电力系统中的脉冲瞬变现象及其影响

脉冲瞬变用来描述一种在电压、电流或者两者都处在稳态条件下突然发生的非电源频率的改变，该变动通常是单极性的（即是正极性或者负极性）。

脉冲瞬变，即浪涌，通常是用它们的上升和衰减时间来表征的，也可用它们的频谱分量来进行描述。脉冲瞬变最通常的起因是雷电。雷电是一种无法避免的自然现象，它可以直接与输电线或建筑物之间产生闪电，或通过耦合的方式影响架空线或埋地电缆，造成过电压和浪涌电流。图3-8所示为ATP仿真软件中一个仿真实例，用来研究距400kV变电所（TR400）900m处的铁塔，经受一个峰值为120kA、波前时间为4μs，幅值衰减到一半的时间为40μs的雷击信号时的雷击点A、接入点B和距离雷击点0.3km处C的电流波形^[5]。

可以看到，由于脉冲瞬变涉及高频分量，尽管它可能会沿电力线传输一定的距离，但在电路元件和线路电阻的作用下被很快地阻尼，所以通常不会被传导到远离脉冲源进入电力系统的地方，从而导致输电系统不同的部分呈现出非常不同的特性。对于电力系统而言，直击雷相当于闪电的电流流经设备，而由于雷电通道的等效阻抗很高（数千欧），所以可以将施加在设备上的雷电电流近似看作是一个不受系统结构影响的理想电流源。根据相对阻抗的大小和设备中电路的结构，直接耦合会引起电流或电压冲击。此时，如果Z₁≈Z₂，即

如果Z₁Z₂，则

U₂=i_SZ₁

图3-8 ATP仿真软件给出的雷击引起的瞬变电流波形

此外，流经连接导体的雷电电流还会在相邻电路中产生感应电压，该电压可以描述为

U_i=Mdi_S/dt （3-2）

图3-9 雷电浪涌的直接和间接耦合

a）直接耦合 b）间接（感性）耦合

对于近处雷击，其带来的威胁与直接雷击相似，但此时只有部分雷电电流流经设备，同时感应耦合也因雷电通道和受影响的电路之间的距离较大而减小。IEEE对于400m处120V供电线路的监测数据指出，其中最大的浪涌电压可高达5600V。

远处雷击的影响仅限于感应电压（见图3-9b），并且由于距离很远，所以其产生的感应电压也比前两者小得多。

图3-10则为IEEE给出的一个典型的由雷击引起的脉冲瞬变电流波形^[6]。(www.xing528.com)

图3-10 实际电力系统中雷击引起的脉冲瞬变电流波形

脉冲瞬变的另一个起因是开关动作。这包括两类：一类是电力系统运行中有目的地利用开关动作对负荷进行投切，比如用户的家用电器中电冰箱、空调机频繁、随机性地起停，办公机器和照明器具的开关以及电容器组、电抗器组和变压器的投切等，均是开关操作的常见实例；另一类是电力系统故障以及故障清除后的系统恢复所涉及的开关过程。

但在开关投切感性负荷，如电机和变压器时，由于在感性负荷中储存有大量能量，故断路器断开时可能出现的电弧重燃会导致负荷两端产生远高于上述数值，比如大于4倍系统电压幅值的振荡过电压。而电容器组投入时同样会引起很高的暂态过电压，如图3-11所示为EMTDC/PSCAD软件仿真得到的短路容量为200MVA的10kV母线上两组背靠背2Mvar的电容器组，一组为固定电容，一组合闸时系统相电压U_a和相电流I_s及合闸接入的电容器组电流I₁的波形。相应的相电流I_s的频谱如图3-12所示。

除了正常操作外，电力系统的故障，比如绝缘老化引起的闪络，通过熔断器和快速断路器的动作将故障切除时，以及故障切除后利用自动重合闸使系统恢复正常运行时的过渡过程，也是产生脉冲瞬变的重要原因之一。试验表明，用隔离开关切合空载母线时，开关触头间将产生电弧重燃，在回路中形成一系列高频振荡。分闸操作时，振荡幅值随着重燃次数的增加而增大；合闸操作时则相反，振幅会随着电弧重燃次数的增加而降低。实际上，由于现在实际应用的断路器的断口之间有灭弧介质（加油、压缩空气、SF₆气体等），而且动触头的运动进度比隔离开关快，所以操作时电弧重燃的概率很小，所产生的干扰较之隔离开关操作时低得多。当断口间有抑制操作过电压的并联电阻时，对二次回路的干扰就更小。

图3-11 背靠背电容投入的仿真波形（EMTDC/PSCAD）

□曲线—相电流I_s ○曲线—合闸接入的电容器组电流I₁波形

图3-12 背靠背电容器组合闸产生的低频振荡频谱

瞬变电压的变化率是标志电路对扰动敏感性的又一个重要的参数。美国的统计数据表明，即便在峰值仅为500V的条件下，上述变化率也可能达到100V/ns的数值。图3-13给出了瞬变电压变化率与瞬变电压之间的关系。

应当注意的是，脉冲瞬变可以诱发电力系统自然频率的谐振，并导致振荡瞬变现象的发生。

图3-13 瞬变电压的变化率与瞬变电压的关系