两级ZnO压敏电阻间串联电感应用的分析

李祥超，杨 悠，蔡露进，董昌鑫，徐晓培

（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，南京210044）

两级ZnO压敏电阻间串联电感应用的分析

李祥超，杨 悠，蔡露进，董昌鑫，徐晓培

（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，南京210044）

针对退耦电感在多级电涌保护系统中应用的问题，通过对雷电波经过串联电感的理论分析，串联电感对雷电波的传输有阻碍的作用，降低雷电波的陡度。利用理论与试验相结合的方法，采用雷电冲击平台模拟8/20 μs的雷电流，对两级ZnO压敏电阻组成的电涌保护系统串联不同的退耦电感进行冲击试验，试验得出：两级相同参考电压的ZnO压敏电阻配合应用中，第一级ZnO压敏电阻残压及通流均大于第二级，第一级ZnO压敏电阻在雷电过电压的防护中主要起到释放雷电波能量的作用；在相同雷电冲击电压下，退耦电感的电感值越大，第一级ZnO压敏电阻通流、残压及吸收能量将增加，第二级ZnO压敏电阻通流、残压及吸收能量将减少。在限压型电涌保护器的实际应用中具有参考价值意义。

能量；ZnO压敏电阻；多级SPD能量配合；通流；残压

0 引言

雷电（也称为“闪电”）是雷暴天气中发生的一种长距离瞬时放电现象，据统计自然界中1/3的闪电会击中地球，被称为地闪。地闪放电过程中产生的大峰值电流、高峰值功率、炙热的高温、强电磁辐射和冲击波等物理效应，会地面的建筑物、电力和电子设备、航空、航天、通信等产生破坏作用，甚至威胁到人的生命[1-2]。在输电线路中由于雷电的静电感应和电磁感应产生的雷电过电压严重地影响了设备的正常运行，严重的甚至造成设备的损坏。ZnO压敏电阻作为常用的防雷器件，具有通流容量大、残压低、响应时间短的特点被广泛地应用[3-6]。

国内外许多学者已经对ZnO压敏电阻在电涌保护的应用中做过大量的实验及理论研究：李祥超、唐宏科、王金虎等人研究了雷电流通过退耦电感时，可以将电涌保护器的残压降低15%～30%，有效地提高了电涌保护器的保护效果[7]；李祥超等在集散控制系统电涌保护器的设计专利中，提出了利用电感作为退耦元件，能够有效地降低电涌保护器的残压[8]。王慧颖在电涌保护器的能量配合应用中，利用传输线理论分析了能量配合的关系，并且与等同的电感值进行了对比。以上学者均对多级电涌保护器如何提高保护效果做了研究，然而对两级ZnO压敏电阻串联退耦电感各级残压及通流的影响没有做进一步的研究。退耦电感的取值在两级相同电涌保护器的应用中，其残压、通流及吸收能量的研究在实际防雷应用中具有一定参考价值[9-14]。

笔者针对退耦电感在多级电涌保护系统中应用，采用雷电冲击平台模拟8/20 μs的雷电流，对两级ZnO压敏电阻组成的电涌保护系统串联不同的退耦电感进行冲击试验，得出两级相同参考电压的ZnO压敏电阻配合应用中，第一级ZnO压敏电阻与第二级ZnO压敏电阻的通流、残压及吸收能量的对应关系。为退耦电感在多级SPD系统中的应用提供依据。

1 两级ZnO压敏电阻间串联电感的理论分析

电力供电系统的过电压通常分为两类：一类由于雷电放电引起的，称为雷电过电压或大气过电压；另一类是由于供电系统的操作或故障引起的，称为操作过电压。任何电气设备的绝缘耐受电压都是有限的。当作用到其上的过电压超过耐受绝缘电压时，设备的绝缘将遭到破坏，影响电气设备的正常运行。因此对供电系统中的过电压必须采取合理的措施加以限制。对于过电压抑制措施常采用ZnO压敏电阻，其具有响应时间短（为 ns数量级），残压低的特点。在抑制过电压的实际应用中，常采用多级保护的方式对电气设备进行过电压的抑制。为了增加ZnO压敏电阻的通流容量及更低的残压要求，常采用两级保护的方式，两级间串联退耦电感，前级主要用来释放雷电波的能量，后级主要用来箝位，这样能够提高对电气设备的保护效果。

在电力系统中将雷电波等效为一无限长直角波。如图1所示。

图1 雷电波通过串联电路Fig.1 Lightning wave cross series circuit

Rn1、Rn2为ZnO压敏电阻，L为退耦电感，图1表示雷电波U1侵入到具有退耦电感的线路上的情况。L前后的线路分别为ZnO压敏电阻Rn1、Rn2，当ZnO压敏电阻在雷电波作用下动作时，其动态阻抗分别为Z1和Z2。雷电波U1通过Rn1时，也就是Rn1在雷电波U1的作用下动作。当Rn1在雷电波作用时，其前端电压为U1q。当U1q到达L的连接点A时将产生反射。因为L为集中参数元件，在其上只有电压降而无波过程，所以在L和Rn2的B上没有反射过程，所以B点的电压波为A点的电压波上的分压，Rn2动作时的动态电电感值为Z2，也就是在Z2上的分压根据彼得逊法则分析可得到图1（b）所示的等值电路，由此可写出回路方程。

Z2中的电流波：

式中T该回路的时间常数：

由式（2）分析可知，U2q是随时间按指数规律上升的。如果将雷电波导设为直角波，当t＝0时，U2q＝0，t→∞ 时，U2q→（Z2/Z1+Z2）U1q，近似看为 Z2上的分压。因此无限长直角波通过电感后变为一指数波头的行波，串联电感起到了降低来波上升陡度的作用。U2q的稳态值与线路Z1和Z2直接相连时一样，因此串联电感对稳态值没有影响。

由式（2）可求得电压波U2q的陡度为

最大陡度出现在t＝0时，即：

从式（4）可以看出，L越大则陡度降低越慢。作用到电气设备上雷电波的陡度越大，对电气设备雷电波的陡度越大。故降低入侵波的陡度对电力系统的防雷保护具有很重要的意义。

2 试验方案及试验数据分析

2.1 试验方案

通过雷电冲击控制系统 ICGS产生的 8/20 μs模拟雷电流，依次施加以1 kV为一个步长的，范围在5～14 kV的冲击电压，对由两个ZnO压敏电阻构成并在两压敏电阻之间串联一个电感的多级保护系统做冲击试验。选用的ZnO压敏电阻的参考电压均为610 V，与两级SPD串联的电感值分别为3 μH，5 μH ，10 μH。 如图所示。 利用 2台 Tektronix TDS 2022B型示波器采集总通流和第一级压敏电阻两端的残压及第二级ZnO压敏电阻两端通流和残压。

图2 两级ZnO压敏电阻与电感串联配合电路Fig.2 The circuit of the inductance and two stages ZnO varistor

2.2 试验数据分析

图 3为冲击电压为 10 kV，L＝3 μs时，两级 ZnO压敏电阻两端电压与电流采集图像。由于使用的雷电冲击控制系统ICGS在测量时数值过大，因此测量值是实际值等倍数缩小的值，即

式中：14.4为分压器的分压比，0.005为罗氏线圈的电压—电流的转换系数。

后文中的数值均为计算后实际数值，为便于画图，图中数值均为测量数值。图3（a）中，CH1为冲击电路总电流，CH2为第一级SPD两端电压。由图（a）可以看出，第一级压敏电阻处于深度击穿区，此时压敏电阻两端电压随着电流的增加而增加。图3（b）中，CH1是第二级SPD流过的电流，CH2为其两端电压。 以其半个周期为例，在 0 μs～12.3 μs时间段内，ZnO压敏电阻两端电流随着时间的增大而增大，刚开始在 0 μs～0.6 μs 时间内，电流较小，压敏电阻的内阻对电压的变化及其敏感，因此内阻随电流的增大而急剧减小，由于I＝U/R，所以压敏电阻两端电压也随之急剧增大；当随着电流的增大，压敏电阻已靠近击穿区或进入击穿区，此时电流对内阻的影响几乎可以忽略不计，其两端电压趋于平缓基本不变；电流达到峰值后减小，直到离开击穿区，氧化锌压敏电阻的内阻开始对电流变化变得敏感，在26 μs～27.5 μs时间段内，随着电流的减小，其内阻开始增大，电压也随之变小。

图3 两级压敏电阻两端电压和电流的波形图Fig.3 Oscillogram of the current and voltage with the two ZnO Varistors

2.2.2 两级ZnO压敏电阻通流分析

图 4是中（a）、（b）分别为两级 ZnO 压敏电阻串联电感值为 3 μH，5 μH，10 μH 时第一级和第二级压敏电阻两端的通流随冲击电压变化的曲线。由图3可以看出，当冲击电压从5 kV以1 kV为一个步长依次冲击到14 kV时，第一级压敏电阻的通流变换范围在15.61 kA～42.73 kA之间，而第二级压敏电阻的实际通流却大大小于第一级通流在0.18 kA～10 kA之间；根据公式

第一级通流陡度：

图4 两级ZnO压敏电阻两端的通流Fig.4 Throughflow in both ends of two stages ZnO Varistors

第二级通流陡度：

可得：随着电感值的增大，第二级通流的陡度逐渐减小，这对电气设备的保护具有重要意义。因为雷电波在传播过程中，第一级、第二级ZnO压敏电阻动作，在连接点A、B位置上将出现雷电波的反射和折射现象，同时雷电波的部分能量被SPD1、SPD2吸收转换为热能，雷电波其余的能量转换为其它形式的能量，如电场能，磁场能，电磁辐射等能量。由于两级ZnO压敏电阻之间有电感的隔离，电感的电感值对电流具有抑制的作用，当冲击电压进入电路时，率先经过的是第一级ZnO压敏电阻，因此在电感的干扰下，第一级压敏电阻的承担了大部分冲击能量。剩余部分则由第二级SPD压敏电阻吸收，这样就实现了两级能量配合，能更有效地保护接入线路的负载设备。

一般来说，在多级SPD能量配合保护中，各个SPD分别适时启动泄流和限压工作，以便更好的保护电气设备。在两级SPD均为ZnO压敏电阻时，第一级SPD主要用于泄流。由表1可以看出：

式中：P为百分比，I1为第一级的通流，I2为第二级的通流

随着电感值的增加，P也随之减少。联系图3中第一级SPD随着电感值的增加，压敏电阻两端的通流也随之增加，但第二级SPD中，随着电感值的增大，通流反而减小。即可得出结论：相同冲击电压下电感值越大，第一级SPD对总电流的分流越大，泄流效果愈好。

2.2.3 对两级ZnO压敏电阻残压的分析

残压是指当流过放电电流时保护器指定端的峰值电压。图5中的（a）、（b）分别是两级ZnO压敏电阻串联电感为 3 μH，5 μH，10 μH 时第一级和第二级压敏电阻两端的残压随冲击电流变化的曲线。图4中可得到：第一级SPD实际残压变化范围在15.26 kV～42.62 kV之间，第二级SPD实际残压变化范围在14.98 kV～18.14 kV；电感值越大残压越小，当电感值由5 μH变为10 μH时，第二级SPD残压陡度显著减小。可得出结论:由两级ZnO压敏电阻构成的SPD多级能量保护系统中，第二级SPD承担箝压的作用，电感值越大，第一级SPD箝压能力越好。

表1 5～14 kV的冲击电压下不同电感值对应的第二级与第一级通流比的百分比Table 1 The percentage of the first stage and the second stage corresponding with different inductances under impulse voltage of 5 to 14 kV

2.2.4 两级ZnO压敏电阻的能量分析

SPD电涌保护器的损坏归根结底是能量过大对防雷器件是破坏所引起的，因此，评判一个电涌保护系统的优劣，分析其吸收的能量多少是至关重要的一部分。表2中的数值是根据公式W＝UIt求出能量再进行运算所得。由表可以看出第一级SPD的能量吸收率在28%～43.9%，第二级SPD的能量吸收率在5.5%～12.5%。第一级SPD吸收了大部分的能量；随着电感值的增加第二级SPD能量吸收率随之减少，有力的证明了电感值L的增大，对两级ZnO压敏电阻构成的SPD保护系统的能量配合具有优化作用。

表2 两级ZnO压敏电阻吸收能量百分比Table 2 Energy absorbing percentage of two stages ZnO Varistors

图5 各级ZnO压敏电阻两端的残压Fig.5 Residual voltage on both ends of two stages ZnO Varistors

3 结论

通过波的传输及试验结合，详细地对两级ZnO压敏电阻的能量配合进行了分析研究，通过冲击试验得出用不同电感值时两级ZnO压敏电阻的通流值、残压值及能量的关系，并对以上试验数据对比分析，得出如下结论。

1）实验表明，在由两个ZnO压敏电阻构成的两级SPD能量配合系统中，第一级SPD的通流均远大于第二级SPD，第一级SPD起到泄流的作用。

2）在相同的冲击电压下，电感值L越大，第一级SPD对总电流的分流越多，其泄流效果越好。

3）在5～14 kV冲击电压范围内，电感L越大，第二级SPD的通流及残压陡度越小，对电力系统的防雷保护具有很重要的意义。

4）第一级SPD能量吸收百分比在30%～40%以内，第二级SPD的能量吸收百分比在5.5%～12.5%，第一级SPD吸收了大量的能量，同时，随着电感值L的增大，第二级吸收能量的百分比逐渐减小。更有效的实现了两级SPD之间的配合与保护。

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The Analysis of Series Inductance Application between Two Stages ZnO Varistors

LI Xiangchao，YANGYou，CAI Lujin，DONG Changxin，XU Xiaopei
（Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

Based on the application of the decoupling inductance in the multilevel surge protection device （SPD）system，through the series inductance theoretical analysis of lightning wave，series inductance has the interruptive effect on the transmission of lighting wave.Combining the test and the theoretical analysis of lightning passing series connection inductance，simulating 8/20 μs lightning waveform by the impulse current generator system （ICGS），the impulse test are carried out on different decoupling inductances in SPD system which consists of two stages ZnO varistors，the test results show that both the residual voltage and the current of first stage are larger than the second in ZnO varistors application with the same reference voltage for two stages，and the first stage mainly release the lightning wave energy in the lightning overvoltage protection;On the same condition of the impulse lightning voltage，the current，residual voltage and energy absorbing of the first stage ZnO varistors will increase and these of the second stage ZnO varistors will reduce with the increase of decoupling inductance value.It has reference for the application of the limiting voltage SPD.

energy；ZnO varistor；multistage SPD system energy cooperation；throughflow；residual voltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.001

2015-11-13

李祥超 （1969—），男，副教授，主要从事电涌保护器研发与测试。

973国家重点基础研究计划 （批准号：2014CB441405）；大学生省级指导项目 （项目编号：201510300085）。