接線方式對電壓瞬變電路地電位升的影響

趙淼

摘 要：地電位浮動會對電壓瞬變系統(tǒng)中的控制測量回路造成干擾甚至不可逆的損傷，為研究開關位置對地電位的影響規(guī)律，分析了典型電壓瞬變電路中2種典型開關位置對地電位的影響，估算電路中的各元件參數(shù)并仿真得到了2種開關位置情況下電壓瞬變電路中公共接地點的電壓波形，搭建試驗電路測得了2種開關位置情況下電壓瞬變電路中公共接地點的電壓波形。研究結果表明，電壓瞬變過程中分布電容的充電電流流過接地阻抗形成電壓降落是導致地電位浮動的根本原因;開關位置不同，電壓瞬變過程中充電的電容不同，因此地電位的浮動不同;合理布置高壓開關可以減小電壓瞬變電路中地電位的浮動幅值。

關鍵詞：高壓開關;電壓瞬變;地電位浮動;控制測量回路;干擾

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.008

中圖分類號：TM835

文獻標志碼：A

文章編號：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

許多情況下，只有負載上被施加瞬變電壓時才能得到預期的試驗效果，如脈沖殺菌、靜電除塵、電力設備的脈沖振蕩電壓試驗等[1-4]。當負載上的電壓發(fā)生快速變化時，試驗回路的公共接地點存在地電位升高[5-7]。地電位升高會對整個系統(tǒng)的二次回路，包括測量、控制及顯示等弱電部分，產(chǎn)生干擾，嚴重時會造成不可逆的損傷[8-10]。文獻調(diào)查表明，對變電站內(nèi)地電位升高原因及其對二次回路影響的研究成果較多[11-15]。也有少量成果研究了電壓瞬變試驗回路中的地電位升高及其對二次回路的干擾等問題。文[16]針對試驗大廳現(xiàn)場設備接線情況，通過測量回路電流研究了地電位升高原因，并研制了一套可有效避免空間輻射干擾和線路傳導干擾的智能組件端口電壓測量系統(tǒng)。文[17]分析了等離子體發(fā)生器工作時陰極電位升高的原因及其危害，并采用光纖傳輸模塊隔離了陰極電位升高對測量通道安全的威脅。文[18]定性分析了脈沖功率電源系統(tǒng)電磁干擾的來源、傳輸路徑及抗干擾措施。在以脈沖功率為代表的電壓瞬變試驗系統(tǒng)中，高壓開關作為核心裝置必不可少[19-22]。研究開關位置對電壓瞬變系統(tǒng)中地電位的影響規(guī)律，可以為電壓瞬變試驗裝置的搭建及控制測量回路抗干擾措施改進提供參考。

本文分析了典型電壓瞬變電路中2種接線方式對地電位升高的影響，估算電路中的各元件參數(shù)并仿真得到了2種接線方式情況下電壓瞬變電路中公共接地點的電壓波形，搭建試驗電路測得了2種接線方式情況下電壓瞬變電路中公共接地點的電壓波形。

1 接線方式對典型電壓瞬變電路地電位的影響分析

電壓瞬變電路中應至少包含4個模塊，分別為充電電源模塊、儲能模塊、高壓開關及負載。電容儲能型電壓瞬變電路目前應用最廣，2種典型電路如圖1。圖1中，（a）為開關一端接地，儲能電容兩端懸浮放置;（b）為儲能電容一端接地，開關兩端懸浮放置;R1為電源保護電阻，R2為充電電阻，S為高壓開關，Z為負載阻抗，O點為公共接地點。

實際試驗過程中，O點電位并不是零電位，而是存在一定的電位浮動，且2種典型電路的地電位浮動值存在差異。為分析地電位浮動的原因，綜合考慮到試驗電路中各高電位處對地存在雜散電容及接地阻抗不為零，得到2種典型瞬變電路的放電等效電路如圖2。圖中，（a）為開關一端接地時放電等效回路;（b）為開關“懸浮”時放電等效回路;C1為等效到負載阻抗上端的對地雜散電容之和，C2為等效到高壓開關與充電電容連接點的對地雜散電容之和，i1和i2分別為開關閉合瞬間電容C1及C2的充電電流，L0為開關或儲能電容下端到公共地點引線的等效電感，Re和Le分別為包含接地網(wǎng)及試驗回路與電網(wǎng)連接導線的等效電阻及電感，O′點為地電位。

從圖2（a）可以看出，在開關S閉合前，儲能電容C被充得左正右負的電荷，兩極板間電壓達到近似直流源電壓U0，與儲能電容的阻抗相比，可以忽略充電電阻R2，因此R2上的壓降幾乎為零，所以與其并聯(lián)的雜散電容C1不充電，雜散電容C2被充得上正下負的電荷，兩極板間電壓為U0。開關S閉合瞬間，儲能電容左極板被強制接地，因此右極板電位跳變約為-U0。此時，儲能電容C經(jīng)過S、L0、Re及Le構成閉合回路向雜散電容C1充電，充電電流為i1。由于儲能電容值C遠大于雜散電容C1，在C1充電過程中，儲能電容相當于直流恒壓源，所以該電路為直流激勵下的二階電路零狀態(tài)響應，電容C1上的電壓微分方程為一個二階常系數(shù)非齊次微分方程，表達式為

雜散C2經(jīng)過S、L0、Re及Le構成閉合回路開始放電，放電電流為i2，該電路為典型的二階電路的零輸入響應，列微分方程并求解可得回路電流的表達式為

電流i1與i2方向相同，疊加流過接地電阻及電感，使試驗回路的公共接地O點與地電位O′之間存在電勢差，表達式為

從圖2（b）可以看出，在開關S閉合前，儲能電容C被充得上正下負的電荷，兩極板間電壓達到近似直流源電壓U0，雜散電容C1不充電，雜散電容C2被充得上正下負的電荷，兩極板間電壓為U0。開關S閉合瞬間，由于儲能電容C值遠大于雜散電容C1及C2值，因此儲能電容上極板電位幾乎不變。此時，雜散電容C2上下極板電位不變，不充電，i2約為0。儲能電容C經(jīng)過S、L0、Re及Le構成的閉合回路給雜散電容C1充電，充電電流為i1。該回路與圖2（a）中的充電回路相同，但直流恒壓源極性相反，因此實際的回路電流方向相反，表達式為

流過接地電阻及電感的電流只有i1，試驗回路公共接地O點與地電位O′之間的電勢差表達式為

由對比式（5）與式（7）可以看出，地電位浮動的幅值隨著接地阻抗的增大而增大，隨著回路電流的增大而增大。接地電流受到雜散電容值的影響，因此實際上地電位隨著雜散電容的增大而增大。開關一端接地時電壓瞬變電路所求得的地電位浮動表達比開關“懸浮”放置時表達式中多了雜散電容C2中流過的電流i2的影響，因此開關一端接地接線方式時，電壓瞬變電路公共接地點地電位浮動幅值大于開關“懸浮”接線方式。

2 接線方式對地電位浮動影響的仿真研究

為得到同一電壓瞬變電路中，開關一端接地與開關“懸浮”情況下，地電位浮動幅值差異的定量結果，進行仿真研究。綜合考慮試驗驗證條件，選擇線圈類設備的脈沖電壓振蕩試驗（標準IEC60060-3-2006、GB/T16927.3-2010推薦采用脈沖振蕩電壓進行電力變壓器的現(xiàn)場耐壓試驗;IEC60076-2007、GB1094.6-2011推薦采用脈沖振蕩電壓進行干式空心電抗器的匝間絕緣耐壓試驗;IEC34-15、JB/T10098-2000規(guī)定采用脈沖振蕩電壓進行電機線圈的匝間絕緣試驗）為研究對象。

2.1 仿真模型的建立

C1、C2、L0、Re、Le根據(jù)試驗驗證電路實際尺寸估算，主要決定于連接線尺寸。導線對地的雜散電容，相當于圓柱導體對無線大平面導體，單位長度圓柱

導體對地雜散電容估算公式為

式中：a為圓柱導體的半徑，單位為m;b為圓柱導體圓心對平面的距離，單位為m;ε0為真空介電常數(shù);εr為兩導體間介質相對介電常數(shù);C單位為F。試驗回路上端距地面距離約為1.2m，回路連接導線半徑約為1.78mm，空氣的相對介電常數(shù)為1。在典型電路1中，試驗回路開關上端與儲能電容之間（包括儲能二者接線點到保護電阻引線）導線長度約為3m，儲能電容與負載之間連接導線長度為1.5m。將以上數(shù)值及真空介電常數(shù)值代入式（8）可得，單位長度導線對地雜散電容C1、C2分別為11.58pF及23.16pF。

試驗中，典型電路2只是將主電容與開關位置互換，其它參數(shù)一致，因此雜散電容值不變?？諝庵袉胃鶊A柱導體電感估算公式為

式中：l為導體長度，單位為m;d為導體直徑，單位為m;L單位為H。試驗中，開關或儲能電容下端到試驗回路公共地點的連接導線與公共接地點到接地網(wǎng)連接線的半徑都為1.78mm，長度都約為6m。以上數(shù)值代入式（9）可得，L0及Le都約為9.4μH。

圓柱導體電阻的計算公式為

式中：ρ為體積電阻率，對于銅導體該值為0.017Ω·mm2/m;l為導體長度，6m;s為導體橫截面積，單位10mm2。將以上數(shù)據(jù)代入式（10）可得試驗回路公共接地端到接地網(wǎng)連接導線的電阻值約為0.01Ω。試驗室接地網(wǎng)的工頻接地阻抗為0.3Ω，等效回路中電阻及電感值不確定。

考慮到本研究中，主要探究2種開關放置方式對電壓瞬變回路公共接地點地電位浮動的影響規(guī)律，因此關鍵是2種典型電路中的Re、Le數(shù)值一致。取包含了接地網(wǎng)電阻及試驗回路公共地點連接導線電阻的總電阻Re=0.3Ω，包含了接地網(wǎng)電感及試驗回路公共接地點連接導線電感的總電感Le=15μH?；芈分衅渌鼌?shù)為：充電電容3nF;負載電感11mH;直流電源額定電壓50kV;電源保護電阻R1=10kΩ。按照圖2中的電路搭建仿真電路，具體元件按以上參數(shù)賦值。開關“懸浮”接線方式的仿真電路與圖2（b）完全一致，開關一端接地接線方式的仿真電路為在圖2（a）中去掉充電電阻R2后得到，因為直流充電過程中，負載電感阻抗近似為零，不需充電電阻提供充電通路。

2.2 仿真結果

圖3（a）與圖3（b）分別為開關一端接地接線方式及開關“懸浮”接線方式下得到的負載電感兩端電壓波形。

從圖3中可以看出，2種電路得到的儲能電容與負載電感之間形成的主振蕩電壓波形基本一致，振蕩周期都約為27kHz，電壓極性相反。開關一端接地時電壓峰值接近70kV，開關懸浮時電壓峰值接近60kV，說明2種開關位置情況下高頻干擾存在差異。該差異是由于在主振蕩波形第一個峰值處存在高頻干擾，為雜散電容與引線電感（包括L0及Le）之間形成的高頻振蕩。忽略高頻干擾，負載電感上的電壓峰值都約為50kV，接近儲能電容充電電壓值。

圖4（a）與圖4（b）分別為開關一端接地接線方式及開關“懸浮”接線方式下得到的試驗回路公共接地點O與地電位O′點的電壓波形。從圖4中可以看出，開關一端接地時地電位跳變幅值是開關懸浮放置時地電位跳變幅值的3倍，幅值分別約為30kV和10kV，電壓極性相反。公共接地點浮動電壓振蕩頻率相近，約為5MHz，遠遠大于主振蕩電壓振蕩頻率。

圖5（a）與圖5（b）分別為開關一端接地接線方式及開關“懸浮”接線方式下流過接地等效阻抗的電流波形。從圖5中可以看出，開關一端接地時流過接地阻抗的電流幅值是開關懸浮時的3倍，幅值分別約為60A和20A，電流方向相反。電流振蕩頻率相近，約為5MHz。結合2種開關位置對應的公共接地點地電位跳變電壓表達式（5）及式（7），當方程中電流幅值相差3倍，電流變化率相近時，電壓跳變幅值肯定也相差3倍。分析結果與仿真結果得到了相互印證。

3 接線方式對地電位浮動影響的試驗研究

3.1 試驗電路及方法

為進一步驗證分析及仿真結果，搭建電路進行試驗研究，試驗電路如圖6。

圖中試驗主回路包括直流高壓發(fā)生器（整合了試驗變壓器、高壓硅堆及保護電阻）、球隙開關、充電電容、負載電感，測量回路由高壓探頭及示波器組成。文[14]的研究結果表明，當有瞬態(tài)大電流流入接地網(wǎng)時，距離電流入地點20m以上位置的地網(wǎng)電位幾乎不變。本研究中高壓試驗大廳接地網(wǎng)的尺寸為20m×40m，從距離電流入地點21m遠的地網(wǎng)（遠端地網(wǎng)）引線連接至高壓探頭尾端，高壓探頭首端連接至試驗回路的公共接地點，公共接地點與電流入地點（近端地網(wǎng)）距離6m，這樣高壓探頭上被施加的電壓即為地電位浮動電壓。

試驗中，球隙開關采用自然放電方式，開關直徑15cm。正式測量前，進行球隙的擊穿試驗，每種球隙間距下進行10次擊穿試驗，兩層試驗間隔5min。然后調(diào)整球隙間距，使10次擊穿電壓的平均值接近50kV。之后進行正式試驗，測量公共接地點的電壓。

3.2 試驗結果

開關一端接地及開關“懸浮”方式下測得的公共接地點的電壓波形分別如圖7（a）及圖7（b）。

從圖7中可以看出，開關一端接地時地電位跳變幅值約為開關“懸浮”時地電位跳變幅值的3倍。幅值分別約為19kV及7kV。2種開關位置電壓跳變幅值的倍數(shù)與仿真結果一致，但是幅值比仿真結果小。試驗過程中，遠端地網(wǎng)的電位也可能存在一定的浮動，不嚴格為0電位，使測得的數(shù)據(jù)偏小。此外，試驗回路中存在一定的回路電感值，該電感與接地阻抗串聯(lián)分壓，使測得的數(shù)據(jù)偏小。試驗測得的公共接地點的電壓波形沒有仿真波形規(guī)則，說明試驗回路中存在其它的高頻振蕩。綜合以上分析，試驗結果證明了分析及仿真結果所得規(guī)律的正確性，即開關一端接地接線方式時，電壓瞬變電路公共接地點地電位浮動幅值大于開關“懸浮”接線方式。

4 結 論

綜合分析、仿真及試驗研究，得到如下結論：

1）電壓瞬變電路中，回路的公共地點地電位存在升高，升高幅值隨著接地阻抗的增大而增大，隨著雜散電容的增大而增大。

2）開關一端接地接線方式下，電壓瞬變電路地電位的升高幅值大于開關“懸浮”接線方式，甚至相差數(shù)倍。

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（編輯：溫澤宇）