电气控制系统中的瞬变

摘要：随着电气控制技术的不断发展，人们越来越意识到了对“瞬变”进行研究的重要性，本文从实际应用的角度分析了瞬变产生的危害，对电气技术人员正确使用仪器仪表、维护设备的正常运行，以及节约用电有一定的借鉴作用。

关键词：动态电路；瞬变；用电效率；电量消耗

中图分类号：TM571.2 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2009）02（c）-0076-01

所谓瞬变是指电气控制系统在某些参数发生变化时或外界干扰信号产生时所产生的瞬间反应。瞬变是一种重复的电现象，它可能由供电系统或用户开/关电源，电源中断，起、停电机等电器设备产生，闪电也可能对电源、数据线和电话线诱发瞬变。

一、瞬变的特点

瞬变最主要的特点有三个：1、超高压。超高压是指通常的瞬变尖峰，它高出正常电路幅值的几倍到几十倍，最高可达数万伏。2、瞬时态。瞬时态是指瞬变持续时间很短，它可以在数亿分之一秒内完成从迸发消失的过程。3、高频次。高频次是指瞬变的活动十分频繁，可以说无时不有，无处不在。通用电气公司豪斯顿实验室人员的一项测试表明，日光灯管一个简单的开关动作，就有24个瞬变产生，电压高达1200V。

二、瞬变的危害

由于在现代电气控制系统中，大多数电气设备都具有电感性质，因此设备在电源接通、电源断开以及电路发生变化时，会产生较大的冲击电流。而在大多数时候，冲击电流会对电气设备产生一定的副作用。电气技术人员在实践过程中，应特别注意。

1、瞬变会破坏设备的安全运行。现代化生产以自动化生产为其主要手段，在自动控制系统中，电机常常作为测量、放大和执行元件等广泛使用。随着电子技术和计算机技术的发展，电机的运行条件日益复杂，对电机稳态和瞬态性能的要求也不断提高。在电力系统中，当负载突然发生变化时，起动或切除电机时，以及调整控制设备或发生突然短路故障时，都将引起电机的瞬变过程，这一过程虽然短暂，如果缺乏完善的预防措施，可能导致电力供应中断，摧毁器材，甚至危及人身安全等严重后果。例如：在三相突然短路时，感应电机冲击电流的瞬时值，可能达到额定值的10倍以下，同步电机单相短路冲击电流的瞬时值，可能比三相短路时还要大30%-40%，同步电机投入电网时的调整频率的冲击电流，也可能达到三相突然短路时的2倍。电机瞬变过程可能产生极大的机械应力，还可能产生很大的电磁转矩，发生剧烈的机械振动以及转过升高等现象。例如：同步电机在三相突然短路时的最大转矩，可能达到额定转矩的7倍左右，严重危及电机主轴及地脚钉等部份。另外，在瞬变过程中，电机还会出现单向转矩和脉振转矩。在同步电机中，脉振转矩的频率通常等于额定频率或二次谐波的频率。当电机转子在一定的转差下运行时，脉振转矩的频率可能和主轴的固有扭转振荡频率接近，从而产生严重的扭转剪应力，并危及主轴。

2、瞬变会破坏使用中的仪器仪表。在电气技术人员的实践工作中，往往会用到各种各样的仪器和仪表，仪器仪表使用不当，会因电路的瞬变而受到损坏。例如，工作人员用电压表测量电机进线端的电压时，首先要注意量程的选用要正确，另外就是一定要在拆除电压表后再断开相应的电源。电机作为一种电感设备，在电源端开的一瞬间，电流是不能够突变的，根据KVL定律，电源端开始时，电压表两端承受了高出量程近10倍的电压，这样高的电压将使电压表受到损坏不定置的，而且，拉断电源时，由于电流的突然变化，电感线圈两端会产生极高的感应电压。该电压不仅可能会击穿线圈的绝缘，而且还会在开关触点间形成高压电弧，损害触点。因此，电气技术人员一定要在拆除测量用的仪器仪表后再断开相应的电源，避免仪器仪表受到损坏。我们曾经做过相应的计算：用100V的直流电压源给R-L串联电路供电，R=20，L=2H，现用一内阻为10K，量程为150V的电压表测量负载端端电压。在不拆除电压表而直接断开电源时，电压表在的瞬间所承受的电压高达50KV，远远大于其量程150V，从而使电压表严重受损。

3、瞬变会使用户的用电成本增加。大量的科学研究已经证明，瞬变使一个用电系统的电耗增加的方式有三种：（1）系统效率下降。瞬变对所有的开关装置、接触元件、线包绕组、半导体元件等，都有冲击作用，使电机、灯光及系统中所有的用电装置的用电效率下降。研究发现，由于经年累月的冲击，瞬变会在开关装置及其它接触性器件上造成氧化性碳膜层。在电机接触器上，每1欧姆阻抗的氧化性碳膜层的生成和存在，可使电机的效率损失13％。（2）电机温度升高。瞬变使电感性负载电流损失增加和铜损提高，比如在电动机启动的一瞬间，启动电流达到了额定值的7-10倍，较大的启动电流造成了大量的电能损失。实验表明，一个800周的振荡型瞬变会使铁芯材料的能耗由0.04W/lb提高到3W/lb，能耗增加的幅度为67％。常识也告诉我们，由于瞬变高压的冲击，多余的电能转换成热能，消耗在了电机中，因而使电机的运行温度上升。电机温度每上升一度，大约增加4%的电耗。而且，电机温度上升，使得绕组的绝缘漆有可能被烧毁，从而导致电机绕组的损坏。（3）电表转速加快。驱动电度表表盘的同时性力矩的大小，取决于电路中的线电压与线电流的大小。由于瞬变是突发式的过压，它会导致作用于电度盘上的同时性力矩突然发生变化，从而导致电表转速加快。

通过前面的叙述，我们明白了暂态过程持续的时间很短，但它对电路工作的影响却不能忽视，瞬变的危害是不仅严重影响到设备的安全，破害仪器仪表，还使一个系统的电耗增加，有时甚至成为电路分析与设计所要考虑的主要问题。因此了解暂态过程的特点，具有十分重要的意义，电气技术人员应特别注意瞬变对系统危害，从而提出可靠的解决方案。

作者单位：重庆工业职业技术学院自动化系

作者简介：赵淑娟（1973－），女（汉族），天津人，工学学士，重庆工业职业技术学院讲师，现从事电机及电气控制方面的教学科研工作。

王雪萍（1978－），女（汉族），重庆人，工学学士，重庆工业职业技术学院讲师，现从事通信方面的教学科研工作。