基于Simulink的冲击电压放电试验仿真系统

杨玲，王智东，邓丰强，梁梅，董笑

（华南理工大学，广州 510641）

引言

电气设备在电力系统运行中除承受正常运行的工频电压外，还可能受到暂时过电压及雷电过电压的袭击。雷电能造成极高的电压，因此对高压电力设备绝缘将造成很大的影响，是电力系统造成事故的重要因素，因此，雷电冲击试验是模拟发生在电力系统中的雷电波的电压波形而进行的试验，其主要目的是考核设备的绝缘强度。

试验室中对高压电气设备的绝缘检测是利用冲击电压发生器产生冲击电压以模拟雷闪放电引起的过电压进行的。冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置，它被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷电）时的绝缘性能。冲击电压的破坏作用不仅决定于波形、幅值、还与波形陡度有关。目前国内冲击电压发生器能产生8种冲击波形[1-6]。

为使所得结果可以互相比较，需规定冲击电压的标准波形。国家规定的雷电冲击电压标准波形参数主要有：峰值允许偏差、波前时间、半峰时间以及冲击电压的极性。以变压器为例，我国现行标准对变压器的雷电冲击试验波形有严格规定，要求波前时间为1.2 μs，允许偏差±30 %；波峰处的过冲或震荡不得大于峰值的5 %；波尾时间为50 μs，允许偏差±20 %；由于试品电感的存在，一般无法取得单极性标准全波电压，在波尾部分会有过零震荡，此时要求震荡反峰值不超过施加电压幅值的50 %[7-10]。基于以上对波形严格的规定，以及设备的复杂性，标准波形的获得不仅需要参数计算，还需要通过进行大量的冲击试验来获取，在做试验的过程中需要对设备参数进行调整，耗费了大量的时间。

目前，单纯依靠常规的冲击电压放电试验设备进行绝缘检测存在调试设备参数难、试验次数多、时间长、效率低等弊端。为了节约获取雷电冲击标准波形的过程时间，本论文研究了一种虚拟仿真试验系统，该系统主要对冲击电压发生器等设备进行建模。

随着当前计算机技术和虚拟仿真技术的迅速发展，虚拟试验已被逐渐地引入到试验测试中。在试验测试研究中，将虚拟试验与传统试验相结合，使两者相辅相成，可以有效地提高测试质量与测试效果。

本文采用了Matlab的GUI功能和Simulink结合制作交互界面的方法，设计冲击电压放电试验仿真试验系统。通过模仿各种击穿耐压及冲击试验，得出波形与数据，用以与现实高压设备数据做比较得出结论。试验测试人员在调整设备参数进行试品测试前，可以利用电脑实现试验的仿真，根据试品的耐压水平与测试要求设置仿真试验系统中各元件参数，通过仿真得到了测试需要的标准雷电波形后再进行常规试验设备的搭建与调节。

对于高电压设备来说，虚拟试验场景的建模研究是非常有意义的，虚拟场景是根据后台仿真场景的运行情况，被实时渲染出来的虚拟场景，试验测试人员可以在该虚拟场景中设计试验，搭建试验平台，输入试验数据进行试验与研究，可大大的缓解试验测试人员直接利用高压设备做试验时的紧张心理，同时可以设计试验平台参数范围以外的试验研究，为雷电冲击放电测试试验提供了一种新的方法，大大节约了试验测试时间，提高了试验测试的效率与效果。

1 冲击电压放电试验原理

目前，雷电冲击放电试验平台主要由试验变压器、整流硅堆、充电电阻、放电球隙、充电电容、波头电阻、波尾电阻等元器件组成。搭建试验平台所用的元器件较多，搭建过程较复杂，搭建完成后需要做进一步的试验以得到适用于被测试设备的标准雷电波形。在此过程中安全要求高，数据要求精确无误，这给测试人员提出了较高的要求。

冲击电压发生器接线图如图1所示。

图1 冲击电压发生器原理接线图

图中D1为整流硅堆，作用是将交流电整流为直流电，以模拟直流雷电冲击的效果，G1、C1、R0，G2、C2、R0……为各级的放电球隙、充点电容和充电电阻，Rf、Rt、Cd1、Cd2为波头电阻、波尾电阻和电容分压器，构成了放电回路。

其中，放电球隙的距离决定了调压设备的升压范围，球隙距离太大会导致升压至变压器额定参数后球隙仍然无法击穿，而球隙距离太小又会导致还未升压到规定的数值时球隙就自动击穿了。因此球隙太大或太小都不能进行正常的测试。根据不同设备绝缘水平的测试要求，确定雷电冲击电压波形的峰值，而测试平台的雷电冲击电压波形的峰值由级数决定，因此在确定级数后，确定了变压器的电压水平，再以此确定球隙距离。当球隙距离小于球直径的四分之一时，该球隙形成的空气场可以看做是均匀电场，而超过此距离后，球隙距离越大，形成的电场越不均匀。其击穿电压的数值也都不同。因此，放电球隙距离的大小也是影响雷电冲击放电试验最终结果的一个重要因素。

除此以外，波前时间和波尾时间由波头电阻和波尾电阻决定。即对于额定电压与运行条件不同的各类设备做雷电冲击电压放电试验时，需要根据其试验要求对以上元器件进行计算并进行多次的调整测试。

2 总体系统结构

本文总体设计利用Simulink加以仿真实现，对于雷电冲击电压放电试验，难以通过经验公式表达，所以在Simulink中搭建了放电过程的等效电路模型，通过Matlab GUI将参数传输到Simulink中，仿真后将波形和幅值信息重新反馈到GUI界面。总体设计结构图如图2所示。测试人员利用仿真软件试验平台对各元器件参数进行设置，运行得出数据结果与冲击电压波形，经过反复的参数计算、调整校正试验，得出标准的冲击电压波形，并以此为依据搭建设备平台用于试验测试。

图2 总体设计结构图

其中，放电过程的等效电路仿真模型如图3所示，其中，Rf，Rd为等效的波头、波尾电阻，C1、Rt为等效的充电电容和充电电阻。

图3 放电过程等效电路仿真模型

放电球隙距离所对应的击穿电压是通过程序计算得到。对于均匀电场气体间隙工频放电试验，相对简单，我们通过搜集资料和现场试验，得到了均匀电场空气击穿的经验公式为：

式中：

Ub—对应该间隙长度的击穿电压，单位为kV；

d—间隙长度，单位为cm；

而对于不均匀电场气体间隙工频放电试验，理论很多，目前较为广泛接受的是流注理论，但是对于短间隙放电的研究还不完善，计算公式也非常复杂。为了实现符合我们的设备的仿真功能，我们结合搜集到的资料，进行了多次现场试验，得到多组试验数据，进行修正后，通过对数拟合的方法，得到了标准大气条件下击穿电压的拟合函数：

式中：

U0—标准大气条件下不均匀电场气隙的击穿电压，单位为kV；

d—气隙长度，单位为cm。

所以任一大气条件下的击穿电压由以下公式得到：

Ub=δU0（3）

式中：

Ub—任一大气条件下的击穿电压，单位为kV；

空气密度校正系数δ的定义与均匀电场相同。

通过对电路各模块参数进行反复的设置调整，运行并得出相应的波形及数据来确定试验平台各元器件合理的试验参数，并以确定后的参数作为依据对高压设备进行相应的调整后进行测试。

3 具体实现与应用

在完成对上述放电过程等效电路仿真模型中各元件模块的参数设置后，调节电压，进行冲击电压放电，记录其波形和电压幅值等数据，具体实现如图4所示 。

图4 仿真程序图

在调整设备仿真模型参数后，冲击电压的放电试验仿真界面如图5所示。

图5 试验仿真界面

输入试验所加电压U，点击数值框输入数值或是用鼠标拖动电压滚动条可改变所加电压，点击“仿真”选项，即可获得最大冲击电压幅值和在曲线框图显示该电压下产生的冲击电压的波形图。

调整放电过程的等效电路仿真模型参数，使其相当于发生器本体2级的数值，负荷电容为电容分压器1 000 pF，设置输入电压数值为25 kV、50 kV、80 kV、100 kV，得到数据如表1所示。

表1 冲击电压放电试验仿真结果

将仿真试验中的各组试验参数在实物设备上进行调节并验证，结果显示电压峰值、波头时间、波尾时间与仿真试验的数据结果的误差不超过5 %。以此，证明了本论文研究的基于Simulink的冲击电压放电试验仿真系统的试验数据及结果对实际设备的试验测试具有指导意义。

4 结语

针对利用雷电冲击电压放电试验对电力设备绝缘水平进行检测时，参数计算与设备调整工作量大，检测时间长，效率低等问题，本论文研究了一种基于Simulink的冲击电压放电试验仿真系统，即在Simulink中搭建了放电过程的等效电路模型，测试人员通过Matlab GUI将试验参数传输到Simulink中，进行仿真后将波形和幅值信息重新反馈到GUI界面。测试人员将仿真后的数据波形作为依据搭建试验平台进行测试。通过具体的实现与应用，该冲击电压放电试验仿真系统能够通过仿真的方法计算合理的试验参数，运行得出理想的试验结果，再以此作为依据在测试平台上进行试验，可大幅度缩短试验时间，提高测试效率。