SPD在楼宇内的分布优化配置及与其他开断设备配合研究

论文摘要

SPD（Surge Protection Device，电涌保护器/浪涌保护器）是在建筑物配电线路中常用的保护装置，其主要作用是抑制雷电和操作过电压，它可以在不切断线路的情况下吸收冲击能量，减小冲击幅值，从而保护其保护范围内的线路和设备。本文的研究目的是完成SPD在建筑物内配电线路上的布置优化，并考虑其与开断保护设备的配合。为了研究SPD在建筑物内的布置优化，本文主要研究了建筑物内线路及负载对于冲击的响应。根据线路及负载的冲击响应情况，SPD可以在建筑物内更有针对性的进行布置，这样可以提高SPD的安装效率。通过研究SPD与其他开断器件的配合，可以调整SPD的安装，以减少其他开断器件发生误动作的可能性。本文研究了建筑物内的配电线路，通过使用PEEC（Partial ElementEquivalent Circuit，部分元等效电路法）方法，完成了线路在冲击状况下的PEEC方法建模，并通过与现有商业软件的计算结果对比，验证了算法正确性。在现有楼宇内雷电研究中，很少的研究会考虑到真实有损大地对于冲击在传输线路上的影响，也还未有研究考虑到受真实有损大地影响的线路在受到感应冲击影响时的状况。因此本文在使用PEEC方法研究楼宇内线路的基础上，进一步增加考虑了大地对于冲击在线路传输中以及相互间感应的影响，建立了考虑有损大地情况下的建筑物线路PEEC模型。通过此模型，可以计算出当雷电冲击侵入到建筑物内的电力线路后，线路对于冲击的响应状况，包括冲击的传输过程以及冲击在线路间感应的过程。当线路上有冲击存在时，建筑物中的负载同样会对冲击产生响应并反过来对冲击产生影响，因此，在考虑建筑物内电涌保护器布置的时候，必须要考虑到负载的影响。由于电子类负载（指非电阻电容电感类负载）在建筑物中的大量使用，而这类负载在冲击情况下的模型不能简单使用线性元件等效，因此这类负载在冲击情况下的建模十分有必要。本文选取了建筑物内常用的两种电子类负载（照明用日光灯及开关电源类负载），研究了其在冲击状况下的建模，完成了建模的实验验证，并将模型带入PEEC模型进行计算。RCD（Residual Current Device，漏电流保护器），是常用的防止漏电的开断保护器件，一般安装在负载和SPD保护器之间，主要用来防止漏电事故或单相接地事故，同时也能起到一定的防止浪涌冲击的作用。RCD能够在检测到故障发生时迅速切断线路以保护负载，但也存在因为线路的扰动冲击而误动作的可能。雷电冲击可能导致RCD的动作，同时SPD保护之后的剩余冲击也可能导致RCD的误动作，因此，雷击保护为目的的电涌保护器布置优化，还需要考虑SPD与RCD之间的配合。本文研究了RCD在非工频工况下的工作状况，包括非工频正弦电流、非对称电流、冲击电流情况下的动作情况。通过以上研究，可以对SPD的安装提供参考，以保证RCD不会由于SPD保护不当而断开后部电路造成负载停电，同时也减小由于SPD和RCD安装配合失当导致RCD发生误动作的可能性。将线路模型和负载模型结合，可以完整的分析雷电从入侵建筑物后传输、感应，直到最后对负载产生影响的过程。在此基础上，加入考虑SPD和RCD之间的配合，即可完成SPD在建筑物内的布置优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图表目录
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 浪涌保护器
• 1.3 建筑物内的雷电保护研究现状
• 1.4 本文的研究目标及研究方法
• 1.5 本文主要内容与结构
• 第二章 SPD 在线路上的布置优化
• 2.1 PEEC 方法介绍
• 2.2 PEEC 的最小模型介绍
• 2.2.1 传输线离散化过程
• 2.2.2 电流密度和电荷密度离散化
• 2.2.3 电流单元计算
• 2.2.4 电位单元计算
• 2.2.5 部分元等效电路模型
• 2.3 PEEC 的 MLA 传输线模型及矩阵化计算
• 2.3.1 MLA 方法的电位单元计算
• 2.3.2 MLA 形式算例
• 2.3.3 延时因子及趋肤效应的影响
• 2.3.4 MLA 参数矩阵的建立
• 2.4 理想大地（Perfect Ground）情况下传输线 PEEC 模型的计算
• 2.5 基于 PEEC 方法的线路计算
• 2.5.1 PEEC 方法的程序实现
• 2.5.2 PEEC 方法和 ATP/EMTP 软件结果比较
• 2.5.3 建筑物高层的线路冲击响应计算
• 2.5.4 大地镜像对建筑物高层线路的影响
• 2.6 基于 PEEC 方法的 SPD 布置优化
• 2.6.1 使用 PEEC 方法分析楼宇内线路对于 SPD 布置优化的意义
• 2.6.2 使用 PEEC 方法进行线路建模对于现有 SPD 布置研究的补充
• 2.6.3 基于 PEEC 方法的 SPD 布置优化
• 2.7 本章小结
• 第三章 大地对于 SPD 保护的影响
• 3.1 大地参数引入线路计算模型的意义
• 3.2 大地参数的获得
• 3.2.1 大地参数的测量原理
• 3.2.2 大地参数的测量结果
• 3.2.3 10Hz 到 40MHz 大地参数的测量结果
• 3.2.4 大地测量结果在建模中的应用
• 3.3 有损大地（Lossy Ground）情况下传输线 PEEC 模型的计算
• 3.3.1 麦克斯韦方程分解
• 3.3.2 传输线格林函数
• 3.3.3 场格林函数求解
• 3.3.4 有损大地格林函数推导
• 3.3.5 有损大地格林函数的数值计算
• 3.4 基于有损大地的传输线浪涌计算
• 3.4.1 底层水平线的传输计算
• 3.4.2 底层传输水平线的感应计算
• 3.4.3 完美大地镜像和有损大地模型的计算对比
• 3.4.4 雷电引下线在近地部分的感应计算
• 3.5 大地因素对 SPD 的影响
• 3.5.1 大地因素对于近地线路冲击的影响
• 3.5.2 近地线路 SPD 安装布置及优化
• 3.6 本章小结
• 第四章 负载对于 SPD 保护的影响
• 4.1 冲击状况下负载模型建立对于 SPD 布置优化的意义
• 4.2 SMPS（开关电源）
• 4.3 EMI 滤波器建模
• 4.3.1 扼流圈建模
• 4.3.2 电容建模
• 4.4 整流模块建模
• 4.5 实验验证与仿真
• 4.6 冲击负载模型带入 PEEC 进行冲击计算
• 4.6.1 负载模型的应用
• 4.6.2 冲击模型带入 PEEC 模型计算的结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 SPD 与 RCD 的配合
• 5.1 RCD 研究现状
• 5.2 RCD 保护动作原理
• 5.3 RCD 测试实验设置
• 5.4 RCD 测试实验
• 5.4.1 稳态测试
• 5.4.2 非对称短路电流测试
• 5.4.3 浪涌冲击测试
• 5.5 SPD 和 RCD 配合保护
• 5.5.1 RCD 在雷电保护模型中的位置及作用
• 5.5.2 RCD 和 SPD 的配合保护
• 5.6 本章小结
• 第六章 模型计算与实验对比
• 6.1 实验意义及设置
• 6.2 实验结果、仿真验证及相应 SPD 策略研究
• 6.2.1 水平感应部分
• 6.2.2 垂直感应部分
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士期间已经发表及录用的论文
• 攻读博士期间参与的科研项目
• 致谢