十脉冲下限压型SPD级间串联退耦电感前后能级匹配研究

徐乐; 史东东; 高攀亮; 曹洪亮; 秦孟晟; 王成芳

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2021.033

十脉冲下限压型SPD级间串联退耦电感前后能级匹配研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.033

徐乐^{1, 4, ,},
史东东²,
高攀亮³,
曹洪亮⁵,
秦孟晟¹,
王成芳^{4, 6}

1.
扬州市气象局，江苏扬州 225009
2.
扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225009
3.
宁夏中科天际防雷股份有限公司，宁夏银川 750000
4.
南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏南京 210044
5.
吴江市建设工程质量检验中心有限公司，江苏苏州 215000
6.
江西省气象局，江西南昌 330046

基金项目:

国家重点基础研究发展计划 2014CB441405

国家自然科学基金 41175003

详细信息

通讯作者:
徐乐, 男, 江苏省人, 工程师, 从事雷电防护技术、电磁兼容和风险评估工作。E-mail: 765587231@qq.com

中图分类号: TM153.2
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出版历程
- 收稿日期: 2020-12-25
- 修回日期: 2021-04-12
- 网络出版日期: 2021-09-27
- 刊出日期: 2021-06-01

ARESEARCH ON ENERGY LEVEL MATCHING OF SERIES DECOUPLING INDUCTANCE BETWEEN STAGES OF TEN-PULSE LOWER-LIMITING SURGE PROTECTOR

1.
Yangzhou Meteorological Bureau, Yangzhou 225009, China
2.
School of Electrical and Energy Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
3.
Ningxia Zhongke Tianji Lighting Protection Co., Ltd., Yinchuan 750000, China
4.
Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
5.
Wujiang Construction Engineering Quality Inspection Center Co., Ltd, Suzhou 215000, China
6.
Jiangxi Meteorological Service, Nanchang 330046, China

摘要

摘要: 退耦电感是限压型浪涌保护器(SPD)级联配合核心元件, 对于限压型SPD能级匹配具有重要影响。针对退耦电感与限压型SPD能级匹配问题, 基于行波传输理论建立多级限压型SPD能量匹配模型, 并结合更接近自然雷击的10个8/20μs多脉冲试验进行研究, 试验结果可知: 恒定波阻抗下, 增大SPD线路间退耦电感值, 可有效减缓雷电瞬态过电压上升速率。SPD并联时, 氧化锌压敏电阻压敏电压对前后级分流比影响较小, 与残压值呈正相关关系。SPD级联电感值越大, 前级SPD泄流越多, 后级SPD箝压水平越高, 能级匹配效果越好。当出现磁饱和时, 前级SPD泄流显著降低, 后级SPD的泄流显著增加, 为避免出现该现象, 实际装设SPD时, 级间选装的退耦电感值在合理范围内应稍大于理论电感值。
- 浪涌保护器 /
- 退耦电感 /
- 十脉冲 /
- 泄流 /
- 箝压
Abstract: Decoupling inductors are the core components of voltage-limiting surge protector(SPD) cascade coordination and they have an important impact on the energy level matching of voltage-limiting SPD. The present study focuses on the coupling between decoupling inductors and voltage-limiting SPDs. In the present research, a multi-level voltage-limiting SPD energy matching model is established based on the traveling wave transmission theory, and it is combined with 10 8/20μs multi-pulse tests that are closer to natural lightning strikes. The test results show that under constant wave impedance, increasing the decoupling inductance value between SPD lines can effectively slow down the rate of lightning transient overvoltage rise. When SPDs are connected in parallel, the zinc oxide varistor voltage has little effect on the shunt ratio of the front and rear stages and is positively correlated with the residual voltage value. The larger the SPD cascade inductance value, the more the pre-SPD leakage, the higher the post-SPD clamping level, and the better the energy level matching effect. When magnetic saturation occurs, the leakage current of the front-stage SPD is significantly reduced, and the leakage current of the subsequent-stage SPD is significantly increased. To avoid this phenomenon, when SPD is installed, the decoupling inductance value between the stages should be within a reasonable range and slightly larger than the theoretical inductance value.
- surge protector /
- decoupling inductance /
- ten pulses /
- current leakage /
- voltage clamping

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图 1 行波通过串联电感

a.接线图；b.等值电路；c.折射波和反射波。

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图 2 前后级SPD级联退耦电感匹配模型

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图 3 十脉冲试验原理图

a.多脉冲波形发生装置简易图；b.8/20 μs波形发生器。

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图 4 级间串联不同电感值时泄流随冲击电压变化的曲线

a.2 µH电感；b.4 µH电感；c.6 µH电感；d.8 µH电感；e.10 µH电感。

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图 5 压敏电压不同情况下串联不同电感值时分流比随冲击电压变化的对比图

a. 2 µH电感；b. 4 µH电感；c. 6 µH电感；d. 8 µH电感；e. 10 µH电感。

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图 6 压敏电压不同情况下串联不同电感值时残压随冲击电压变化的对比图

a. 2 µH电感；b. 4 µH电感；c. 6 µH电感；d. 8 µH电感；e. 10 µH电感。

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图 7 级间串联2 µH电感连接的波形图

a.总通流和后级残压波形图；b.后级通流和前级残压波形图。

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图 8 级间串联6 µH电感连接的波形图

a.总通流和后级残压波形图；b.后级通流和前级残压波形图。

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表 1 十脉冲下串联不同电感值时前级SPD占总泄流比重

电感值/μF	冲击电压/kV
电感值/μF	5	10	15	20	25	30
2	70.75%	79.35%	79.16%	79.67%	83.98%	81.77%
4	77.81%	84.97%	85.71%	86.87%	87.65%	88.58%
6	84.23%	88.13%	89.97%	90.87%	92.01%	92.79%
8	69.87%	75.71%	78.36%	78.17%	79.41%	80.78%
10	66.31%	74.51%	76.89%	77.01%	78.37%	79.56%

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表 2 5~30 kV十脉冲下串联不同电感值时前后级SPD残压值(kV)

电感值/μF	冲击电压/kV
	5		10		15		20		25		30
	前级残压	后级残压	前级残压	后级残压	前级残压	后级残压	前级残压	后级残压	前级残压	后级残压	前级残压	后级残压
2	1.07	1.06	1.25	1.22	1.47	1.42	1.62	1.55	1.88	1.71	1.90	1.89
4	1.19	1.02	1.31	1.25	1.54	1.39	1.77	1.47	1.93	1.76	2.28	1.97
6	1.23	1.06	1.39	1.11	1.57	1.29	1.79	1.48	1.94	1.65	2.04	1.92
8	1.12	1.09	1.39	1.24	1.59	1.42	1.67	1.43	1.96	1.53	2.03	1.93
10	1.17	1.14	1.35	1.24	1.35	1.32	1.45	1.43	1.67	1.58	1.87	1.73

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