電力系統開關突波模式研究

朱永剛

摘要：電力系統的開關或斷路器操作時都會產生電壓及電流的突波，通稱為開關突波，突波大小決定于開關（或斷路器）操作的時機（投入或切離的時間）、開關操作時系統的狀態及相關的電路常數，通常電壓等級越高開關突波的強度越大。

關鍵詞：電力系統；開關突波模式；干擾模式；接地系統

中圖分類號：TM76?；?；?；?；文獻標識碼：A?；?；?；?；文章編號：1009-2374（2014）18-0017-02

1開關突波成因及干擾模式

1.1開關突波成因

開關突波產生的方式及類型有很多種，較常見且對于電力系統影響較大的有下列四種：（1）高壓開關動作時所引起之突波；（2）各種負載設備在投入與切離所產生之電力電弧；（3）電力系統中電容器組開關動作時所產生之開關突波；（4）斷路器再清除故障時開關動作所引起之瞬時突波。在此本文將討論高壓開關動作時所引起之突波。

1.2突波干擾模式

突波對于電力系統、電子系統、通信系統的干擾模式有三種型態，分別為橫向模干擾、常模干擾及共模干擾三種型態。

（1）橫向模干擾。輸電網絡、浮動系統及未接地的網絡系統，因雷云閃絡、無線電傳輸器、汽車點火系統、電弧及其他類似的輻射干擾源，造成電磁場以橫向模式傳送至電力系統的輸電線上，稱之為橫向模干擾。大部分這類噪聲在變壓器繞線的輸入端即自行消失，由于不平衡的對地阻抗，一小部分的橫向干擾噪聲未消失，此噪聲通常重迭在AC正弦波上。此類干擾噪聲之輻射頻率約10kHz以上，因此僅對高頻的接收器有影響。

（2）常模干擾。配電系統中任何兩輸送電流線路的導體，出現了不該有的電位差稱之常模干擾。換句話說就是噪聲重迭在線電壓正弦波上稱之常模噪聲。其干擾形式有雷云閃絡突波，遠方的開關突波侵入干擾變壓一次側，而以磁耦合方式耦合至二次側形成常模噪聲干擾；分支電路上負載的啟動使用與關閉形成瞬間開關突波迭在AC線電壓上形成常模噪聲干擾；非線性或開關負載影響到電力系統的源阻抗造成總線的供電受干擾，這亦是另一種常模噪聲干擾。

（3）共模干擾。配電系統中任一輸送電流的線路導體與接地導體間，出現不該有電位差稱之共模干擾。另在三相Y接的供電系統中在中性點與地間有異常的電位差亦稱之為共模噪聲干擾。通常共模噪聲對靈敏度極高的設備影響較大。

2開關突波出現在接地系統的方式

開關突波的現象是一種瞬時的現象其瞬時頻率介于數kHz至數十kHz之間，且瞬時頻率與系統電容成反比，尤其在極少電容量之開關切換其瞬時頻率相對比較高，一般認為開關突波僅與受開關操作的回路有關與接地系統無關，其實不然，因為接地系統是電力系統回路的一部分，開關突波電流與電壓，都可能透過直接傳導、感應與耦合等方式出現在接地系統，如圖1所示：

圖1開關突波出現在接地系統之方式

檢討目前的電力系統開關突波以直接傳導方式出現在接地系統者并不多見，通常是以具多重接地者有機會發生，因其突波電流大多已經過負載（或變壓器）的阻隔及系統接地線（如中性線）之分流，故實際流入接地系統者很少。至于透過感應的方式是因有突波電流造成磁場交鏈到接地系統的導體，而在接地系統上產生感應的突波電壓及突波電流，這種磁場感應而來的突波電壓或電流通常很小，因突波電流含高頻成分其所產生之磁場容易被遮蔽，故發生障礙幾率亦小。故本文在此探討以對地電容耦合的方式所產生之開關突波對接地系統之影響。

經由對地電容的耦合方式使開關突波電流注入系統的情況，在電力系統中隨處可見，因任何總線及輸電線對接地系統都有電容存在，當開關投入瞬間對接地系統有充電電流，此外就理論上而言，電容瞬間是短路狀態（或可能反向充電），故瞬間總線或輸電線的電壓（甚至更大的電壓）可能出現在接地系統上，這些電壓基本上是GPR的型式，接地線因突波電流屬高頻成分，故亦會出現接地電位差GPD，這些現象將隨電壓等級越高越嚴重，有必要加以探討，故為本研究的重點。

3開關突波產生模式

開關突波模式分成開關突波產生的模式及注入接地系統的模式兩方面說明，前者將建立捷運系統主變電站161kV系統的電路模型以分析開關動作時突波電流，后者則針對GIS內部開關操作時探討突波電流注入接地系統（接地網）的方式，并建立等效電路計算電流的變化。

電力系統的開關動作時皆會產生電壓突波及電流突波，而其大小則與電壓等級、開關操作的方式及電路常數有關，本文利用開關操作的方式產生突波電流的模式，其模式以單極操作模式、三極操作模式及延時三極操作模式為代表，其中三極操作模式是針對三相開關同時操作的情形，延時三極操作模式則是探討實際情況下三相開關在操作時并不一定會同時投入的情形，而開關突波所產生的突波接地電流主要取決于線路常數（即對地電容）的不平衡。

圖2

當161kV主變電站系統之架空線路、電纜及電纜連接站、GIS、主變壓器及其接地系統等之架構，其系統是兼做其他用途的主變電站，若未兼做其他用途則復雜度較低。圖中各開關包括ABS、DS及斷路器（CB）其操作時皆有可能產生開關突波電流注入接地系統而在各處產生瞬時電壓，對相關設備及下游系統都有影響，系統主變電站之近似等效電路。在此本文所探討之接地系統主要為電纜連接站地網、GIS地網及主變壓器地網三地網，其地網互連及地網未互連時之特性。

圖中GIS內的相導體對GIS外殼有分布電容存在，且PT（比壓器）高壓側中性點往往都接于GIS外殼，而低壓側中性點則連接至設備在接至接地總線，而避雷器（LA）之接地線是獨立不與GIS外殼連接，但共同接地至接地總線。符號說明：Ea，Eb，Ec三相平衡電源電壓Zs電源等效零序阻抗C1g，C2g，C3g分別為a，b，c相對地（接地網）等效電容；Ig注入接地網等效電流；Rg0電源端接地電阻；Rg1開關場接地電阻；電路參數依開關操作狀態而定，若是單極操作狀態，電源電壓En為相電壓Ea，Eb，或Ec，而Zs′及Cg可近似等于電源阻抗Zs及相對地電容C1g，C2g，或C3g，即En=Ea（或Eb，Ec）；Cg=C1g（或C2g，C3g）；Zs′=Zs；若是針對三極操作狀態En為中性浮接的電壓（殘余電壓），其大小可計算如下：

又因對地容抗大小大于電源阻抗Zs很多，則，，分別代入（2）

帶代入（1）可得：

（4）

由（4）式表示之En可視為與頻率無關，因C1g，C2g及C3g相互差別不大（一般不超過10%），則Za，Zb及Zc亦相差不大，三者皆以平均值取代則，其并聯等效阻抗

Zeq為：

（5）

式中C1g，C2g，及C3g亦可以三者平均值取代之，則（5）式可表示如下：

（6）

式中（7a）

（7b）

由于，RS與LS若不考慮集膚效應則視為與頻率無關，C1g，C2g，與C3g亦與頻率無關，電路可適用于計算單極或三極操作的突波接地電流。

參考文獻

[1]?；席裕庚.預測控制[M].北京：國防工業出版社，?；1993.endprint

摘要：電力系統的開關或斷路器操作時都會產生電壓及電流的突波，通稱為開關突波，突波大小決定于開關（或斷路器）操作的時機（投入或切離的時間）、開關操作時系統的狀態及相關的電路常數，通常電壓等級越高開關突波的強度越大。

關鍵詞：電力系統；開關突波模式；干擾模式；接地系統

中圖分類號：TM76?；?；?；?；文獻標識碼：A?；?；?；?；文章編號：1009-2374（2014）18-0017-02

1開關突波成因及干擾模式

1.1開關突波成因

開關突波產生的方式及類型有很多種，較常見且對于電力系統影響較大的有下列四種：（1）高壓開關動作時所引起之突波；（2）各種負載設備在投入與切離所產生之電力電弧；（3）電力系統中電容器組開關動作時所產生之開關突波；（4）斷路器再清除故障時開關動作所引起之瞬時突波。在此本文將討論高壓開關動作時所引起之突波。

1.2突波干擾模式

突波對于電力系統、電子系統、通信系統的干擾模式有三種型態，分別為橫向模干擾、常模干擾及共模干擾三種型態。

（1）橫向模干擾。輸電網絡、浮動系統及未接地的網絡系統，因雷云閃絡、無線電傳輸器、汽車點火系統、電弧及其他類似的輻射干擾源，造成電磁場以橫向模式傳送至電力系統的輸電線上，稱之為橫向模干擾。大部分這類噪聲在變壓器繞線的輸入端即自行消失，由于不平衡的對地阻抗，一小部分的橫向干擾噪聲未消失，此噪聲通常重迭在AC正弦波上。此類干擾噪聲之輻射頻率約10kHz以上，因此僅對高頻的接收器有影響。

（2）常模干擾。配電系統中任何兩輸送電流線路的導體，出現了不該有的電位差稱之常模干擾。換句話說就是噪聲重迭在線電壓正弦波上稱之常模噪聲。其干擾形式有雷云閃絡突波，遠方的開關突波侵入干擾變壓一次側，而以磁耦合方式耦合至二次側形成常模噪聲干擾；分支電路上負載的啟動使用與關閉形成瞬間開關突波迭在AC線電壓上形成常模噪聲干擾；非線性或開關負載影響到電力系統的源阻抗造成總線的供電受干擾，這亦是另一種常模噪聲干擾。

（3）共模干擾。配電系統中任一輸送電流的線路導體與接地導體間，出現不該有電位差稱之共模干擾。另在三相Y接的供電系統中在中性點與地間有異常的電位差亦稱之為共模噪聲干擾。通常共模噪聲對靈敏度極高的設備影響較大。

2開關突波出現在接地系統的方式

開關突波的現象是一種瞬時的現象其瞬時頻率介于數kHz至數十kHz之間，且瞬時頻率與系統電容成反比，尤其在極少電容量之開關切換其瞬時頻率相對比較高，一般認為開關突波僅與受開關操作的回路有關與接地系統無關，其實不然，因為接地系統是電力系統回路的一部分，開關突波電流與電壓，都可能透過直接傳導、感應與耦合等方式出現在接地系統，如圖1所示：

圖1開關突波出現在接地系統之方式

檢討目前的電力系統開關突波以直接傳導方式出現在接地系統者并不多見，通常是以具多重接地者有機會發生，因其突波電流大多已經過負載（或變壓器）的阻隔及系統接地線（如中性線）之分流，故實際流入接地系統者很少。至于透過感應的方式是因有突波電流造成磁場交鏈到接地系統的導體，而在接地系統上產生感應的突波電壓及突波電流，這種磁場感應而來的突波電壓或電流通常很小，因突波電流含高頻成分其所產生之磁場容易被遮蔽，故發生障礙幾率亦小。故本文在此探討以對地電容耦合的方式所產生之開關突波對接地系統之影響。

經由對地電容的耦合方式使開關突波電流注入系統的情況，在電力系統中隨處可見，因任何總線及輸電線對接地系統都有電容存在，當開關投入瞬間對接地系統有充電電流，此外就理論上而言，電容瞬間是短路狀態（或可能反向充電），故瞬間總線或輸電線的電壓（甚至更大的電壓）可能出現在接地系統上，這些電壓基本上是GPR的型式，接地線因突波電流屬高頻成分，故亦會出現接地電位差GPD，這些現象將隨電壓等級越高越嚴重，有必要加以探討，故為本研究的重點。

3開關突波產生模式

開關突波模式分成開關突波產生的模式及注入接地系統的模式兩方面說明，前者將建立捷運系統主變電站161kV系統的電路模型以分析開關動作時突波電流，后者則針對GIS內部開關操作時探討突波電流注入接地系統（接地網）的方式，并建立等效電路計算電流的變化。

電力系統的開關動作時皆會產生電壓突波及電流突波，而其大小則與電壓等級、開關操作的方式及電路常數有關，本文利用開關操作的方式產生突波電流的模式，其模式以單極操作模式、三極操作模式及延時三極操作模式為代表，其中三極操作模式是針對三相開關同時操作的情形，延時三極操作模式則是探討實際情況下三相開關在操作時并不一定會同時投入的情形，而開關突波所產生的突波接地電流主要取決于線路常數（即對地電容）的不平衡。

圖2

當161kV主變電站系統之架空線路、電纜及電纜連接站、GIS、主變壓器及其接地系統等之架構，其系統是兼做其他用途的主變電站，若未兼做其他用途則復雜度較低。圖中各開關包括ABS、DS及斷路器（CB）其操作時皆有可能產生開關突波電流注入接地系統而在各處產生瞬時電壓，對相關設備及下游系統都有影響，系統主變電站之近似等效電路。在此本文所探討之接地系統主要為電纜連接站地網、GIS地網及主變壓器地網三地網，其地網互連及地網未互連時之特性。

圖中GIS內的相導體對GIS外殼有分布電容存在，且PT（比壓器）高壓側中性點往往都接于GIS外殼，而低壓側中性點則連接至設備在接至接地總線，而避雷器（LA）之接地線是獨立不與GIS外殼連接，但共同接地至接地總線。符號說明：Ea，Eb，Ec三相平衡電源電壓Zs電源等效零序阻抗C1g，C2g，C3g分別為a，b，c相對地（接地網）等效電容；Ig注入接地網等效電流；Rg0電源端接地電阻；Rg1開關場接地電阻；電路參數依開關操作狀態而定，若是單極操作狀態，電源電壓En為相電壓Ea，Eb，或Ec，而Zs′及Cg可近似等于電源阻抗Zs及相對地電容C1g，C2g，或C3g，即En=Ea（或Eb，Ec）；Cg=C1g（或C2g，C3g）；Zs′=Zs；若是針對三極操作狀態En為中性浮接的電壓（殘余電壓），其大小可計算如下：

又因對地容抗大小大于電源阻抗Zs很多，則，，分別代入（2）

帶代入（1）可得：

（4）

由（4）式表示之En可視為與頻率無關，因C1g，C2g及C3g相互差別不大（一般不超過10%），則Za，Zb及Zc亦相差不大，三者皆以平均值取代則，其并聯等效阻抗

Zeq為：

（5）

式中C1g，C2g，及C3g亦可以三者平均值取代之，則（5）式可表示如下：

（6）

式中（7a）

（7b）

由于，RS與LS若不考慮集膚效應則視為與頻率無關，C1g，C2g，與C3g亦與頻率無關，電路可適用于計算單極或三極操作的突波接地電流。

參考文獻

[1]?；席裕庚.預測控制[M].北京：國防工業出版社，?；1993.endprint

摘要：電力系統的開關或斷路器操作時都會產生電壓及電流的突波，通稱為開關突波，突波大小決定于開關（或斷路器）操作的時機（投入或切離的時間）、開關操作時系統的狀態及相關的電路常數，通常電壓等級越高開關突波的強度越大。

關鍵詞：電力系統；開關突波模式；干擾模式；接地系統

中圖分類號：TM76?；?；?；?；文獻標識碼：A?；?；?；?；文章編號：1009-2374（2014）18-0017-02

1開關突波成因及干擾模式

1.1開關突波成因

開關突波產生的方式及類型有很多種，較常見且對于電力系統影響較大的有下列四種：（1）高壓開關動作時所引起之突波；（2）各種負載設備在投入與切離所產生之電力電弧；（3）電力系統中電容器組開關動作時所產生之開關突波；（4）斷路器再清除故障時開關動作所引起之瞬時突波。在此本文將討論高壓開關動作時所引起之突波。

1.2突波干擾模式

突波對于電力系統、電子系統、通信系統的干擾模式有三種型態，分別為橫向模干擾、常模干擾及共模干擾三種型態。

（1）橫向模干擾。輸電網絡、浮動系統及未接地的網絡系統，因雷云閃絡、無線電傳輸器、汽車點火系統、電弧及其他類似的輻射干擾源，造成電磁場以橫向模式傳送至電力系統的輸電線上，稱之為橫向模干擾。大部分這類噪聲在變壓器繞線的輸入端即自行消失，由于不平衡的對地阻抗，一小部分的橫向干擾噪聲未消失，此噪聲通常重迭在AC正弦波上。此類干擾噪聲之輻射頻率約10kHz以上，因此僅對高頻的接收器有影響。

（2）常模干擾。配電系統中任何兩輸送電流線路的導體，出現了不該有的電位差稱之常模干擾。換句話說就是噪聲重迭在線電壓正弦波上稱之常模噪聲。其干擾形式有雷云閃絡突波，遠方的開關突波侵入干擾變壓一次側，而以磁耦合方式耦合至二次側形成常模噪聲干擾；分支電路上負載的啟動使用與關閉形成瞬間開關突波迭在AC線電壓上形成常模噪聲干擾；非線性或開關負載影響到電力系統的源阻抗造成總線的供電受干擾，這亦是另一種常模噪聲干擾。

（3）共模干擾。配電系統中任一輸送電流的線路導體與接地導體間，出現不該有電位差稱之共模干擾。另在三相Y接的供電系統中在中性點與地間有異常的電位差亦稱之為共模噪聲干擾。通常共模噪聲對靈敏度極高的設備影響較大。

2開關突波出現在接地系統的方式

開關突波的現象是一種瞬時的現象其瞬時頻率介于數kHz至數十kHz之間，且瞬時頻率與系統電容成反比，尤其在極少電容量之開關切換其瞬時頻率相對比較高，一般認為開關突波僅與受開關操作的回路有關與接地系統無關，其實不然，因為接地系統是電力系統回路的一部分，開關突波電流與電壓，都可能透過直接傳導、感應與耦合等方式出現在接地系統，如圖1所示：

圖1開關突波出現在接地系統之方式

檢討目前的電力系統開關突波以直接傳導方式出現在接地系統者并不多見，通常是以具多重接地者有機會發生，因其突波電流大多已經過負載（或變壓器）的阻隔及系統接地線（如中性線）之分流，故實際流入接地系統者很少。至于透過感應的方式是因有突波電流造成磁場交鏈到接地系統的導體，而在接地系統上產生感應的突波電壓及突波電流，這種磁場感應而來的突波電壓或電流通常很小，因突波電流含高頻成分其所產生之磁場容易被遮蔽，故發生障礙幾率亦小。故本文在此探討以對地電容耦合的方式所產生之開關突波對接地系統之影響。

經由對地電容的耦合方式使開關突波電流注入系統的情況，在電力系統中隨處可見，因任何總線及輸電線對接地系統都有電容存在，當開關投入瞬間對接地系統有充電電流，此外就理論上而言，電容瞬間是短路狀態（或可能反向充電），故瞬間總線或輸電線的電壓（甚至更大的電壓）可能出現在接地系統上，這些電壓基本上是GPR的型式，接地線因突波電流屬高頻成分，故亦會出現接地電位差GPD，這些現象將隨電壓等級越高越嚴重，有必要加以探討，故為本研究的重點。

3開關突波產生模式

開關突波模式分成開關突波產生的模式及注入接地系統的模式兩方面說明，前者將建立捷運系統主變電站161kV系統的電路模型以分析開關動作時突波電流，后者則針對GIS內部開關操作時探討突波電流注入接地系統（接地網）的方式，并建立等效電路計算電流的變化。

電力系統的開關動作時皆會產生電壓突波及電流突波，而其大小則與電壓等級、開關操作的方式及電路常數有關，本文利用開關操作的方式產生突波電流的模式，其模式以單極操作模式、三極操作模式及延時三極操作模式為代表，其中三極操作模式是針對三相開關同時操作的情形，延時三極操作模式則是探討實際情況下三相開關在操作時并不一定會同時投入的情形，而開關突波所產生的突波接地電流主要取決于線路常數（即對地電容）的不平衡。

圖2

當161kV主變電站系統之架空線路、電纜及電纜連接站、GIS、主變壓器及其接地系統等之架構，其系統是兼做其他用途的主變電站，若未兼做其他用途則復雜度較低。圖中各開關包括ABS、DS及斷路器（CB）其操作時皆有可能產生開關突波電流注入接地系統而在各處產生瞬時電壓，對相關設備及下游系統都有影響，系統主變電站之近似等效電路。在此本文所探討之接地系統主要為電纜連接站地網、GIS地網及主變壓器地網三地網，其地網互連及地網未互連時之特性。

圖中GIS內的相導體對GIS外殼有分布電容存在，且PT（比壓器）高壓側中性點往往都接于GIS外殼，而低壓側中性點則連接至設備在接至接地總線，而避雷器（LA）之接地線是獨立不與GIS外殼連接，但共同接地至接地總線。符號說明：Ea，Eb，Ec三相平衡電源電壓Zs電源等效零序阻抗C1g，C2g，C3g分別為a，b，c相對地（接地網）等效電容；Ig注入接地網等效電流；Rg0電源端接地電阻；Rg1開關場接地電阻；電路參數依開關操作狀態而定，若是單極操作狀態，電源電壓En為相電壓Ea，Eb，或Ec，而Zs′及Cg可近似等于電源阻抗Zs及相對地電容C1g，C2g，或C3g，即En=Ea（或Eb，Ec）；Cg=C1g（或C2g，C3g）；Zs′=Zs；若是針對三極操作狀態En為中性浮接的電壓（殘余電壓），其大小可計算如下：

又因對地容抗大小大于電源阻抗Zs很多，則，，分別代入（2）

帶代入（1）可得：

（4）

由（4）式表示之En可視為與頻率無關，因C1g，C2g及C3g相互差別不大（一般不超過10%），則Za，Zb及Zc亦相差不大，三者皆以平均值取代則，其并聯等效阻抗

Zeq為：

（5）

式中C1g，C2g，及C3g亦可以三者平均值取代之，則（5）式可表示如下：

（6）

式中（7a）

（7b）

由于，RS與LS若不考慮集膚效應則視為與頻率無關，C1g，C2g，與C3g亦與頻率無關，電路可適用于計算單極或三極操作的突波接地電流。

參考文獻

[1]?；席裕庚.預測控制[M].北京：國防工業出版社，?；1993.endprint