RC阻容吸收计算公式

阻容吸收器是一个频敏元件，不同于压敏元件（如避雷器）。其可以看作一个典型的串联RC保护电路，R、C、L同时起作用。 一、电容选值

操作过电压，其实质是开关开端时产生的电磁能量震荡过程。在回路中没有保护器存在时，总电容值很小，导致震荡频率f很高。电容的引入，可以大大提高回路总电容值，降低震荡频率。最佳的效果应是降低频率正好到工频（50Hz），基本计算公式如下： f=ω/2π （1）

ω=（1/LC－（R/2L）2）1/2 （2）

由于每个电路的初始L和C都不同，最佳值是不可能得到的。只能依据真空断路器大致的情况进行经验比较。根据多年运行经验，取电容0.1μF时，一般可以将f限制在150Hz以下，因此0.1就成为一个比较通用的值。理论上讲，若对具体电路可以做到精确测算，容量再大些对保护效果会更好（这就是有些地方用0.2或0.15的原因），但若没有精确测算，导致f太小将造成副作用。 二、电阻选值

R是一个阻尼元件，一方面对震荡频率有影响，一方面对电容器保护有利。

对震荡频率的影响可以参考上面的公式（2），R不应小于其临界值2（L/C）1/2，否则对降低频率不利。所以存在电阻值不应小于100Ω的说法。R值高同样有利于保护电容本身安全，防止电容过载烧毁。故一般高安全性的阻容吸收装置，都适当的增大了R的值（一般最高做到400Ω）。但是R值如果太大，将大大提高时间常数，导致暂态时间延长，不利于保护的高效性。

所以我们希望R能够是一个压敏元件，在低压下电阻尽可能大，以保护电容；在高压下达到百欧姆级，以利于工作。自控式阻容吸收器的最主要改革就在于此。而且这样改革后，额外的起到了限制正常电压下阻容吸收器接地电流的作用，不会造成以往出现的阻容吸收器接地电流引发系统误判断的问题，简化了整体设计

非线性阻容吸收器选用的7个关键词

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作者： 阅读人次：295 发布时间：2010-10-21 17:14:01 关键词： 阻容吸收 过电压 操作过电压

阻容吸收器是一种特殊的吸收操作过电压设备，由于工作原理上与氧化锌避雷器类限幅设备不同，由于目前大多数地方是使用氧化锌避雷器类限幅设备限制操作过电压的，导致很多用户不知道如何选择阻容吸收器才是合适的。本文用7个关键词来辨析非线性阻容吸收器的技术要点，希望对用户选择产品有一定帮助。

关键词1——频敏

区别阻容吸收器和氧化锌避雷器类限幅设备，关键的地方在于前者是“频敏”，而后者是“压敏”，阻容吸收器核心上是一种破坏震荡条件，降低震荡频率的保护设备。

阻容吸收器是一个串联RC保护电路，与系统的R、C、L同时起作用。操作过电压其实质是开关开端时产生的电磁能量震荡过程，在这个过程中一旦满足谐振条件，将产生比操作过电压持续时间长得多的串联谐振，直到破坏谐振条件为止。在回路中没有吸收器存在时，总电容值很小，导致震荡频率f很高。电容C的引入，可以大大提高回路总电容值，降低震荡频率。最佳的效果应是降低频率正好到工频（50Hz），基本计算公式如下：

f=ω/2π （1）

ωL=1/ ωC （2）

由于每个电路的初始L和C都不同，同时谐振本身不一定是线性设备引起的，最佳值是不可能靠计算得到的，只能依据真空断路器大致的情况进行经验比较。根据多年运行经验，取电容0.1μF时，一般可以将f限制在150Hz以下，因此0.1就成为一个比较通用的值。理论上说，若对具体电路可以做到精确测算，容量再大些对保护效果会更好（这就是有些地方设计采用0.2的原因），但若未精确测算，盲目增大电容量，导致f过小将产生副作用。

阻容吸收器的电阻R是一个阻尼元件，一方面对震荡频率有影响，一方面对电容器自身保护有利。

R存在一个临界值，过高或过低对降低频率均不利，所以存在电阻值不应小于100Ω的说法。R值适当增高有利于保护电容本身安全，防止电容过载烧毁。故一般高安全性的阻容吸收装

置，都适当的增大了R的值（一般最高做到400Ω）。但是R值如果太大，将大大提高时间常数τ，导致暂态时间延长，不利于保护的高效性。 关键词2——匝间保护

感性负载的匝间电位梯度与电流陡度（di/dt）成正比，操作过电压的震荡频率可达到几十到几百kHz，陡度极高。这种陡度对电机和变压器的匝间绝缘危害很大，同时易使断路器发生重燃。现场许多事故实例都证明，在操作过电压的作用下，电机和变压器的损坏部位大多集中在匝间，且以进线端匝间为主，这表明陡度对带绕组的电气设备危害事实上很大。

图一 线圈的匝间击穿

氧化锌限幅型过电压保护设备，是依据限幅原理进行过电压泻放的，未达到泻放幅值的高频震荡不响应。因此对改变操作过电压的震荡频率，降低陡度无能为力。即使选择使用残压限制效果最理想的氧化锌类过电压保护设备，也无法避免高频震荡导致的匝间损坏事故。而相反阻容吸收器的阻容回路就是为了破坏震荡条件，降低陡波陡度而设计的，可以有效降低绕组间电位梯度，成功抑制高陡度对电气设备的危害。

关键词3——弱绝缘保护

电气设备的绝缘水平是指设备绝缘能耐受的试验电压值（比如通常做的1min工频耐受电压测试，还有长时间工频耐受电压、雷电冲击耐受电压、操作冲击耐受电压等多种指标），在此电压作用下，绝缘不发生闪络、击穿或其他损坏现象。合理的绝缘配合是电力系统安全可靠运行的基本保证，要求过电压保护设备的工作特性，能够和电气设备的绝缘耐受指标配合起来，确保带过电压保护装置的电气设备不承担超过自身绝缘耐受指标的过电压冲击。 对电机这种典型的弱绝缘设备（自身绝缘耐受能力不高的设备），业内一直存在采用氧化锌限幅型设备保护困难的说法，绝缘配合总是很困难，下面进行一下简单计算说明原因。 对于在运行中的高压电动机，其相对地和相对相之间的绝缘所能承受的过电压数值，可用下式进行计算：

U= (2Ue+1)×0.75×K （3）

式（3）中 Ue：高压电动机的额定电压kV K：冲击系数。取1.1～1.4 若取K=1.15，则 对10kV的高压电动机

U= (2×10+1) ×0.75×1.15=25.6kV 对6kv的高压电动机

U=（2×6+1）×0.75×1.15=15.9kV

由于6-10kV中压电力系统的中性点是不接地的，当此系统发生单相接地时仍允许继续带故障运行两小时，这样，在此情况下，氧化锌避雷器所承受的工频电压最大Ug为： 对10kV高压电动机

Ug= ×1.15×U （4） = ×1.15×10 =16.3kV 对6kV高压电动机 Ug= ×1.15×U = ×1.15×6 =9.76 kV

因为，为了保证氧化锌避雷器的安全运行，其标称电压U1mA必须大于Ug，所以，对10 kV氧化锌避雷器通常取U1mA=18.5～19.5kV；对6kV氧化锌避雷器，通常取U1mA=10.5～11.5kV。 又按我国目前避雷器的制造水平，其通过100A时的电压U100A与U1mA之比约为1.4。这样，可以算得当避雷器中流过100A时其上的残压UC为： 对10kV避雷器

UC=1.4（18.5～19.5）=25.9～27.3kV 对6kV避雷器

UC=1.4（10.5～11.5）=14.7～16.1kV

将电压UC和前面的电机耐受电压U进行比较，可以看到，UC几乎等于U，没有绝缘配合的安全裕度了，这和变压器类绝缘配合安全裕度好的设备（10kV变压器1min工频耐受电压高达 ×42kV）形成了鲜明的对比。所以用氧化锌避雷器保护高压电动机的绝缘配合是非常勉强的，其可靠性较差。

在这种情况下，要限制过电压的幅值，最好的办法是增入一个微法级的电容。C值增大电压的幅值会对应正比下降。

另一方面，要限制过电压的振荡频率，降低操作波陡度，也只有增加振荡回路中的电容C（见上个关键词的讨论），这样才可以减少过电压对匝间绝缘的破坏。因此一些国外厂商提供给中国的发电机断路器两侧自带并联电容，也是为此目的。

关键词4——自控接入

前面说到，阻容吸收器的电阻R是一个阻尼元件，一方面用于降低震荡频率，一方面用于对电容器自身进行保护。震荡频率的影响前面在说电阻选择依据时已经有说明，这里关键是谈一下电阻非线性存在对吸收器自身安全性的意义。

新一代阻容吸收器为什么采用自控接入型电阻，是与阻容吸收器的发展过程有很大关系的。传统的阻容吸收器采用的是线绕电阻，无感绕法，本身功率有限，一般300W左右。后来有些制造企业采用了陶瓷电阻代替线绕电阻，功率可以提高到500W。图2是一种典型的线绕电阻阻容吸收器，上端的圆柱型金属网就是线绕电阻。

图二 线绕电阻的阻容吸收器

阻容吸收器电阻的理论功率，可以由接地电容电流大小来测算，公式如下：

Ic=Ue/Xc=Ue2πfC （5）

以10kV系统为例，相电压为10000/ =5.77kV。

当电容值取0.1μF时，容抗Xc约为3万，和数百欧姆的阻抗相比，阻抗的矢量部分可以忽略不计，最终的电流基本上是电容决定的。

因此最终的I=Ic=0.185A，为正常电压下通过阻容吸收器的持续电流。

根据这个电流可以计算正常电压下电阻的功率。假设电阻的阻值为200Ω，则最终功率为7W左右，很小，因此理论上说阻容吸收器电阻的热容量是足够的。

但是，真实的阻容吸收器，在采用数百瓦电阻以后，依然经常出现电阻持续发热发红，甚至烧毁事件。更奇怪的是这样的状况并不是断路器操作期间由于震荡发生的，而是系统“正常”的时候发生的。实际使用中的阻容吸收器，即使500W电阻往往还感觉功率不足有隐患。这是为什么呢？

我们前面说到，事实上阻容吸收器是频敏元件，频敏元件是比压敏元件对谐波更敏感的设备。系统存在的高次谐波多少，在常规的电网监控设备上不能有效反映，因为在有效值上并不明显。然而实际上高次谐波的高频会数倍的增加阻容吸收器电阻和电容的负担，使其实际的工作状态根本不是理论的50Hz。在这样的情况下，理论计算得到的安全裕度（这里特指功率）根本毫无意义，因此阻容吸收器的电阻电容都无法有效估算寿命。

电网的谐波污染，不是保护某种具体设备的专用保护器可以治理的。即使是氧化锌类压敏设备，容量更大对谐波更不敏感，其设计依据，也要求避开谐波干扰，防止谐波造成产品使用寿命不稳定（见DL/T804 避雷器使用导则）。因此传统的线性电阻类阻容吸收器不能有效适应中国电网谐波污染不确定的实际情况，即使是进口阻容吸收器也不能确定可靠的使用寿命。

在这种情况下，借用避雷器防止谐波干扰的手段，采用自控接入法避开日常运行中系统的高次谐波，就是一种最佳的策略。自控接入后，需要进行操作过电压防护时数百欧姆电阻和电容才接入，而当系统无操作时，工作元件是与系统隔离的，可以有效防止系统谐波的干扰。同时阻容吸收器正常的接地电流也不再是安培级，而是微安级。

关键词5——节能环保

上面说了，传统的线性阻容，存在持续的电阻有功电流，是在额外浪费电能转变成热能。上式（5）曾经做了理论计算，得到电阻功率不足10W的理论值，这个电能浪费基本是可以接受的。然而我们又知道，由于谐波干扰的存在，实际上电阻发热的情况远远高过理论的几W，而是经常达到数百瓦，这就不是一个小数目了。

假设一个电站使用25台线性阻容吸收器，每台持续消耗200W的电能，那总体浪费就达到了5千瓦，这与绿色环保的21世纪技术革新理念是背道而弛的。即使简单计算电能损耗造成的电费损失，每度按0.5元计算，一年也将额外支出数万元，是一比不小的负担。 相反，采用非线性阻容吸收器，只在操作瞬间进行工作，大多数时间是不消耗电能的，基本上和常规避雷器造成的干扰相当，是不额外造成电能浪费的。而其保护性能要优于氧化锌类压敏保护设备，从长远上降低了设备的事故率，减少了异常状况的时间，所以也可以说比避雷器更加环保。

关键词6——简化设计

从以上计算可知，每台线性阻容吸收器的接地电容电流将达到0.2A左右（35kV产品更高）。如果在一条母线上连接着数十台线性阻容吸收器，再加上电机回路的电容电流有可能超过规

程规定的允许值，则在电机中性点必须装设消弧线圈或电阻以保护设备的安全运行。因此，在电机回路特别是在发电机回路中选择设备时，不仅要考虑电机回路的电容电流，同时要考虑分支回路的对地电容和用于真空断路器的阻容吸收器接地电容电流，这一问题往往被设计人员及运行管理人员所忽视。

为了确保继电保护设计的安全性，在装有线性阻容吸收器的系统，必须考虑接地电容电流的累加值。使用数量多的时候，这个累加值能达到数十安培。同时这个电流也不是固定不变的，系统谐波污染的变化，单相接地故障等长持续时间异常状况的出现，都可能导致这个电流值出现明显变化。这样一来，系统整体的继电保护设计，将由于线性阻容吸收器的存在而复杂化。

为了简化系统设计，安装非线性阻容吸收装置是一个最好的选择。一方面可以具有比较良好的操作过电压防护；另一方面由于不再出现持续的接地电容电流，可以把继电保护设计简化到和不装阻容吸收器一样。既防止设计时的疏忽，也减少复杂计算导致的失误。

关键词7——相间保护

相间保护原理，是依据避雷器组合式设计而推广出的一种阻容吸收器组合式设计方案，也称四星形接法。具体连接方式如下图：

图三 阻容吸收器的四星型接法示意图

四星型接线方式，是为了提高相间保护能力，防止相间过电压而进行的改革设计，最早应用在氧化锌压敏型保护设备上，行业习惯上称三相组合式过电压保护器。这种接线方式首先将三相进行星形联接，然后通过公共的中性点，再联接一极中性点保护极，最终成为四极结构。第四极传统上可以做成单独的一柱，排列在三相柱旁边，外观上就是四柱型，见图四示意。

图四 传统的四星型产品结构特点

这种四柱结构方式，从外观上可以很明显的看出四星型的四个极，不容易误以为是常规的三个单相配一个金属底座的图二类单相产品。但是这样的结构存在一个不正的问题。由于大多数操作过电压保护设备都是就近断路器安装的，用于就近限制操作过电压产生的源头，因此大多数此类设备是安装在开关柜里面的。开关柜的正常结构是三相母排居中，外观上四柱的过电压保护设备，安装接线会对不正三相母排，而有一个错位。错位导致某两相出线可能比较接近，安装运输过程中不注意的话，容易造成绝缘距离或者爬电距离不足，导致事故隐患。

图五 新型的四星型产品结构特点

因此新一代的三相组合式产品，一般都进行了外观改革，改为图五的结构。图五是三柱外观，而把中性点接地极做到了底座中。这样三相接线可以对正成套柜的母排，不会由于偏心造成某两相天然的绝缘距离隐患。同时依然保留了组合式设计的相间保护功能，是更优于单相阻容吸收器的产品。

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