电力系统开关突波模式研究

朱永刚

摘要：电力系统的开关或断路器操作时都会产生电压及电流的突波，通称为开关突波，突波大小决定于开关（或断路器）操作的时机（投入或切离的时间）、开关操作时系统的状态及相关的电路常数，通常电压等级越高开关突波的强度越大。

关键词：电力系统；开关突波模式；干扰模式；接地系统

中图分类号：TM76 ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ；文章编号：1009-2374（2014）18-0017-02

1开关突波成因及干扰模式

1.1开关突波成因

开关突波产生的方式及类型有很多种，较常见且对于电力系统影响较大的有下列四种：（1）高压开关动作时所引起之突波；（2）各种负载设备在投入与切离所产生之电力电弧；（3）电力系统中电容器组开关动作时所产生之开关突波；（4）断路器再清除故障时开关动作所引起之瞬时突波。在此本文将讨论高压开关动作时所引起之突波。

1.2突波干扰模式

突波对于电力系统、电子系统、通信系统的干扰模式有三种型态，分别为横向模干扰、常模干扰及共模干扰三种型态。

（1）横向模干扰。输电网络、浮动系统及未接地的网络系统，因雷云闪络、无线电传输器、汽车点火系统、电弧及其他类似的辐射干扰源，造成电磁场以横向模式传送至电力系统的输电线上，称之为横向模干扰。大部分这类噪声在变压器绕线的输入端即自行消失，由于不平衡的对地阻抗，一小部分的横向干扰噪声未消失，此噪声通常重迭在AC正弦波上。此类干扰噪声之辐射频率约10kHz以上，因此仅对高频的接收器有影响。

（2）常模干扰。配电系统中任何两输送电流线路的导体，出现了不该有的电位差称之常模干扰。换句话说就是噪声重迭在线电压正弦波上称之常模噪声。其干扰形式有雷云闪络突波，远方的开关突波侵入干扰变压一次侧，而以磁耦合方式耦合至二次侧形成常模噪声干扰；分支电路上负载的启动使用与关闭形成瞬间开关突波迭在AC线电压上形成常模噪声干扰；非线性或开关负载影响到电力系统的源阻抗造成总线的供电受干扰，这亦是另一种常模噪声干扰。

（3）共模干扰。配电系统中任一输送电流的线路导体与接地导体间，出现不该有电位差称之共模干扰。另在三相Y接的供电系统中在中性点与地间有异常的电位差亦称之为共模噪声干扰。通常共模噪声对灵敏度极高的设备影响较大。

2开关突波出现在接地系统的方式

开关突波的现象是一种瞬时的现象其瞬时频率介于数kHz至数十kHz之间，且瞬时频率与系统电容成反比，尤其在极少电容量之开关切换其瞬时频率相对比较高，一般认为开关突波仅与受开关操作的回路有关与接地系统无关，其实不然，因为接地系统是电力系统回路的一部分，开关突波电流与电压，都可能透过直接传导、感应与耦合等方式出现在接地系统，如图1所示：

图1开关突波出现在接地系统之方式

检讨目前的电力系统开关突波以直接传导方式出现在接地系统者并不多见，通常是以具多重接地者有机会发生，因其突波电流大多已经过负载（或变压器）的阻隔及系统接地线（如中性线）之分流，故实际流入接地系统者很少。至于透过感应的方式是因有突波电流造成磁场交链到接地系统的导体，而在接地系统上产生感应的突波电压及突波电流，这种磁场感应而来的突波电压或电流通常很小，因突波电流含高频成分其所产生之磁场容易被遮蔽，故发生障碍几率亦小。故本文在此探讨以对地电容耦合的方式所产生之开关突波对接地系统之影响。

经由对地电容的耦合方式使开关突波电流注入系统的情况，在电力系统中随处可见，因任何总线及输电线对接地系统都有电容存在，当开关投入瞬间对接地系统有充电电流，此外就理论上而言，电容瞬间是短路状态（或可能反向充电），故瞬间总线或输电线的电压（甚至更大的电压）可能出现在接地系统上，这些电压基本上是GPR的型式，接地线因突波电流属高频成分，故亦会出现接地电位差GPD，这些现象将随电压等级越高越严重，有必要加以探讨，故为本研究的重点。

3开关突波产生模式

开关突波模式分成开关突波产生的模式及注入接地系统的模式两方面说明，前者将建立捷运系统主变电站161kV系统的电路模型以分析开关动作时突波电流，后者则针对GIS内部开关操作时探讨突波电流注入接地系统（接地网）的方式，并建立等效电路计算电流的变化。

电力系统的开关动作时皆会产生电压突波及电流突波，而其大小则与电压等级、开关操作的方式及电路常数有关，本文利用开关操作的方式产生突波电流的模式，其模式以单极操作模式、三极操作模式及延时三极操作模式为代表，其中三极操作模式是针对三相开关同时操作的情形，延时三极操作模式则是探讨实际情况下三相开关在操作时并不一定会同时投入的情形，而开关突波所产生的突波接地电流主要取决于线路常数（即对地电容）的不平衡。

图2

当161kV主变电站系统之架空线路、电缆及电缆连接站、GIS、主变压器及其接地系统等之架构，其系统是兼做其他用途的主变电站，若未兼做其他用途则复杂度较低。图中各开关包括ABS、DS及断路器（CB）其操作时皆有可能产生开关突波电流注入接地系统而在各处产生瞬时电压，对相关设备及下游系统都有影响，系统主变电站之近似等效电路。在此本文所探讨之接地系统主要为电缆连接站地网、GIS地网及主变压器地网三地网，其地网互连及地网未互连时之特性。

图中GIS内的相导体对GIS外壳有分布电容存在，且PT（比压器）高压侧中性点往往都接于GIS外壳，而低压侧中性点则连接至设备在接至接地总线，而避雷器（LA）之接地线是独立不与GIS外壳连接，但共同接地至接地总线。符号说明：Ea，Eb，Ec三相平衡电源电压Zs电源等效零序阻抗C1g，C2g，C3g分别为a，b，c相对地（接地网）等效电容；Ig注入接地网等效电流；Rg0电源端接地电阻；Rg1开关场接地电阻；电路参数依开关操作状态而定，若是单极操作状态，电源电压En为相电压Ea，Eb，或Ec，而Zs′及Cg可近似等于电源阻抗Zs及相对地电容C1g，C2g，或C3g，即En=Ea（或Eb，Ec）；Cg=C1g（或C2g，C3g）；Zs′=Zs；若是针对三极操作状态En为中性浮接的电压（残余电压），其大小可计算如下：

又因对地容抗大小大于电源阻抗Zs很多，则，，分别代入（2）

带代入（1）可得：

（4）

由（4）式表示之En可视为与频率无关，因C1g，C2g及C3g相互差别不大（一般不超过10%），则Za，Zb及Zc亦相差不大，三者皆以平均值取代则，其并联等效阻抗

Zeq为：

（5）

式中C1g，C2g，及C3g亦可以三者平均值取代之，则（5）式可表示如下：

（6）

式中（7a）

（7b）

由于，RS与LS若不考虑集肤效应则视为与频率无关，C1g，C2g，与C3g亦与频率无关，电路可适用于计算单极或三极操作的突波接地电流。

参考文献

[1] ；席裕庚.预测控制[M].北京：国防工业出版社， ；1993.endprint

摘要：电力系统的开关或断路器操作时都会产生电压及电流的突波，通称为开关突波，突波大小决定于开关（或断路器）操作的时机（投入或切离的时间）、开关操作时系统的状态及相关的电路常数，通常电压等级越高开关突波的强度越大。

关键词：电力系统；开关突波模式；干扰模式；接地系统

中图分类号：TM76 ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ；文章编号：1009-2374（2014）18-0017-02

1开关突波成因及干扰模式

1.1开关突波成因

开关突波产生的方式及类型有很多种，较常见且对于电力系统影响较大的有下列四种：（1）高压开关动作时所引起之突波；（2）各种负载设备在投入与切离所产生之电力电弧；（3）电力系统中电容器组开关动作时所产生之开关突波；（4）断路器再清除故障时开关动作所引起之瞬时突波。在此本文将讨论高压开关动作时所引起之突波。

1.2突波干扰模式

突波对于电力系统、电子系统、通信系统的干扰模式有三种型态，分别为横向模干扰、常模干扰及共模干扰三种型态。

（1）横向模干扰。输电网络、浮动系统及未接地的网络系统，因雷云闪络、无线电传输器、汽车点火系统、电弧及其他类似的辐射干扰源，造成电磁场以横向模式传送至电力系统的输电线上，称之为横向模干扰。大部分这类噪声在变压器绕线的输入端即自行消失，由于不平衡的对地阻抗，一小部分的横向干扰噪声未消失，此噪声通常重迭在AC正弦波上。此类干扰噪声之辐射频率约10kHz以上，因此仅对高频的接收器有影响。

（2）常模干扰。配电系统中任何两输送电流线路的导体，出现了不该有的电位差称之常模干扰。换句话说就是噪声重迭在线电压正弦波上称之常模噪声。其干扰形式有雷云闪络突波，远方的开关突波侵入干扰变压一次侧，而以磁耦合方式耦合至二次侧形成常模噪声干扰；分支电路上负载的启动使用与关闭形成瞬间开关突波迭在AC线电压上形成常模噪声干扰；非线性或开关负载影响到电力系统的源阻抗造成总线的供电受干扰，这亦是另一种常模噪声干扰。

（3）共模干扰。配电系统中任一输送电流的线路导体与接地导体间，出现不该有电位差称之共模干扰。另在三相Y接的供电系统中在中性点与地间有异常的电位差亦称之为共模噪声干扰。通常共模噪声对灵敏度极高的设备影响较大。

2开关突波出现在接地系统的方式

开关突波的现象是一种瞬时的现象其瞬时频率介于数kHz至数十kHz之间，且瞬时频率与系统电容成反比，尤其在极少电容量之开关切换其瞬时频率相对比较高，一般认为开关突波仅与受开关操作的回路有关与接地系统无关，其实不然，因为接地系统是电力系统回路的一部分，开关突波电流与电压，都可能透过直接传导、感应与耦合等方式出现在接地系统，如图1所示：

图1开关突波出现在接地系统之方式

检讨目前的电力系统开关突波以直接传导方式出现在接地系统者并不多见，通常是以具多重接地者有机会发生，因其突波电流大多已经过负载（或变压器）的阻隔及系统接地线（如中性线）之分流，故实际流入接地系统者很少。至于透过感应的方式是因有突波电流造成磁场交链到接地系统的导体，而在接地系统上产生感应的突波电压及突波电流，这种磁场感应而来的突波电压或电流通常很小，因突波电流含高频成分其所产生之磁场容易被遮蔽，故发生障碍几率亦小。故本文在此探讨以对地电容耦合的方式所产生之开关突波对接地系统之影响。

经由对地电容的耦合方式使开关突波电流注入系统的情况，在电力系统中随处可见，因任何总线及输电线对接地系统都有电容存在，当开关投入瞬间对接地系统有充电电流，此外就理论上而言，电容瞬间是短路状态（或可能反向充电），故瞬间总线或输电线的电压（甚至更大的电压）可能出现在接地系统上，这些电压基本上是GPR的型式，接地线因突波电流属高频成分，故亦会出现接地电位差GPD，这些现象将随电压等级越高越严重，有必要加以探讨，故为本研究的重点。

3开关突波产生模式

开关突波模式分成开关突波产生的模式及注入接地系统的模式两方面说明，前者将建立捷运系统主变电站161kV系统的电路模型以分析开关动作时突波电流，后者则针对GIS内部开关操作时探讨突波电流注入接地系统（接地网）的方式，并建立等效电路计算电流的变化。

电力系统的开关动作时皆会产生电压突波及电流突波，而其大小则与电压等级、开关操作的方式及电路常数有关，本文利用开关操作的方式产生突波电流的模式，其模式以单极操作模式、三极操作模式及延时三极操作模式为代表，其中三极操作模式是针对三相开关同时操作的情形，延时三极操作模式则是探讨实际情况下三相开关在操作时并不一定会同时投入的情形，而开关突波所产生的突波接地电流主要取决于线路常数（即对地电容）的不平衡。

图2

当161kV主变电站系统之架空线路、电缆及电缆连接站、GIS、主变压器及其接地系统等之架构，其系统是兼做其他用途的主变电站，若未兼做其他用途则复杂度较低。图中各开关包括ABS、DS及断路器（CB）其操作时皆有可能产生开关突波电流注入接地系统而在各处产生瞬时电压，对相关设备及下游系统都有影响，系统主变电站之近似等效电路。在此本文所探讨之接地系统主要为电缆连接站地网、GIS地网及主变压器地网三地网，其地网互连及地网未互连时之特性。

图中GIS内的相导体对GIS外壳有分布电容存在，且PT（比压器）高压侧中性点往往都接于GIS外壳，而低压侧中性点则连接至设备在接至接地总线，而避雷器（LA）之接地线是独立不与GIS外壳连接，但共同接地至接地总线。符号说明：Ea，Eb，Ec三相平衡电源电压Zs电源等效零序阻抗C1g，C2g，C3g分别为a，b，c相对地（接地网）等效电容；Ig注入接地网等效电流；Rg0电源端接地电阻；Rg1开关场接地电阻；电路参数依开关操作状态而定，若是单极操作状态，电源电压En为相电压Ea，Eb，或Ec，而Zs′及Cg可近似等于电源阻抗Zs及相对地电容C1g，C2g，或C3g，即En=Ea（或Eb，Ec）；Cg=C1g（或C2g，C3g）；Zs′=Zs；若是针对三极操作状态En为中性浮接的电压（残余电压），其大小可计算如下：

又因对地容抗大小大于电源阻抗Zs很多，则，，分别代入（2）

带代入（1）可得：

（4）

由（4）式表示之En可视为与频率无关，因C1g，C2g及C3g相互差别不大（一般不超过10%），则Za，Zb及Zc亦相差不大，三者皆以平均值取代则，其并联等效阻抗

Zeq为：

（5）

式中C1g，C2g，及C3g亦可以三者平均值取代之，则（5）式可表示如下：

（6）

式中（7a）

（7b）

由于，RS与LS若不考虑集肤效应则视为与频率无关，C1g，C2g，与C3g亦与频率无关，电路可适用于计算单极或三极操作的突波接地电流。

参考文献

[1] ；席裕庚.预测控制[M].北京：国防工业出版社， ；1993.endprint

摘要：电力系统的开关或断路器操作时都会产生电压及电流的突波，通称为开关突波，突波大小决定于开关（或断路器）操作的时机（投入或切离的时间）、开关操作时系统的状态及相关的电路常数，通常电压等级越高开关突波的强度越大。

关键词：电力系统；开关突波模式；干扰模式；接地系统

中图分类号：TM76 ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ；文章编号：1009-2374（2014）18-0017-02

1开关突波成因及干扰模式

1.1开关突波成因

开关突波产生的方式及类型有很多种，较常见且对于电力系统影响较大的有下列四种：（1）高压开关动作时所引起之突波；（2）各种负载设备在投入与切离所产生之电力电弧；（3）电力系统中电容器组开关动作时所产生之开关突波；（4）断路器再清除故障时开关动作所引起之瞬时突波。在此本文将讨论高压开关动作时所引起之突波。

1.2突波干扰模式

突波对于电力系统、电子系统、通信系统的干扰模式有三种型态，分别为横向模干扰、常模干扰及共模干扰三种型态。

（1）横向模干扰。输电网络、浮动系统及未接地的网络系统，因雷云闪络、无线电传输器、汽车点火系统、电弧及其他类似的辐射干扰源，造成电磁场以横向模式传送至电力系统的输电线上，称之为横向模干扰。大部分这类噪声在变压器绕线的输入端即自行消失，由于不平衡的对地阻抗，一小部分的横向干扰噪声未消失，此噪声通常重迭在AC正弦波上。此类干扰噪声之辐射频率约10kHz以上，因此仅对高频的接收器有影响。

（2）常模干扰。配电系统中任何两输送电流线路的导体，出现了不该有的电位差称之常模干扰。换句话说就是噪声重迭在线电压正弦波上称之常模噪声。其干扰形式有雷云闪络突波，远方的开关突波侵入干扰变压一次侧，而以磁耦合方式耦合至二次侧形成常模噪声干扰；分支电路上负载的启动使用与关闭形成瞬间开关突波迭在AC线电压上形成常模噪声干扰；非线性或开关负载影响到电力系统的源阻抗造成总线的供电受干扰，这亦是另一种常模噪声干扰。

（3）共模干扰。配电系统中任一输送电流的线路导体与接地导体间，出现不该有电位差称之共模干扰。另在三相Y接的供电系统中在中性点与地间有异常的电位差亦称之为共模噪声干扰。通常共模噪声对灵敏度极高的设备影响较大。

2开关突波出现在接地系统的方式

开关突波的现象是一种瞬时的现象其瞬时频率介于数kHz至数十kHz之间，且瞬时频率与系统电容成反比，尤其在极少电容量之开关切换其瞬时频率相对比较高，一般认为开关突波仅与受开关操作的回路有关与接地系统无关，其实不然，因为接地系统是电力系统回路的一部分，开关突波电流与电压，都可能透过直接传导、感应与耦合等方式出现在接地系统，如图1所示：

图1开关突波出现在接地系统之方式

检讨目前的电力系统开关突波以直接传导方式出现在接地系统者并不多见，通常是以具多重接地者有机会发生，因其突波电流大多已经过负载（或变压器）的阻隔及系统接地线（如中性线）之分流，故实际流入接地系统者很少。至于透过感应的方式是因有突波电流造成磁场交链到接地系统的导体，而在接地系统上产生感应的突波电压及突波电流，这种磁场感应而来的突波电压或电流通常很小，因突波电流含高频成分其所产生之磁场容易被遮蔽，故发生障碍几率亦小。故本文在此探讨以对地电容耦合的方式所产生之开关突波对接地系统之影响。

经由对地电容的耦合方式使开关突波电流注入系统的情况，在电力系统中随处可见，因任何总线及输电线对接地系统都有电容存在，当开关投入瞬间对接地系统有充电电流，此外就理论上而言，电容瞬间是短路状态（或可能反向充电），故瞬间总线或输电线的电压（甚至更大的电压）可能出现在接地系统上，这些电压基本上是GPR的型式，接地线因突波电流属高频成分，故亦会出现接地电位差GPD，这些现象将随电压等级越高越严重，有必要加以探讨，故为本研究的重点。

3开关突波产生模式

开关突波模式分成开关突波产生的模式及注入接地系统的模式两方面说明，前者将建立捷运系统主变电站161kV系统的电路模型以分析开关动作时突波电流，后者则针对GIS内部开关操作时探讨突波电流注入接地系统（接地网）的方式，并建立等效电路计算电流的变化。

电力系统的开关动作时皆会产生电压突波及电流突波，而其大小则与电压等级、开关操作的方式及电路常数有关，本文利用开关操作的方式产生突波电流的模式，其模式以单极操作模式、三极操作模式及延时三极操作模式为代表，其中三极操作模式是针对三相开关同时操作的情形，延时三极操作模式则是探讨实际情况下三相开关在操作时并不一定会同时投入的情形，而开关突波所产生的突波接地电流主要取决于线路常数（即对地电容）的不平衡。

图2

当161kV主变电站系统之架空线路、电缆及电缆连接站、GIS、主变压器及其接地系统等之架构，其系统是兼做其他用途的主变电站，若未兼做其他用途则复杂度较低。图中各开关包括ABS、DS及断路器（CB）其操作时皆有可能产生开关突波电流注入接地系统而在各处产生瞬时电压，对相关设备及下游系统都有影响，系统主变电站之近似等效电路。在此本文所探讨之接地系统主要为电缆连接站地网、GIS地网及主变压器地网三地网，其地网互连及地网未互连时之特性。

图中GIS内的相导体对GIS外壳有分布电容存在，且PT（比压器）高压侧中性点往往都接于GIS外壳，而低压侧中性点则连接至设备在接至接地总线，而避雷器（LA）之接地线是独立不与GIS外壳连接，但共同接地至接地总线。符号说明：Ea，Eb，Ec三相平衡电源电压Zs电源等效零序阻抗C1g，C2g，C3g分别为a，b，c相对地（接地网）等效电容；Ig注入接地网等效电流；Rg0电源端接地电阻；Rg1开关场接地电阻；电路参数依开关操作状态而定，若是单极操作状态，电源电压En为相电压Ea，Eb，或Ec，而Zs′及Cg可近似等于电源阻抗Zs及相对地电容C1g，C2g，或C3g，即En=Ea（或Eb，Ec）；Cg=C1g（或C2g，C3g）；Zs′=Zs；若是针对三极操作状态En为中性浮接的电压（残余电压），其大小可计算如下：

又因对地容抗大小大于电源阻抗Zs很多，则，，分别代入（2）

带代入（1）可得：

（4）

由（4）式表示之En可视为与频率无关，因C1g，C2g及C3g相互差别不大（一般不超过10%），则Za，Zb及Zc亦相差不大，三者皆以平均值取代则，其并联等效阻抗

Zeq为：

（5）

式中C1g，C2g，及C3g亦可以三者平均值取代之，则（5）式可表示如下：

（6）

式中（7a）

（7b）

由于，RS与LS若不考虑集肤效应则视为与频率无关，C1g，C2g，与C3g亦与频率无关，电路可适用于计算单极或三极操作的突波接地电流。

参考文献

[1] ；席裕庚.预测控制[M].北京：国防工业出版社， ；1993.endprint