作電壓信號的傳輸問題，又不宜將級間阻抗設(shè)計(jì)過大，否則會使電路在日常運(yùn)行中產(chǎn)生過多損耗。因此，為實(shí)現(xiàn)兩級壓敏電阻的有效配合，可以考慮在前后級壓敏電阻之間串聯(lián)退耦電感。

為研究退耦電感在并聯(lián)設(shè)計(jì)中的作用，通過仿真的方法進(jìn)行了研究，對比有無退耦電感對前后級壓敏電阻配合時(shí)導(dǎo)通次序、分流情況的影響。仿真電路中，以重復(fù)頻率100 kHz的群脈沖為干擾源，將被保護(hù)側(cè)后級電路視作大小為50 Ω的負(fù)載，并聯(lián)支路所采用的兩級壓敏電阻MOV1、MOV2。MOV1和MOV2的壓敏電壓(壓敏電阻流通電流為1 mA時(shí)所對應(yīng)的電壓)參數(shù)分別設(shè)定為120 V、47 V。

負(fù)載電阻兩端的電壓仿真波形如圖2所示。圖2仿真對比了有、無退耦電感(8 μH)兩種情況下，群脈沖騷擾傳導(dǎo)至末端負(fù)載時(shí)電阻上耦合的暫態(tài)電壓波形。分析圖2中的兩條電壓波形可知：在無退耦電感條件下，末端負(fù)載支路所耦合的瞬態(tài)電壓上升沿為20 ns，電壓峰值為71 V；有退耦電感條件下，末端負(fù)載支路所耦合的瞬態(tài)電壓的上升沿為178 ns，電壓峰值為59 V。由兩組數(shù)據(jù)可知，退耦電感的存在使得負(fù)載電阻兩端騷擾電壓的上升速率、殘壓峰值減小，提升了騷擾抑制效果。

圖2 負(fù)載電阻兩端的電壓仿真波形

兩級MOV的仿真分流對比如圖3所示。

圖3 兩級MOV的仿真分流對比

前后級壓敏電阻在同一電氣參數(shù)不變、只改變級間退耦電感的有無時(shí)，前級壓敏電阻MOV1和后級壓敏電阻MOV2所在支路的脈沖電流分流大小有顯著差異。圖3(a)中，兩級壓敏電阻并聯(lián)配合時(shí)，后級壓敏電阻的壓敏電壓閾值較低，因而先一步動作，支路阻值迅速減小，脈沖分流能力提高。相比前級壓敏電阻，后級壓敏電阻主要承擔(dān)了泄放浪涌能量的作用，并未實(shí)現(xiàn)并聯(lián)型兩級MOV之間的有效配合。而在圖3(b)中，兩級壓敏電阻之間串聯(lián)入退耦電感，在浪涌入侵時(shí)可增大級間壓降。這使得兩級壓敏電阻處于不同的外加電壓水平下，有利于前級壓敏電阻的深度導(dǎo)通，減小后級壓敏電阻的脈沖分流，并降低負(fù)載電阻兩端殘壓。

2 并聯(lián)型兩級MOV群脈沖試驗(yàn)及選取方法

群脈沖試驗(yàn)電路如圖4所示。

圖4 群脈沖試驗(yàn)電路示意圖

兩級壓敏電阻并聯(lián)時(shí)，兩級壓敏電阻分工不同。前級壓敏電阻MOV1在并聯(lián)設(shè)計(jì)中主要承擔(dān)的是泄放脈沖能量，盡可能多地提高支路分流；后級壓敏電阻MOV2則偏向于保護(hù)后級電路，對抑制耦合至負(fù)載兩端的瞬態(tài)電壓發(fā)揮更大作用?；谝陨夏康?，設(shè)計(jì)之初前、后級壓敏電阻的電氣參數(shù)、動作特性不同。兩級壓敏電阻配合失效的主要原因往往是中間退耦元件電氣性能的下降，且上一節(jié)的電路仿真分析的結(jié)果表明退耦電感的存在對于兩級MOV有效配合可產(chǎn)生較大影響。因此，本文在試驗(yàn)中考慮外加磁環(huán)對瞬態(tài)電壓分量所等效電感的作用。

試驗(yàn)中瞬態(tài)騷擾由群脈沖發(fā)生器激勵(lì)產(chǎn)生，所輸出脈沖波形的主要能量在20 MHz以下。群脈沖試驗(yàn)所用磁環(huán)為夾扣式磁環(huán)，對應(yīng)型號為ZCAT2032-9030(TDK)。該磁環(huán)在1～100 MHz的頻率范圍之間等效阻抗非線性增大，由20 Ω增大至150 Ω。

頻率0～20 MHz范圍內(nèi)Z8μH/ZZCAT如圖5所示。

圖5 頻率0～20 MHz范圍內(nèi)Z8μH/ZZCAT

為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)型兩級MOV在實(shí)際應(yīng)用中的有效配合，壓敏電阻的級間阻抗不宜小于5 m的二次電纜的等效阻抗(忽略高頻分量下的電阻參數(shù)，其電感參數(shù)約為8 μH)[11]。由圖5可知，在0～20 MHz范圍內(nèi)，8 μH電感電抗與外加ZCAT磁環(huán)所測得的等效阻抗兩者比值隨頻率升高而增大，最大值為10。因此，為滿足磁環(huán)等效阻抗的條件，在采用ZCAT磁環(huán)時(shí)可進(jìn)行適當(dāng)繞制，以增大等效阻抗。

(4)

式中:N為磁環(huán)繞線匝數(shù)；Z8μH為8 μH電感阻抗；ZZCAT為單匝繞線的ZCAT磁環(huán)等效阻抗。

負(fù)載電阻兩端電壓試驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 負(fù)載電阻兩端電壓試驗(yàn)波形

為對比磁環(huán)作為退耦元件存在的影響，試驗(yàn)中采用了三種方案(無退耦磁環(huán)，有退耦磁環(huán)和只有磁環(huán))。比較圖6中的三條電壓波形可知，有退耦磁環(huán)時(shí)，并聯(lián)型兩級MOV對脈沖騷擾的抑制效果最好，耦合至末端負(fù)載上的瞬態(tài)電壓最大值衰減為64 V。分析原因，磁環(huán)引入兩級壓敏電阻之間增大級間壓降，使得前級壓敏電阻得以先導(dǎo)通、支路分流能力提高，后級壓敏電阻兩端的瞬態(tài)電壓減小，提高了對脈沖騷擾的抑制效果。此外，通過對比只有磁環(huán)(瞬態(tài)電壓最大值為156 V)或無退耦磁環(huán)(瞬態(tài)電壓最大值為346 V)的騷擾電壓波形可以看出，單獨(dú)采用磁環(huán)雖然也可以抑制騷擾電壓峰值，但騷擾能量泄放過程較長；而采用無退耦磁環(huán)的兩級壓敏電阻時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓存在峰值較大的瞬態(tài)脈沖。

兩級MOV的試驗(yàn)分流對比如圖7所示。試驗(yàn)對比了有無外加磁環(huán)作為退耦元件時(shí)前后級壓敏電阻的分流情況。圖7(a)中，在兩級壓敏電阻之間無外加磁環(huán)條件下，前后級壓敏電阻所在支路的分流大小極為接近，表明兩者分流能力并無較大差異。由圖7(b)可知,磁環(huán)等效阻抗上的分壓使得前后級壓敏電阻兩端電壓上升速率不同，前級壓敏電阻MOV1的外加電壓提前達(dá)到動作閾值，壓敏電阻先一步導(dǎo)通泄流；而后級壓敏電阻MOV2由于磁環(huán)等效阻抗使得脈沖電壓的陡度減小，導(dǎo)通后兩端電壓峰值減小，所在支路脈沖分流的最大值衰減。

圖7 兩級MOV的試驗(yàn)分流對比

并聯(lián)型兩級MOV群脈沖試驗(yàn)結(jié)果表明：合理選擇作為退耦元件的磁環(huán)材料和繞線匝數(shù)，可有效降低被保護(hù)負(fù)載兩端騷擾電壓峰值、增大前后級壓敏電阻的分流比。因此，外加磁環(huán)作為退耦元件加裝在并聯(lián)型兩級MOV之間可協(xié)助兩級壓敏電阻實(shí)現(xiàn)次序?qū)?、能量配合?/p>

由仿真和試驗(yàn)結(jié)果可知，在并聯(lián)設(shè)計(jì)中，后級壓敏電阻的功能是保護(hù)后級電路，對抑制耦合至負(fù)載兩端的瞬態(tài)電壓發(fā)揮更大作用。 因此，MOV2的壓敏電壓應(yīng)滿足在系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓及允許波動范圍內(nèi)不誤動。對于MOV1而言，為在瞬態(tài)電壓入侵時(shí)實(shí)現(xiàn)自身的深度導(dǎo)通、提高泄放浪涌能量的能力，應(yīng)在滿足通流需求的前提下適當(dāng)降低其壓敏電壓。但MOV1的動作閾值仍應(yīng)比MOV2的動作閾值要更大。此外，MOV1的壓敏電壓的選擇上限應(yīng)考慮外加磁環(huán)在瞬態(tài)條件下的壓降，不應(yīng)大于磁環(huán)壓降和MOV2的閾值電壓之和。對于作為中間退耦元件存在的外加磁環(huán)，由于材料特性其磁導(dǎo)率會隨頻率增大而非線性衰減，在設(shè)計(jì)之初應(yīng)使得磁環(huán)阻抗的最小值大于8 μH電感電抗。此外，考慮到磁飽和，正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)的工況電流所激勵(lì)的磁通應(yīng)遠(yuǎn)小于磁環(huán)飽和值。

3 結(jié)論

本文首先以斜角波電流浪涌為騷擾源，分析了兩級壓敏電阻在保護(hù)電路中的配合機(jī)理，指出級間壓降的大小會影響壓敏電阻之間的有效配合；然后，通過仿真對比了有無退耦元件對并聯(lián)型兩級MOV抑制效果影響；最后，通過搭建以外加磁環(huán)作為退耦元件的并聯(lián)型兩級MOV群脈沖試驗(yàn)電路，開展試驗(yàn)研究磁環(huán)作為級間退耦元件方案的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，合理地選擇作為退耦元件的磁環(huán)材料和繞線匝數(shù)，可有效降低被保護(hù)負(fù)載兩端騷擾電壓峰值、提高兩級壓敏電阻的分流比。

本文基于仿真和試驗(yàn)結(jié)論，提出了磁環(huán)作為退耦元件應(yīng)用在兩級壓敏電阻中間時(shí)，前后級壓敏電阻壓敏電壓和磁環(huán)繞線匝數(shù)的選擇方法，可為后續(xù)研究或相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。