接线方式对电压瞬变电路地电位升的影响

赵淼

摘 要：地电位浮动会对电压瞬变系统中的控制测量回路造成干扰甚至不可逆的损伤，为研究开关位置对地电位的影响规律，分析了典型电压瞬变电路中2种典型开关位置对地电位的影响，估算电路中的各元件参数并仿真得到了2种开关位置情况下电压瞬变电路中公共接地点的电压波形，搭建试验电路测得了2种开关位置情况下电压瞬变电路中公共接地点的电压波形。研究结果表明，电压瞬变过程中分布电容的充电电流流过接地阻抗形成电压降落是导致地电位浮动的根本原因;开关位置不同，电压瞬变过程中充电的电容不同，因此地电位的浮动不同;合理布置高压开关可以减小电压瞬变电路中地电位的浮动幅值。

关键词：高压开关;电压瞬变;地电位浮动;控制测量回路;干扰

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.008

中图分类号：TM835

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2021）04-0056-07

Abstract：Ground potential fluctuation caused interferences or even irreversible damage to the control and measurement circuit in the voltage transient system. To study the influence law of wiring on ground potential， two typical wirings were analyzed in the simplest voltage transient circuit. The parameters of each component in the circuit were estimated and simulated to obtain the voltage waveforms of the common ground point in the voltage transient circuit with two wirings. The test circuit was built to measure the voltage waveforms of the common ground point in the voltage transient circuit. The results showed that the voltage drop which was formed by the charging current of the distributed capacitance flowing through the ground impedance during a voltage transient was the basic reason for the ground potential floating; the switch positions were different and the capacitances charged during the voltage transient was different， therefore the floating of the ground potential was different; the floating amplitude of ground potential in voltage transient circuits could be reduced by arranging high voltage switches rationally.

Keywords：high voltage switch; voltage transient; ground potential fluctuation; control and measurement circuit; interference

0 引 言

许多情况下，只有负载上被施加瞬变电压时才能得到预期的试验效果，如脉冲杀菌、静电除尘、电力设备的脉冲振荡电压试验等[1-4]。当负载上的电压发生快速变化时，试验回路的公共接地点存在地电位升高[5-7]。地电位升高会对整个系统的二次回路，包括测量、控制及显示等弱电部分，产生干扰，严重时会造成不可逆的损伤[8-10]。文献调查表明，对变电站内地电位升高原因及其对二次回路影响的研究成果较多[11-15]。也有少量成果研究了电压瞬变试验回路中的地电位升高及其对二次回路的干扰等问题。文[16]针对试验大厅现场设备接线情况，通过测量回路电流研究了地电位升高原因，并研制了一套可有效避免空间辐射干扰和线路传导干扰的智能组件端口电压测量系统。文[17]分析了等离子体发生器工作时阴极电位升高的原因及其危害，并采用光纤传输模塊隔离了阴极电位升高对测量通道安全的威胁。文[18]定性分析了脉冲功率电源系统电磁干扰的来源、传输路径及抗干扰措施。在以脉冲功率为代表的电压瞬变试验系统中，高压开关作为核心装置必不可少[19-22]。研究开关位置对电压瞬变系统中地电位的影响规律，可以为电压瞬变试验装置的搭建及控制测量回路抗干扰措施改进提供参考。

本文分析了典型电压瞬变电路中2种接线方式对地电位升高的影响，估算电路中的各元件参数并仿真得到了2种接线方式情况下电压瞬变电路中公共接地点的电压波形，搭建试验电路测得了2种接线方式情况下电压瞬变电路中公共接地点的电压波形。

1 接线方式对典型电压瞬变电路地电位的影响分析

电压瞬变电路中应至少包含4个模块，分别为充电电源模块、储能模块、高压开关及负载。电容储能型电压瞬变电路目前应用最广，2种典型电路如图1。图1中，（a）为开关一端接地，储能电容两端悬浮放置;（b）为储能电容一端接地，开关两端悬浮放置;R1为电源保护电阻，R2为充电电阻，S为高压开关，Z为负载阻抗，O点为公共接地点。

实际试验过程中，O点电位并不是零电位，而是存在一定的电位浮动，且2种典型电路的地电位浮动值存在差异。为分析地电位浮动的原因，综合考虑到试验电路中各高电位处对地存在杂散电容及接地阻抗不为零，得到2种典型瞬变电路的放电等效电路如图2。图中，（a）为开关一端接地时放电等效回路;（b）为开关“悬浮”时放电等效回路;C1为等效到负载阻抗上端的对地杂散电容之和，C2为等效到高压开关与充电电容连接点的对地杂散电容之和，i1和i2分别为开关闭合瞬间电容C1及C2的充电电流，L0为开关或储能电容下端到公共地点引线的等效电感，Re和Le分别为包含接地网及试验回路与电网连接导线的等效电阻及电感，O′点为地电位。

从图2（a）可以看出，在开关S闭合前，储能电容C被充得左正右负的电荷，两极板间电压达到近似直流源电压U0，与储能电容的阻抗相比，可以忽略充电电阻R2，因此R2上的压降几乎为零，所以与其并联的杂散电容C1不充电，杂散电容C2被充得上正下负的电荷，两极板间电压为U0。开关S闭合瞬间，储能电容左极板被强制接地，因此右极板电位跳变约为-U0。此时，储能电容C经过S、L0、Re及Le构成闭合回路向杂散电容C1充电，充电电流为i1。由于储能电容值C远大于杂散电容C1，在C1充电过程中，储能电容相当于直流恒压源，所以该电路为直流激励下的二阶电路零状态响应，电容C1上的电压微分方程为一个二阶常系数非齐次微分方程，表达式为

杂散C2经过S、L0、Re及Le构成闭合回路开始放电，放电电流为i2，该电路为典型的二阶电路的零输入响应，列微分方程并求解可得回路电流的表达式为

电流i1与i2方向相同，叠加流过接地电阻及电感，使试验回路的公共接地O点与地电位O′之间存在电势差，表达式为

从图2（b）可以看出，在开关S闭合前，储能电容C被充得上正下负的电荷，两极板间电压达到近似直流源电压U0，杂散电容C1不充电，杂散电容C2被充得上正下负的电荷，两极板间电压为U0。开关S闭合瞬间，由于储能电容C值远大于杂散电容C1及C2值，因此储能电容上极板电位几乎不变。此时，杂散电容C2上下极板电位不变，不充电，i2约为0。储能电容C经过S、L0、Re及Le构成的闭合回路给杂散电容C1充电，充电电流为i1。该回路与图2（a）中的充电回路相同，但直流恒压源极性相反，因此实际的回路电流方向相反，表达式为

流过接地电阻及电感的电流只有i1，试验回路公共接地O点与地电位O′之间的电势差表达式为

由对比式（5）与式（7）可以看出，地电位浮动的幅值随着接地阻抗的增大而增大，随着回路电流的增大而增大。接地电流受到杂散电容值的影响，因此实际上地电位随着杂散电容的增大而增大。开关一端接地时电压瞬变电路所求得的地电位浮动表达比开关“悬浮”放置时表达式中多了杂散电容C2中流过的电流i2的影响，因此开关一端接地接线方式时，电压瞬变电路公共接地点地电位浮动幅值大于开关“悬浮”接线方式。

2 接线方式对地电位浮动影响的仿真研究

为得到同一电压瞬变电路中，开关一端接地与开关“悬浮”情况下，地电位浮动幅值差异的定量结果，进行仿真研究。综合考虑试验验证条件，选择线圈类设备的脉冲电压振荡试验（标准IEC60060-3-2006、GB/T16927.3-2010推荐采用脉冲振荡电压进行电力变压器的现场耐压试验;IEC60076-2007、GB1094.6-2011推荐采用脉冲振荡电压进行干式空心电抗器的匝间绝缘耐压试验;IEC34-15、JB/T10098-2000规定采用脉冲振荡电压进行电机线圈的匝间绝缘试验）为研究对象。

2.1 仿真模型的建立

C1、C2、L0、Re、Le根据试验验证电路实际尺寸估算，主要决定于连接线尺寸。导线对地的杂散电容，相当于圆柱导体对无线大平面导体，单位长度圆柱

导体对地杂散电容估算公式为

式中：a为圆柱导体的半径，单位为m;b为圆柱导体圆心对平面的距离，单位为m;ε0为真空介电常数;εr为两导体间介质相对介电常数;C单位为F。试验回路上端距地面距离约为1.2m，回路连接导线半径约为1.78mm，空气的相对介电常数为1。在典型电路1中，试验回路开关上端与储能电容之间（包括储能二者接线点到保护电阻引线）导线长度约为3m，储能电容与负载之间连接导线长度为1.5m。将以上数值及真空介电常数值代入式（8）可得，单位长度导线对地杂散电容C1、C2分别为11.58pF及23.16pF。

试验中，典型电路2只是将主电容与开关位置互换，其它参数一致，因此杂散电容值不变。空气中单根圆柱导体电感估算公式为

式中：l为导体长度，单位为m;d为导体直径，单位为m;L单位为H。试验中，开关或储能电容下端到试验回路公共地点的连接导线与公共接地点到接地网连接线的半径都为1.78mm，长度都约为6m。以上数值代入式（9）可得，L0及Le都约为9.4μH。

圓柱导体电阻的计算公式为

式中：ρ为体积电阻率，对于铜导体该值为0.017Ω·mm2/m;l为导体长度，6m;s为导体横截面积，单位10mm2。将以上数据代入式（10）可得试验回路公共接地端到接地网连接导线的电阻值约为0.01Ω。试验室接地网的工频接地阻抗为0.3Ω，等效回路中电阻及电感值不确定。

考虑到本研究中，主要探究2种开关放置方式对电压瞬变回路公共接地点地电位浮动的影响规律，因此关键是2种典型电路中的Re、Le数值一致。取包含了接地网电阻及试验回路公共地点连接导线电阻的总电阻Re=0.3Ω，包含了接地网电感及试验回路公共接地点连接导线电感的总电感Le=15μH。回路中其它参数为：充电电容3nF;负载电感11mH;直流电源额定电压50kV;电源保护电阻R1=10kΩ。按照图2中的电路搭建仿真电路，具体元件按以上参数赋值。开关“悬浮”接线方式的仿真电路与图2（b）完全一致，开关一端接地接线方式的仿真电路为在图2（a）中去掉充电电阻R2后得到，因为直流充电过程中，负载电感阻抗近似为零，不需充电电阻提供充电通路。

2.2 仿真结果

图3（a）与图3（b）分别为开关一端接地接线方式及开关“悬浮”接线方式下得到的负载电感两端电压波形。

从图3中可以看出，2种电路得到的储能电容与负载电感之间形成的主振荡电压波形基本一致，振荡周期都约为27kHz，电压极性相反。开关一端接地时电压峰值接近70kV，开关悬浮时电压峰值接近60kV，说明2种开关位置情况下高频干扰存在差异。该差异是由于在主振荡波形第一个峰值处存在高频干扰，为杂散电容与引线电感（包括L0及Le）之间形成的高频振荡。忽略高频干扰，负载电感上的电压峰值都约为50kV，接近储能电容充电电压值。

图4（a）与图4（b）分别为开关一端接地接线方式及开关“悬浮”接线方式下得到的试验回路公共接地点O与地电位O′点的电压波形。从图4中可以看出，开关一端接地时地电位跳变幅值是开关悬浮放置时地电位跳变幅值的3倍，幅值分别约为30kV和10kV，电压极性相反。公共接地点浮动电压振荡频率相近，约為5MHz，远远大于主振荡电压振荡频率。

图5（a）与图5（b）分别为开关一端接地接线方式及开关“悬浮”接线方式下流过接地等效阻抗的电流波形。从图5中可以看出，开关一端接地时流过接地阻抗的电流幅值是开关悬浮时的3倍，幅值分别约为60A和20A，电流方向相反。电流振荡频率相近，约为5MHz。结合2种开关位置对应的公共接地点地电位跳变电压表达式（5）及式（7），当方程中电流幅值相差3倍，电流变化率相近时，电压跳变幅值肯定也相差3倍。分析结果与仿真结果得到了相互印证。

3 接线方式对地电位浮动影响的试验研究

3.1 试验电路及方法

为进一步验证分析及仿真结果，搭建电路进行试验研究，试验电路如图6。

图中试验主回路包括直流高压发生器（整合了试验变压器、高压硅堆及保护电阻）、球隙开关、充电电容、负载电感，测量回路由高压探头及示波器组成。文[14]的研究结果表明，当有瞬态大电流流入接地网时，距离电流入地点20m以上位置的地网电位几乎不变。本研究中高压试验大厅接地网的尺寸为20m×40m，从距离电流入地点21m远的地网（远端地网）引线连接至高压探头尾端，高压探头首端连接至试验回路的公共接地点，公共接地点与电流入地点（近端地网）距离6m，这样高压探头上被施加的电压即为地电位浮动电压。

试验中，球隙开关采用自然放电方式，开关直径15cm。正式测量前，进行球隙的击穿试验，每种球隙间距下进行10次击穿试验，两层试验间隔5min。然后调整球隙间距，使10次击穿电压的平均值接近50kV。之后进行正式试验，测量公共接地点的电压。

3.2 试验结果

开关一端接地及开关“悬浮”方式下测得的公共接地点的电压波形分别如图7（a）及图7（b）。

从图7中可以看出，开关一端接地时地电位跳变幅值约为开关“悬浮”时地电位跳变幅值的3倍。幅值分别约为19kV及7kV。2种开关位置电压跳变幅值的倍数与仿真结果一致，但是幅值比仿真结果小。试验过程中，远端地网的电位也可能存在一定的浮动，不严格为0电位，使测得的数据偏小。此外，试验回路中存在一定的回路电感值，该电感与接地阻抗串联分压，使测得的数据偏小。试验测得的公共接地点的电压波形没有仿真波形规则，说明试验回路中存在其它的高频振荡。综合以上分析，试验结果证明了分析及仿真结果所得规律的正确性，即开关一端接地接线方式时，电压瞬变电路公共接地点地电位浮动幅值大于开关“悬浮”接线方式。

4 结 论

综合分析、仿真及试验研究，得到如下结论：

1）电压瞬变电路中，回路的公共地点地电位存在升高，升高幅值随着接地阻抗的增大而增大，随着杂散电容的增大而增大。

2）开关一端接地接线方式下，电压瞬变电路地电位的升高幅值大于开关“悬浮”接线方式，甚至相差数倍。

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（编辑：温泽宇）