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低压配电系统中SPD保护和配合的研究

张栋  
【摘要】: 雷电过电压是低压配电系统中危害用电设备安全及系统正常运行的重要干扰源。有关统计资料显示,平均每年因雷电过电压造成的损失占低压系统中所有损失的70%左右,作为主要传播通道的低压配电系统的雷电过电压防护工作引起了越来越多的关注,研究低压配电系统的雷电过电压防护问题具有非常重要的实际意义。 SPD的保护和配合问题是低压配电系统中雷电过电压防护的核心问题,国内外对此已进行了大量的研究工作,但这些研究工作多是从应用的角度出发,以工程经验、软件仿真、实验分析和简单的理论分析为主,缺乏全面的和一定深度的理论分析,难以为工程应用提供很好的理论指导和参考。 针对存在的问题,本文对低压配电系统的SPD(Surge protective device)保护和配合问题进行了深入的理论分析、软件仿真和一定的实验验证。本文主要研究了SPD的有效保护范围、多级SPD的配合、线路电阻对SPD配合和保护范围的影响以及多分支电路系统中的SPD保护和配合等方面的内容。 在SPD保护范围问题研究中,利用雷电波的波长远大于SPD与被保护设备间线路长度的特点,提出用简化π型等值电路(LC振荡电路)代替分布参数线路,用电路法代替行波法研究了线路末端负荷电压的振荡情况。对不同性质和大小的负荷(电阻负荷、电容负荷、电感负荷、综合负荷),给出了负荷电压的解析解公式,分析了负荷电压的振荡机理和影响因素,首次给出了SPD有效保护范围的近似计算公式。对研究中的模型误差(用LC振荡电路代替分布参数线路)问题,利用对一个算例的软件仿真,给出了误差变化趋势曲线。此外,在研究中,提出使用一个直流分量和一个时变分量之和来更准确的描述SPD残压波形的上升沿,通过理论计算和软件仿真,发现负荷电压最大值并非文献中常给出的2倍SPD残压最大值。 在多级SPD配合研究中,利用行波法研究了两级SPD配合中的导通次序问题,考虑了负荷对SPD导通次序的影响,给出了导通次序判断公式。利用集中参数电路模型,求解了流过各SPD的电流解析解,分析了不同导通次序对SPD分流配合的影响机理,并给出了SPD配合设计中线路参数的计算公式。文中还对SPD的导通次序、线路参数的对SPD配合的影响、线路参数的确定、冲击电流波形对SPD配合的影响、开关型SPD和MOV型SPD的配合、组合型SPD和MOV型SPD的配合进行了仿真研究,验证了理论分析的正确性。 在已有的SPD保护范围和多级配合的理论研究中,为了突出主要问题和简化分析过程,常忽略线路电阻,采用无损波阻抗或电感来代替线路。通过建立集中参数等值电路,理论分析了线路电阻对SPD配合中末级SPD分流的影响,仿真研究了多种线路模型的计算精度,以及在多种线路参数和不同外加冲击电流幅值情况下,末级SPD分流的误差情况和误差变化趋势。关于线路电阻对SPD保护范围的影响,计算给出了考虑线路电阻时的负荷电压解析解,分析了各种负荷情况下,线路电阻对保护范围的影响,并给出了量化分析公式。 利用行波法对更接近实际工程情况的多分支电路系统中SPD保护和配合问题进行了理论分析了。研究了多分支线路和负荷的并联效果对SPD保护范围的影响。研究了多分支线路的并联效果对不同类型SPD间配合的影响,并通过软件仿真验证了理论分析的正确性。


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