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电力工程师必须掌握的电压瞬变知识

时间:2023-06-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于电力工程师而言,瞬变这个词通常直接与电路的过渡过程相连。所以,IEEE在电压质量相关的规范中一般避免使用浪涌一词,而以“瞬变”来代替。而在电压质量标准中,又进一步将瞬变分成两类,即脉冲瞬变和振荡瞬变,用来区分电流或电压瞬变的波形。图3-6 典型瞬变测试波形的频谱图3-7 浪涌的不同定义

电力工程师必须掌握的电压瞬变知识

根据IEEE 519的定义,下面对各类电压质量加以简要的说明。

瞬变也称暂态现象,通常用来描述一种本质上不希望的,且持续时间很短暂的事件。在电路理论中,通常被用来描述当电路从一个稳定状态转变到另一个稳定状态时所出现的短暂的物理现象,此时系统变量中随时间延续衰减到零的那部分分量通常称为暂态分量,也称瞬态分量,而与其对应的变动过程称为过渡过程。比如RL和RC电路的阶跃响应,和在RLC电路中发生的衰减振荡就是典型的瞬变过程。对于电力工程师而言,瞬变这个词通常直接与电路的过渡过程相连。而电力系统中常用的“浪涌(Surge)”则更是一个与瞬变紧密相关的词,它通常用来描述由于雷电或开关动作所引起的暂态过程,当两个相邻的不同系统,如电力系统和通信系统,其中一个发生浪涌时,由于两者之间的相互作用,也会在另一个系统中引起浪涌现象。作为电压质量问题的一个重要组成部分,浪涌的特性是负荷和系统结构的函数,同时也受到季节和地点的影响,比如雷击现象就是一个明显的实例。图3-4给出了美国标准C62.41[2]在时域范围内对浪涌影响进行的描述,图中,浪涌和短时过电压(TOV)被分为两个重点研究的区域,前者定义为持续时间不超过额定电源频率半个周波的波形变动,而不超过数秒的电压升高(Swell)被看做是短时过电压的子集。

IEC将浪涌定义为“沿线路或电路传输的瞬变电压波形,其特征为该电压具有一个迅速上升的前沿和一个下降较慢的尾部过程”[3]。“浪涌”的主要特性包括幅值、持续时间、上升时间、振荡的频率、极性、能量传输能力(可存储于浪涌吸收设备的能量)、幅度频谱、发生时刻与基频信号之间的相位和发生的频率等。而持续时间是否小于半个周期是区别浪涌和其他扰动,如电压暂降、突升等的主要特征(但在文献[1]中则定义:浪涌为持续时间为半个周波到数秒的基频瞬间过电压,所以应当特别注意不同应用范围中名词的含义)。为了便于分析,IEEE在标准C61.41[4]中将频率为100kHz的衰减振荡波形——“振铃波形”作为低压系统试验波形(见图3-5)。

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图3-4 故障电压、持续时间、变化率和对设备的影响之间的简化关系

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图3-5 100kHz振铃波形(www.xing528.com)

包括振铃波形和后述典型测试波形在内的频谱特性如图3-6所示,可以看到电力系统瞬变给出的频谱分量达到接近10MHz(持续时间达200μs),而在1MHz附近仍可能具有相当大的幅值(持续2ms)。对于电网的终端用户而言,通常测试波形的幅值达到6kV和5kA。因此,进行测试时,采样频率必须大于上述频率的两倍。

尽管“浪涌”一词在电气工程中被广泛应用,但由于其意义比较含混,并且往往用户和电力公司对浪涌的意义有不同的理解,前者认为浪涌是指持续时间在半个周期到数秒的基频暂态过电压,而后者将浪涌定义为电路中产生的持续时间小于半个周波的过电压瞬态波形,如图3-7所示。所以,IEEE在电压质量相关的规范中一般避免使用浪涌一词,而以“瞬变”来代替。而在电压质量标准中,又进一步将瞬变分成两类,即脉冲瞬变和振荡瞬变,用来区分电流或电压瞬变的波形。

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图3-6 典型瞬变测试波形的频谱

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图3-7 浪涌的不同定义

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