基于MATLAB仿真的智能台区雷电冲击参数优化

摘 要

智能台区建设是智能电网研究的重要组成部分，台区防雷问题是建设智能台区过程中的重要问题。本文在介绍智能台区防雷技术的基础上，对雷电冲击电路模型进行分析，并且利用MATLAB软件对电路模型进行仿真和参数优化。为智能台区防雷研究仿真及实验提供了很好的参考。

【关键词】智能台区 防雷 雷电冲击 MATLAB仿真

1 引言

随着计算机、网络和通信技术的发展及其在电力系统中的广泛应用，全球电力企业正面临着一次把电力体系效益最大化的建设智能电网的历史机遇。智能台区的构建是智能电网建设中的重要支撑，其研究具有重大意义。

所谓智能台区，就是对现有的台区进行改造，使之在操作上实现自动化、在生产管理上实现信息化、在用户管理上实现互动化、在信息上实现可视化，并体现在生产管理、资产管理、用户管理及服务上，使台区的管理更加科学规范，并减少人工干预，实现全智能化。狭义上，智能台区包含10kV高压进线、配电变压器、低压综合配电箱以及配套的开关设备、安装辅件和控制保护设备。配电台区广泛应用于农村电网和城市配电网，是实现供电可靠性的重要基础设施。

2 智能台区防雷介绍

我国是雷电多发国家，雷电一直是威胁电力系统安全稳定运行的因素，而且雷电是年年重复发生的自然现象，因此雷电灾害势必对电力的稳定发展和可靠供电造成一定的负面影响。低压配电系统遭雷击的案例也时有发生，所以智能台区防雷不容忽视。

通常，雷电造成的危害可以分为直击雷害和感应雷害。直击雷害是指由于闪电直接击中目标物而造成的破坏，如建筑物损坏、森林火灾、油库爆炸、人员伤亡等;感应雷害是指在雷电放电过程中，由于强大的雷击电磁脉冲对附近的电子设备、通讯设备等产生的破坏，这种灾害往往造成严重的经济损失，也是经济发达地区雷电灾害的主要形式。

智能台区防雷具体包括10kV柱上开关、配电变压器、低压配电箱和用户低压供电系统。当智能配电台区发生雷击时，一次系统通过避雷器将雷电流引入到大地，在一定程度上有效保证了一次设备的安全。但对于精度高、耐压只有几伏的二次设备来说，就不一定经得起感应雷和雷电波的侵袭。二次系统因其内部结构集成化高、耐压水平低、信号线路多等因素易遭到雷击破坏，致使雷电波侵入系统更加容易，雷电灾害频繁发生，影响信息系统正常运行，轻则导致设备误动或损坏，重则造成系统瘫痪，大面积停电，造成难以估算的经济损失。

综上，智能台区防雷研究刻不容缓。由于防雷设计实验验证比较困难，所以仿真实验尤为重要。本文提出了一种基于MATLAB的雷电冲击电路仿真和参数优化，为智能台区防雷设计提供了基础。

3 雷电冲击电路分析

雷电作为干扰源一般被认为是电流源，因为雷云中电荷区之间和雷云到地之间在未击穿之前具有很大的阻抗，其性质和电容器的放电类似。基于这种考虑，雷电放电可近似用等效电流源代表，国际和各国防雷规范也常以雷电流的参数作为防雷分类的主要参数。

雷电波一般采用波头时间/半峰值时间的表示方法，如图 1所示，T1为波头时间，T2为半峰值时间。由于实际的雷电波难以用统一波形来描述，因而根据不同的工程应用领域而使用多种标准波形，例如电力系统广泛采用 1.2/50μs 冲击电压、8/20μs 冲击电流表示雷电波;建筑物防雷研究中，则使用 10/350μs 表示首次雷击波形;8/20μs波形常用来表示非直击雷电波形，同时也是 ANSI/IEEE C62.41 中指定的低压系统中的浪涌测试波形，IEC61642-1 中也规定 8/20μs 波形为II级分类试验的测试电流波形。

标准雷电流波形的双指数式表示为：

ig（t）=KI0（e?αt?e?βt）

其中α 被称为波头时间常数，β 被称为波尾时间常数。

冲击电流发生电路的基本原理是：数台或数组大容量的电容器经由高压直流装置，以整流电压或恒流方式进行并联充电，然后通过间隙放电使试品上流过冲击大电流。如图2所示，它包括充电回路和放电回路两部分。

由图2可以看出，冲击电流发生器实际上是个RLC放电回路，冲击电流发生器靠改变回路参数来调节波形，靠升降电容器上的充电电压来调节电流。根据电路原理，按照放电回路阻尼条件的不同，放电可以分为三种情况：过阻尼情况、欠阻尼情况和临界阻尼情况。

雷电波冲击电流发生电路的放电回路所要求产生的波形为8/20μs单次非振荡波，即在回路设计中仅考虑R>2的情况。但是根据标准的规定，以及实际设计中往往从获得最大冲击电流波形幅值的角度出发，在冲击电流波形满足波头Tf=8μs、波尾Tt=20μs的要求时，尽量考虑使冲击电流波形的反极性振荡幅值不超过峰值的20%。

过阻尼情况，即R>2，亦即α>ω0放电回路产生的冲击电流波形是非振荡波。令α=R/（2L），ω0=1/，αd=，在这种情况下RLC二阶放电回路的特征根为

p1=α+αd，p1=α?αd （1）

电流为

i= （2）

在电流到达最大值之前，电流不断增加，设到最大值的时刻为Tm，则：

Tm=h（p2/p1）/（p1?p2） （3）

在式（1）中的t值代之以Tm，就可以求出电流的最大值im。

标准中对8/20μs冲击电流的波前时间Tf和峰值时间Tt的定义比较复杂，在理论上难以直接确定它们与回路参数之间的关系。用传统的图解法求解问题时，波形的选择不够直观，在实验室雷电波冲击电流发生器的调试中会出现多次、反复调试的问题。为此提出应用MATLAB/Simulink来对冲击电流放电回路进行仿真，探讨冲击电流发生电路放电回路参数的选取方法。

4 雷电冲击电路仿真及参数优化

利用MATLAB/Simulink的电力系统仿真模块SimPowerSystems中的powergui模块模拟充电电容两端的电压，元件模块R、L分别表示放电回路中包括电容器、分流器及连接线等器件的总电阻和总电感，R1和L1为模拟调波电阻和调波电感。

根据传统的图解法或者相关参考书提供的Tf和Tt与回路参数之间的关系，计算出回路中R或者L的参数值。非阻尼状态下的三种标准雷电波冲击电流波下的α，ωd及R值。

根据表1以及相关公式，已知RLC三个参数中的一个参数后，就可以求出其他两个参数。以实验室的一台小容量8/20μs冲击电流发生器为例，主电容为40μF，那么上文所述公式：

=ω2+ （11）

根据表1：

=0.4162+0.212=0.01613rad/μs （12）

再根据上文提到的计算式可得

L=1/（C×）=1.5μH，

R=2Lα=0.129Ω （13）

根据上述计算，得到仿真波形如图4所示。由于根据上述方法得到的R、L值是欠阻尼状态下的R、L值，波头波尾满足标准的要求，但是反冲击振荡超过了标准规定的20%。因此要产生标准规定的8/20μs冲击电流波形，还需要进一步的参数调节及波形调试。在确定了RLC的大概值以后，可以分别固定UC、R和L中的两个值，改变另外一个值进行仿真，直到仿真结果与给定参数的差异满足要求为止。

在进行波形仿真时发现冲击电流波形峰值Im、波头Tf、波尾Tt与电阻R、电感L与的关系如表2所示，表2中表示增大，表示减小。

计算值以及表2中列出的关系进行仿真调试，放电回路的电阻R=0.42Ω、电感L=1.756μH。得到的冲

击电流波形波头Tf=8.0μs，波尾Tt=20.0μs，峰值Im=9kA。

5 结论

通过对仿真回路参数的求取和优化，证明应用MATLAB/Simulink电力系统仿真模块仿真雷电冲击电流波形是比较可行的。运用仿真实验进行测试节省了大量的调试时间，减少了设备的损耗。发现借助于MATLAB/Simulink的仿真，对于雷电波冲击电流发生器的参数选取以及放电波形调试有很大的指导意义。同时也为智能配电台区的防雷测试提供了一个很好的途径和保障。

参考文献

[1]虞昊，臧庚媛，张勋文 等.现代防雷技术基础[M].北京：清华大学出版社，1995.

作者单位

1.江苏南京南瑞集团公司 江苏省南京市 210000

2.江苏连云港供电公司 江苏省连云港市 222004

3.江苏大学 江苏省南京市 210003