變電所二次回路的操作過電壓
2025/2/18
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電網(wǎng)在運行中，往往由于電氣設(shè)備絕緣的老化或損壞以及外力破壞等原因，致使電網(wǎng)運行不正常。如中性點不接地系統(tǒng)的單相接地或設(shè)備過負(fù)荷等，或是發(fā)生電力事故時，要求能及時地發(fā)出信號或警報，通知運行值班人員進(jìn)行處理，或能自動跳閘將故障切除，限制事故的擴大，盡量減少對其他用戶的影響，避免造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。在二次回路中存在有許多電感線圈（如斷路器、繼電器、接觸器等設(shè)備均有不同作用的線圈），這些設(shè)備的線圈都具有一定電感量，當(dāng)事故跳閘或停電操作時，突然切斷電感電路的電流時，往往會產(chǎn)生較大的反電勢，由于它的幅值大，頻率高，稱為操作干擾過電壓，此過電壓通常對回路中的一些電器元件產(chǎn)生破壞或干擾作用。
一、 操作過電壓產(chǎn)生的機理
變電所二次回路中存在許多不同作用的線圈，它們都有一定電感量。這些線圈除了具有電感外，還有電阻及線圈聯(lián)線間、匝間存在的分布電容。若將分布電容用一個等值集中電容代替并聯(lián)到線圈兩端，就構(gòu)成一個RLC的衰減振蕩電路。其繼電器的觸點起到回路中的開關(guān)作用。由電工學(xué)可知：當(dāng)回路的開關(guān)斷開時，往往產(chǎn)生較大反電勢。電容器兩端電壓按一定規(guī)律變化，其電壓波形是一個正弦衰減振蕩電壓。由于此電壓不受電源控制，所以又叫自由分量電壓，此電壓經(jīng)過1/4周期稍長的時間達(dá)到zui大值。當(dāng)電阻值較小時，電容器兩端電壓zui大，往往比電源電壓高出幾倍或十幾倍，這是操作時產(chǎn)生的過電壓。
二、 操作過電壓的危害
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故跳閘或停電操作時，突然切斷電感電路的電流時會產(chǎn)生過電壓。在開關(guān)斷開過程中，觸點間的距離尚未到達(dá)足夠大時就已經(jīng)被擊穿，高電壓進(jìn)入直流操作電源系統(tǒng)，電壓承受水平較低的半導(dǎo)體器件就會受到不同程度的破壞及影響。因為半導(dǎo)體器件的過電壓承受水平較低，反應(yīng)靈敏，會造成損壞或無法正常工作。而對電磁元件影響不大，因為其絕緣水平較高，并且其動作過程有一定的惰性，所以不會造成誤動作影響正常工作。
三、 操作過電壓的傳遞途徑
操作過電壓的傳遞是一種電能傳遞過程，任何電能傳遞都通過電與磁的途徑實現(xiàn)。二次回路突然切斷電感電路的電流時，所產(chǎn)生的操作過電壓，一方面會通過觸點間的電弧傳入直流系統(tǒng)，另一方面原來線圈的磁場能量會轉(zhuǎn)換成分布電容的電場能量，這說明分布電容起到傳遞過電壓的作用。
其次，磁場的耦合作用也會傳遞過電壓，過電壓器具的振蕩電流產(chǎn)生交變磁場，有部分磁力線與受干擾回路耦合，在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這是由磁場耦合而傳遞過電壓的。
第三，在二次回路操作過程中，多數(shù)情況是電壓較大，電流不一定大。控制回路常采用多芯電纜，纜芯平行且靠得很近，靜電互感系數(shù)比較大，而磁力線絕大部分集中在斷路器、繼電器、跳合閘線圈等鐵心線圈回路中，與之相比纜芯之間交鏈的磁力線很少，互感系數(shù)較小。因此，操作過電壓比感應(yīng)電壓大得多，這也說明過電壓主要是通過分布電容進(jìn)行傳遞。
四、 操作過電壓的防范措施
當(dāng)突然切斷電感回路的電流時，會產(chǎn)生操作干擾電壓，其特點是幅值大，頻率高。幅值大則產(chǎn)生過電壓，頻率高則易通過分布電容傳遞。據(jù)此特點而采取如下防范措施：
1線圈兩端并聯(lián)非線性電阻
二極管是常用的非線性電阻。為防止操作時的過電壓，常用方法是在線圈兩端并聯(lián)一個非線性電阻，當(dāng)突然切斷電感電路的電流時，往往會產(chǎn)生較大的反電勢，由于并聯(lián)二極管，反電勢通過二極管被短路，線圈中的自由分量電流是按指數(shù)形式衰減。線圈的端電壓等于二極管的壓降，其值遠(yuǎn)小于電源電壓。這樣，二極管就能消除振蕩過電壓的產(chǎn)生。但這種辦法不適用于交流電路。
2線圈兩端并聯(lián)阻容支路
這種辦法不僅適用于直流電路也適用于交流電路。其結(jié)線方式是把阻容支路并聯(lián)在線圈兩端。在增加的并聯(lián)支路所組成的回路中，電阻被調(diào)整到臨界值，因而當(dāng)開關(guān)切斷載流線圈電流時不產(chǎn)生振蕩。另一方面，由于兩支路的時間常數(shù)相等，因而不管總電流隨時間如何變化，兩支路中的自由電流分量總是大小相等，方向相反。電源支路中自由電流分量等于零，也就是說，當(dāng)開關(guān)切斷線圈電流時，線圈兩端的電壓為零。所以這種結(jié)線方式，不僅可消除操作過電壓，同時也消除了在切斷感性負(fù)載時，開關(guān)觸點間產(chǎn)生的電弧及火花。
3采用具有金屬屏蔽層的電纜
當(dāng)二次回路中的電纜靠得比較近時，一根電纜的高頻電壓，會通過分布電容傳遞到附近另一根電纜纜芯上，為減少過電壓的傳遞，采用有金屬屏蔽層的電纜，并將屏蔽層在電纜兩端分別接地，從而使操作過電壓的磁力線絕大部分集中在屏蔽層，不會進(jìn)入電纜內(nèi)部，從而避免了過電壓的傳遞。
如果電纜沒有金屬屏蔽層時，將電纜內(nèi)備用纜芯接地，同樣也能起到減少操作過電壓傳遞的效果。
在采取防止操作干擾過電壓的措施時，同時還應(yīng)注意不能影響裝置的正常工作。
一、 操作過電壓產(chǎn)生的機理
變電所二次回路中存在許多不同作用的線圈，它們都有一定電感量。這些線圈除了具有電感外，還有電阻及線圈聯(lián)線間、匝間存在的分布電容。若將分布電容用一個等值集中電容代替并聯(lián)到線圈兩端，就構(gòu)成一個RLC的衰減振蕩電路。其繼電器的觸點起到回路中的開關(guān)作用。由電工學(xué)可知：當(dāng)回路的開關(guān)斷開時，往往產(chǎn)生較大反電勢。電容器兩端電壓按一定規(guī)律變化，其電壓波形是一個正弦衰減振蕩電壓。由于此電壓不受電源控制，所以又叫自由分量電壓，此電壓經(jīng)過1/4周期稍長的時間達(dá)到zui大值。當(dāng)電阻值較小時，電容器兩端電壓zui大，往往比電源電壓高出幾倍或十幾倍，這是操作時產(chǎn)生的過電壓。
二、 操作過電壓的危害
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故跳閘或停電操作時，突然切斷電感電路的電流時會產(chǎn)生過電壓。在開關(guān)斷開過程中，觸點間的距離尚未到達(dá)足夠大時就已經(jīng)被擊穿，高電壓進(jìn)入直流操作電源系統(tǒng)，電壓承受水平較低的半導(dǎo)體器件就會受到不同程度的破壞及影響。因為半導(dǎo)體器件的過電壓承受水平較低，反應(yīng)靈敏，會造成損壞或無法正常工作。而對電磁元件影響不大，因為其絕緣水平較高，并且其動作過程有一定的惰性，所以不會造成誤動作影響正常工作。
三、 操作過電壓的傳遞途徑
操作過電壓的傳遞是一種電能傳遞過程，任何電能傳遞都通過電與磁的途徑實現(xiàn)。二次回路突然切斷電感電路的電流時，所產(chǎn)生的操作過電壓，一方面會通過觸點間的電弧傳入直流系統(tǒng)，另一方面原來線圈的磁場能量會轉(zhuǎn)換成分布電容的電場能量，這說明分布電容起到傳遞過電壓的作用。
其次，磁場的耦合作用也會傳遞過電壓，過電壓器具的振蕩電流產(chǎn)生交變磁場，有部分磁力線與受干擾回路耦合，在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這是由磁場耦合而傳遞過電壓的。
第三，在二次回路操作過程中，多數(shù)情況是電壓較大，電流不一定大。控制回路常采用多芯電纜，纜芯平行且靠得很近，靜電互感系數(shù)比較大，而磁力線絕大部分集中在斷路器、繼電器、跳合閘線圈等鐵心線圈回路中，與之相比纜芯之間交鏈的磁力線很少，互感系數(shù)較小。因此，操作過電壓比感應(yīng)電壓大得多，這也說明過電壓主要是通過分布電容進(jìn)行傳遞。
四、 操作過電壓的防范措施
當(dāng)突然切斷電感回路的電流時，會產(chǎn)生操作干擾電壓，其特點是幅值大，頻率高。幅值大則產(chǎn)生過電壓，頻率高則易通過分布電容傳遞。據(jù)此特點而采取如下防范措施：
1線圈兩端并聯(lián)非線性電阻
二極管是常用的非線性電阻。為防止操作時的過電壓，常用方法是在線圈兩端并聯(lián)一個非線性電阻，當(dāng)突然切斷電感電路的電流時，往往會產(chǎn)生較大的反電勢，由于并聯(lián)二極管，反電勢通過二極管被短路，線圈中的自由分量電流是按指數(shù)形式衰減。線圈的端電壓等于二極管的壓降，其值遠(yuǎn)小于電源電壓。這樣，二極管就能消除振蕩過電壓的產(chǎn)生。但這種辦法不適用于交流電路。
2線圈兩端并聯(lián)阻容支路
這種辦法不僅適用于直流電路也適用于交流電路。其結(jié)線方式是把阻容支路并聯(lián)在線圈兩端。在增加的并聯(lián)支路所組成的回路中，電阻被調(diào)整到臨界值，因而當(dāng)開關(guān)切斷載流線圈電流時不產(chǎn)生振蕩。另一方面，由于兩支路的時間常數(shù)相等，因而不管總電流隨時間如何變化，兩支路中的自由電流分量總是大小相等，方向相反。電源支路中自由電流分量等于零，也就是說，當(dāng)開關(guān)切斷線圈電流時，線圈兩端的電壓為零。所以這種結(jié)線方式，不僅可消除操作過電壓，同時也消除了在切斷感性負(fù)載時，開關(guān)觸點間產(chǎn)生的電弧及火花。
3采用具有金屬屏蔽層的電纜
當(dāng)二次回路中的電纜靠得比較近時，一根電纜的高頻電壓，會通過分布電容傳遞到附近另一根電纜纜芯上，為減少過電壓的傳遞，采用有金屬屏蔽層的電纜，并將屏蔽層在電纜兩端分別接地，從而使操作過電壓的磁力線絕大部分集中在屏蔽層，不會進(jìn)入電纜內(nèi)部，從而避免了過電壓的傳遞。
如果電纜沒有金屬屏蔽層時，將電纜內(nèi)備用纜芯接地，同樣也能起到減少操作過電壓傳遞的效果。
在采取防止操作干擾過電壓的措施時，同時還應(yīng)注意不能影響裝置的正常工作。
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