一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法

本发明涉及雷电电涌防护，尤其是涉及一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法。

背景技术：

1、在低压直流系统日渐成熟的背景下，相应的过电压保护设备的开发也刻不容缓，直流系统相较于交流系统，其过电压类型以及过电压的大小都有着很大的区别。电涌保护器是应用非常广泛的一款过电压保护设备，拥有强大的电压限制能力和电流泄放能力，但是目前市面上已有的电涌保护器大多都是为交流系统专门设计的，直流产品较少且不成熟。因此，适用于低压直流系统的电涌保护器成为了重要的研究方向，受到了各大公司和学者的关注。

2、电涌保护器可以分为开关型，电压限制型和组合型。其中，开关型电涌保护器主要以空气间隙作为其主要的保护手段，拥有强大的电流泄放能力，但是存在续流，需要考虑续流遮断问题。电压限制型电涌保护器主要以压敏电阻为核心元器件，响应速度快、无续流，但是残压较大，且压敏电阻长期工作后容易失效劣化，抗暂时过电压能力较差。组合型电涌保护器则采用间隙与压敏电阻串联或者并联的方案，尤其是串联型的组合型电涌保护器，具有无续流、残压低的优势，压敏电阻受到气体放电管的保护，不存在老化的问题，非常适用于直流系统，但是该方案的器件配合原则尚不明确，配合效果也未得到充分的研究。

3、为了能够针对不同应用场景的组合型电涌保护器的选型提供依据、加快产品的开发，有必要对组合型电涌保护器进行预先的建模仿真计算，以确定出组合型电涌保护器的电磁暂态特性，比如气体放电管导通的时间特性、火花电压大小等。但传统的建模方法通过电压控制开关来代替气体放电管，无法表现出气体放电管在不同过电压波形下的导通特性，因为气体放电管的冲击导通电压并不是固定的，电压上升沿越陡峭、需要的导通电压更高、需要的导通时间更短，传统的建模方法无法体现这一特性，导致在仿真时存在较大的误差，难以得到与实际相符的仿真计算结果，不利于实际产品的选型研发。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，通过改进组合型电涌保护器的建模过程，能够仿真计算得到与实际相符的电磁暂态特性结果。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，包括以下步骤：

3、s1、分别对测试用的组合波发生器以及组合型电涌保护器进行数学建模，得到组合波发生器以及组合型电涌保护器对应的数学模型；

4、s2、基于组合波发生器以及组合型电涌保护器对应的数学模型，使用电磁暂态仿真软件构建相应仿真模型，通过仿真计算得到组合电涌保护器的电磁暂态特性结果。

5、进一步地，所述步骤s1中对组合型电涌保护器进行数学建模具体是对压敏电阻和气体放电管进行建模。

6、进一步地，所述步骤s1中对压敏电阻进行建模的过程包括：

7、a1、通过lcr阻抗分析仪提取压敏电阻的电容电感参数；

8、a2、通过冲击电流发生器获取组合型电涌保护器在预设阈值范围内的电流-电压特性数据；

9、a3、基于步骤a2获取的电流-电压特性数据，通过公式拟合出压敏电阻的非线性电压-电流特性，建立得到压敏电阻模型。

10、进一步地，所述步骤a2具体是使用标准的8/20μs冲击电流发生器获取组合型电涌保护器在预设阈值范围内的电流-电压特性数据。

11、进一步地，所述步骤a2具体是从组合型电涌保护器的最小击穿电压开始，连续获取n组以上的电流-电压特性数据，最大值应达到预设阈值，其中，n≥10。

12、进一步地，所述步骤a2中预设阈值具体是压敏电阻标称放电电流的2倍。

13、进一步地，所述步骤a3通过以下公式拟合出压敏电阻的非线性电压-电流特性：

14、v(i)＝a5(log10(i))5+a4(log10(i))4+a3(log10(i))3+a2(log10(i))2+a1log10i+a0

15、其中，v是获取的电压数据，i是获取的电流数据，a0～a5为拟合得到的系数。

16、进一步地，所述步骤s1中对气体放电管进行建模的过程包括：

17、b1、通过lcr阻抗分析仪提取气体放电管的电容电感参数，同时赋予气体放电管1mω的电阻；

18、b2、对于判别气体放电管在冲击情况下的导通情况，预先设置临界击穿值，当组合型电涌保护器两端电压与时间的积分计算值大于临界击穿值时，则认为气体放电管导通。

19、进一步地，所述步骤b2中预先设置临界击穿值的过程包括：使用标准电压1.2/50μs、标准电流8/20μs的组合波发生器获取组合型电涌保护器在击穿时刻的电压-时间特性数据，通过多次实验取平均值，以计算其临界击穿值。

20、进一步地，所述临界击穿值具体为：

21、

22、其中，de为临界击穿值，u0通过气体放电管测试仪或者其他能够产生长上升沿的电压波发生器获取，t0为组合型电涌保护器两端电压超过u0的时刻，tb为组合型电涌保护器的导通时刻，uspd(t)为组合型电涌保护器两端的电压。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

24、本发明分别对测试用的组合波发生器以及组合型电涌保护器进行数学建模，再使用电磁暂态仿真软件构建相应仿真模型，通过仿真计算得到组合电涌保护器的电磁暂态特性结果。其中，在对组合型电涌保护器进行数学建模时，包括对压敏电阻和气体放电管进行建模，压敏电阻的建模是通过获取组合型电涌保护器在预设阈值范围内的电流-电压特性数据后拟合得到；气体放电管的建模则是通过预先设置临界击穿值，以确定气体放电管是否导通。由此能够准确得到组合波发生器、压敏电阻、气体放电管对应的数学模型，再结合电磁暂态仿真软件构建仿真模型，通过仿真即可得到组合型电涌保护器在不同的过电压波形下的响应速度、火花电压大小、残压表现，能够得到与实际相符的电磁暂态特性结果，能够为不同应用场景的组合型电涌保护器的选型提供依据、加快产品的开发。

25、本发明在对压敏电阻建模时，通过lcr阻抗分析仪提取压敏电阻的电容电感参数，通过冲击电流发生器获取组合型电涌保护器在较宽范围内的电流-电压特性数据，该范围约为压敏电阻标称放电电流的2倍，最后通过公式能够拟合出压敏电阻完整的非线性电压-电流特性曲线，确保压敏电阻模型的准确性。

26、本发明在对气体放电管建模时，首先通过lcr阻抗分析仪提取气体放电管的电容电感参数，同时认为气体放电管在未导通情况下是兆欧级别，赋予气体放电管1mω的电阻，此外对于判别气体放电管在冲击情况下的导通情况，提出一种新的开关控制方法：设置临界击穿值，当组合型电涌保护器两端电压与时间的积分计算值大于临界击穿值时，即认为气体放电管导通。由此能够充分体现气体放电管导通的时间特性，能够仿真出与实际相符的组合型电涌保护器在雷电过电压下的火花电压、导通时间、残压表现。

技术特征：

1.一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤s1中对组合型电涌保护器进行数学建模具体是对压敏电阻和气体放电管进行建模。

3.根据权利要求2所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤s1中对压敏电阻进行建模的过程包括：

4.根据权利要求3所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤a2具体是使用标准的8/20μs冲击电流发生器获取组合型电涌保护器在预设阈值范围内的电流-电压特性数据。

5.根据权利要求4所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤a2具体是从组合型电涌保护器的最小击穿电压开始，连续获取n组以上的电流-电压特性数据，最大值应达到预设阈值，其中，n≥10。

6.根据权利要求3～5任一所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤a2中预设阈值具体是压敏电阻标称放电电流的2倍。

7.根据权利要求3所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤a3通过以下公式拟合出压敏电阻的非线性电压-电流特性：

8.根据权利要求2所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤s1中对气体放电管进行建模的过程包括：

9.根据权利要求8所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述步骤b2中预先设置临界击穿值的过程包括：使用标准电压1.2/50μs、标准电流8/20μs的组合波发生器获取组合型电涌保护器在击穿时刻的电压-时间特性数据，通过多次实验取平均值，以计算其临界击穿值。

10.根据权利要求9所述的一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，其特征在于，所述临界击穿值具体为：

技术总结
本发明涉及一种组合型电涌保护器的电磁暂态仿真计算方法，包括：分别对测试用的组合波发生器以及组合型电涌保护器(包括压敏电阻和气体放电管)进行数学建模，得到组合波发生器以及组合型电涌保护器对应的数学模型；基于组合波发生器以及组合型电涌保护器对应的数学模型，使用电磁暂态仿真软件构建相应仿真模型，通过仿真计算得到组合电涌保护器的电磁暂态特性结果。与现有技术相比，本发明通过改进组合型电涌保护器的建模过程，能够仿真计算得到与实际相符的电磁暂态特性结果，仿真出气体放电管导通的时间特性和火花电压大小，能够为不同应用场景的组合型电涌保护器的选型提供依据、加快产品的开发。

技术研发人员：周歧斌,沈佳伟,肖逸杰,张熠鹏,曹挺,周意,黄吉磊
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5