论文部分内容阅读
摘要：本文针对变电站二次回路抗干扰的来源及产生的机理，从三个要点看出干扰对微机保护的危害。
关键词：二次回路；抗干扰措施；危害；
1 干扰的危害
微机保护和监控装置既有数字部件，又有模拟部件，而干扰对数字部件和模拟部件所造成的后果是不同的。模拟电路在干扰作用下往往使开关电路误翻转，在没有完善闭锁措施时将会导致动作；数字电路受干扰作用往往造成数据或地址传送错误，从而导致装置运行故障或功能故障。由此可见，干扰轻则造成数据传送错误，重则造成保护拒动或误动，都会影响电力系统供电的可靠性。
2干扰的主要来源
所谓干扰，就是指除正常信号外，还有可能对监视和操作装置的正常工作造成不利影响的且不规则变化的信号。经过调查发现，变电站的干扰源主要有以下几种：
2.1 二次回路的过电压干扰
变电站二次回路中存在许多不同作用的线圈，它们都有一定电感量。这些线圈除了具有电感外，还有电阻及线圈连线间、匝间存在的分布电容。若将分布电容用一个等值集中电容代替并联到线圈两端，就构成一个RLC的衰减振荡电路(见图1)，其继电器的触点在回路中起开关作用。
图1 RLC二振荡衰减电路
由图可知，当回路的开关断开时，往往产生较大反电势。电容器两端电压按一定规律变化，其电压波形是一个正弦衰减振荡电压。由于此电压不受电源控制，所以又叫自由分量电压，此电压经过1／4周期稍长的时间达到最大值 当电阻值R< 2√L/C且R 较小时，电容器两端电压较大，往往比电源电压高出几倍或十几倍，这就是产生在二次回路中的过电压。图l中，
由于过电压的存在，使触点间的距离尚未到达足够大时就已经被击穿。高电压进入直流操作电源系统，电压承受水平较低的半导体器件就会受到不同程度的破坏及影响。因为半导体器件的过电压承受水平较低，反应灵敏，会造成损坏或无法正常工作，因此二次回路的过电压对微机保护影响较大，而它对电磁元件影响不大，因为其绝缘水平较高，并且动作过程有一定的惰性，所以不会造成误动作影响正常工作。
2.2 感性(磁性)耦合干扰
在变电站里的变压器、有大电流通过的电缆、电抗器和电容等的周围都有极强的交变磁场。在交变磁场里的二次设备，包括导线、网络通信回路都会受到它感应，这些感应形成干扰电压，如图2所示。两邻近导线之间存在分布互感M, M=φ21/I1(其中， I1 是流过导线1的电流，Φ21是电流I1 产生的与导线2交链的磁通)，由互感耦合在导线2上形成的互感电压为U2 =U2=2ωMI1，此电压在导线上是串联的。从式中可知U2 与干扰的频率和互感量成正比。这些干扰电压会导致二次设备CPU运行出错，内存数据改变、当地监控的显示器图像变形扭曲和闪烁，网络通信中数据改变或通信中断，造成设备异常运行，对控制系统的破坏性最强。交变磁场干扰是变电站内最普遍的干扰。
图2 导线的磁耦合
2.3 容性(电场)耦合干扰
由于一次设备载流体对二次回路间存在电容，因此一次设备上的电压对二次电缆产生容性(电场)耦合，在二次设备上产生干扰电压。另外，在变电站内还存在导线之间的相互耦合、电源线与系统的相互耦合。这些电场耦合是干扰二次设备工作的原因之一。图3
为平行导线间的容性耦合示意图。图3a中，导线1和导线2是两条平行线，C1 和C2，分别是各线对地的分布电容，C12 是两线间分布的耦合电容， 是导线1对地电压，R是导线2对地电阻。图3b为等效电路。
图3 平行导线容性耦合示意图
2.4 地电位差干扰
在电力系统中，由于对地绝缘不良，都会产生不稳定的泄漏电流，地电流在大地中流动会产生电压差，使站内两端接地缆芯和屏蔽层产生电流形成干扰。如果二次设备接地地点选择不当，漏电流会使各点之间存在电压差，使二次设备常常产生不确定的故障。
2.5 电源系统引入的干扰
许多二次设备采用直流稳压电源，一般均为由电网交流电经滤波 稳压后提供，有时会因某种原因净化不佳，对系统产生干扰。这种电源如果滤波电容上积累的能量使端电压的某一值不能达到设计要求的电压时，会被装置判断为断电或故障，引起装置闭锁，而误动或拒动。
2.6 自然干扰
自然干扰是指大自然现象所引起的干扰以及来自宇宙的电磁波辐射干扰，如雷电、大气低层电场的变化、电离变化以及太阳黑子的电磁辐射等，是不可消除的干扰。其中雷电干扰最为严重，因雷电能在传输线上产生幅值很高的高频涌浪电压，雷电不仅会造成二次电源模块的损坏，还会烧毁通信口和输入模块。变电站的二次设备受到的干扰不仅仅是以上几种，干扰源也是各种各样的，但以上这些是最常见的，我们必须采取相应的软硬件措施来消除或削弱。
3 抗干扰的措施
3.1 二次回路过电压的防范
(1)线圈两端并联非线性电阻二极管是常用的非线性电阻。为防止操作时的过电压，常用方法是在线圈两端并联一个非线性电阻，当突然切断电感电路的电流时，往往会产生较大的反电势，由于并联二极管，反电势通过二极管被短路，线圈中的自由分量电流是按指数形式衰减。线圈的端电压等于二极管的压降，其值远小于电源电压。这样，二极管就能消除振荡过电压的产生，但这种办法不适用于交流电路。
(2)线圈两端并联阻容支路这种办法不仅适用于直流电路也适用于交流电路，其接线方式是把阻容支路并联在线圈两端。在增加的并联支路所组成的回路中，电阻被调整到临界值，因而当开关切断载流线圈电流时不产生振荡。另一方面，由于两支路的时间常数相等，因而不管总电流随时间如何变化，两支路中的自由电流分量总是大小相等，方向相反。电源支路中自由电流分量等于零；也就是说，当开关切断线圈电流时，线圈两端的电压为零。所以这种接线方式，不仅可消除过电压，同时也消除了在切断感性负载时开关触点间产生的电弧及火花。
3.2 感性耦合．容性耦合干扰的防范
对这类干扰的防范主要采用具有金属屏蔽层的电缆。当二次回路中的电缆靠得较近时，为减小耦合，最好采用有金属屏蔽的电缆，并将屏蔽层两端分别接地，从而使电压的磁力线绝大部分集中在屏蔽层，不会进入电缆内部，从而避免电压的传递。如果电缆没有金属屏蔽层时，将电缆内备用缆芯接地，可起到同样的效果。
3.3 地电位差干扰的防范 ‘
二次设备接地地点正确选择，是防止地电位差干扰的主要措施。变电站一般有以下几套不同接地系统：
(1)电气接地系统用于UPS和隔离变压器屏蔽层接地，以防止电网杂波窜入系统。
(2)变电站室内屏蔽和防静电接地系统用于所内屏蔽接地、防静电系统接地和设备机箱外壳接地。
(3)变电站防雷接地系统用于防止雷击等危害。
(4)控制系统专用地系统为二次设备专用的措施，不允许与其他任何设备相连，以免造成干扰。
上述四套接地系统绝对不允相互混用，在接地位置上要保证有一定安全距离。
3.4 電源系统干扰的防范
对电源系统的干扰可采取以下的防范措施：
(1)要保证供电电压波形稳定，可使用UPS来稳定工作电源，并尽可能使用变电站的直流电源，变电站的直流电源选择纹波系数小的产品。
(2)应采用隔离变压器，隔离共模干扰，防止电网噪声干扰窜入控制系统，或强雷电压对装置的损坏。
(3)使输出回路尽可能短，以降低感应噪声，使用的电缆芯不能过小，减小压降，或提高其工作电源。
3.5 正确的施工工艺是抗干扰的重要手段
变电站二次设备的安装应注意以下几点：
(1)正确安装电缆的屏蔽层，采用带屏蔽层的控制电缆。
(2)弱信号导线不得与强电导线共用一根电缆，尽可能将它们分开排放； 交直流回路禁止共用同一根电缆，防止造成相互干扰。
(3)规范控制电缆的铺设，变电站设计时应考虑好电缆沟的走向，避免与电力电缆距离过近。
(4)为二次设备和二次电缆铺设专用接地铜排构造等电位面。
(5)电流互感器、电压互感器的二次回路应保证一点接地。
(6)电压互感器回路应相互独立。
(7)可在信号输入端加装无源滤波器，削弱窜入的干扰信号。
(8)变电站的所有开关量的输入和输出触点(跳闸出口和监视信号)和数字量输出(如串口)都应采用光电隔离。
3.6 软件抗干扰措施
软件抗干扰是指在软件设计中采取针对性措施，防止窜入微机保护和控制装置内部的干扰信号。二次设备的软件抗干扰就是把采集到二次设备的干扰信号用各种数字进行滤波消除或削弱。数字滤波是通过程序实现的，所以在设备选型时就应该考虑，它无需增加硬件设备，只需修改一下软件。
4 结束语
综上所述，由于变电站的特殊环境，高电压的电场和大电流的磁场等众多因素的存在，使变电站的二次设备受到各种各样的干扰， 没有很好的预防措施， 将常常引发保护误动及产生大量的误报，严重影响了变电站安全可靠运行。因此，了解各类干扰源，针对其不同的性质采取相应的抗干扰措施对变电站二次设备的稳定运行至关重要，所以需要在实践中不断总结和实践经验。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：二次回路；抗干扰措施；危害；
1 干扰的危害
微机保护和监控装置既有数字部件，又有模拟部件，而干扰对数字部件和模拟部件所造成的后果是不同的。模拟电路在干扰作用下往往使开关电路误翻转，在没有完善闭锁措施时将会导致动作；数字电路受干扰作用往往造成数据或地址传送错误，从而导致装置运行故障或功能故障。由此可见，干扰轻则造成数据传送错误，重则造成保护拒动或误动，都会影响电力系统供电的可靠性。
2干扰的主要来源
所谓干扰，就是指除正常信号外，还有可能对监视和操作装置的正常工作造成不利影响的且不规则变化的信号。经过调查发现，变电站的干扰源主要有以下几种：
2.1 二次回路的过电压干扰
变电站二次回路中存在许多不同作用的线圈，它们都有一定电感量。这些线圈除了具有电感外，还有电阻及线圈连线间、匝间存在的分布电容。若将分布电容用一个等值集中电容代替并联到线圈两端，就构成一个RLC的衰减振荡电路(见图1)，其继电器的触点在回路中起开关作用。
图1 RLC二振荡衰减电路
由图可知，当回路的开关断开时，往往产生较大反电势。电容器两端电压按一定规律变化，其电压波形是一个正弦衰减振荡电压。由于此电压不受电源控制，所以又叫自由分量电压，此电压经过1／4周期稍长的时间达到最大值 当电阻值R< 2√L/C且R 较小时，电容器两端电压较大，往往比电源电压高出几倍或十几倍，这就是产生在二次回路中的过电压。图l中，
由于过电压的存在，使触点间的距离尚未到达足够大时就已经被击穿。高电压进入直流操作电源系统，电压承受水平较低的半导体器件就会受到不同程度的破坏及影响。因为半导体器件的过电压承受水平较低，反应灵敏，会造成损坏或无法正常工作，因此二次回路的过电压对微机保护影响较大，而它对电磁元件影响不大，因为其绝缘水平较高，并且动作过程有一定的惰性，所以不会造成误动作影响正常工作。
2.2 感性(磁性)耦合干扰
在变电站里的变压器、有大电流通过的电缆、电抗器和电容等的周围都有极强的交变磁场。在交变磁场里的二次设备，包括导线、网络通信回路都会受到它感应，这些感应形成干扰电压，如图2所示。两邻近导线之间存在分布互感M, M=φ21/I1(其中， I1 是流过导线1的电流，Φ21是电流I1 产生的与导线2交链的磁通)，由互感耦合在导线2上形成的互感电压为U2 =U2=2ωMI1，此电压在导线上是串联的。从式中可知U2 与干扰的频率和互感量成正比。这些干扰电压会导致二次设备CPU运行出错，内存数据改变、当地监控的显示器图像变形扭曲和闪烁，网络通信中数据改变或通信中断，造成设备异常运行，对控制系统的破坏性最强。交变磁场干扰是变电站内最普遍的干扰。
图2 导线的磁耦合
2.3 容性(电场)耦合干扰
由于一次设备载流体对二次回路间存在电容，因此一次设备上的电压对二次电缆产生容性(电场)耦合，在二次设备上产生干扰电压。另外，在变电站内还存在导线之间的相互耦合、电源线与系统的相互耦合。这些电场耦合是干扰二次设备工作的原因之一。图3
为平行导线间的容性耦合示意图。图3a中，导线1和导线2是两条平行线，C1 和C2，分别是各线对地的分布电容，C12 是两线间分布的耦合电容， 是导线1对地电压，R是导线2对地电阻。图3b为等效电路。
图3 平行导线容性耦合示意图
2.4 地电位差干扰
在电力系统中，由于对地绝缘不良，都会产生不稳定的泄漏电流，地电流在大地中流动会产生电压差，使站内两端接地缆芯和屏蔽层产生电流形成干扰。如果二次设备接地地点选择不当，漏电流会使各点之间存在电压差，使二次设备常常产生不确定的故障。
2.5 电源系统引入的干扰
许多二次设备采用直流稳压电源，一般均为由电网交流电经滤波 稳压后提供，有时会因某种原因净化不佳，对系统产生干扰。这种电源如果滤波电容上积累的能量使端电压的某一值不能达到设计要求的电压时，会被装置判断为断电或故障，引起装置闭锁，而误动或拒动。
2.6 自然干扰
自然干扰是指大自然现象所引起的干扰以及来自宇宙的电磁波辐射干扰，如雷电、大气低层电场的变化、电离变化以及太阳黑子的电磁辐射等，是不可消除的干扰。其中雷电干扰最为严重，因雷电能在传输线上产生幅值很高的高频涌浪电压，雷电不仅会造成二次电源模块的损坏，还会烧毁通信口和输入模块。变电站的二次设备受到的干扰不仅仅是以上几种，干扰源也是各种各样的，但以上这些是最常见的，我们必须采取相应的软硬件措施来消除或削弱。
3 抗干扰的措施
3.1 二次回路过电压的防范
(1)线圈两端并联非线性电阻二极管是常用的非线性电阻。为防止操作时的过电压，常用方法是在线圈两端并联一个非线性电阻，当突然切断电感电路的电流时，往往会产生较大的反电势，由于并联二极管，反电势通过二极管被短路，线圈中的自由分量电流是按指数形式衰减。线圈的端电压等于二极管的压降，其值远小于电源电压。这样，二极管就能消除振荡过电压的产生，但这种办法不适用于交流电路。
(2)线圈两端并联阻容支路这种办法不仅适用于直流电路也适用于交流电路，其接线方式是把阻容支路并联在线圈两端。在增加的并联支路所组成的回路中，电阻被调整到临界值，因而当开关切断载流线圈电流时不产生振荡。另一方面，由于两支路的时间常数相等，因而不管总电流随时间如何变化，两支路中的自由电流分量总是大小相等，方向相反。电源支路中自由电流分量等于零；也就是说，当开关切断线圈电流时，线圈两端的电压为零。所以这种接线方式，不仅可消除过电压，同时也消除了在切断感性负载时开关触点间产生的电弧及火花。
3.2 感性耦合．容性耦合干扰的防范
对这类干扰的防范主要采用具有金属屏蔽层的电缆。当二次回路中的电缆靠得较近时，为减小耦合，最好采用有金属屏蔽的电缆，并将屏蔽层两端分别接地，从而使电压的磁力线绝大部分集中在屏蔽层，不会进入电缆内部，从而避免电压的传递。如果电缆没有金属屏蔽层时，将电缆内备用缆芯接地，可起到同样的效果。
3.3 地电位差干扰的防范 ‘
二次设备接地地点正确选择，是防止地电位差干扰的主要措施。变电站一般有以下几套不同接地系统：
(1)电气接地系统用于UPS和隔离变压器屏蔽层接地，以防止电网杂波窜入系统。
(2)变电站室内屏蔽和防静电接地系统用于所内屏蔽接地、防静电系统接地和设备机箱外壳接地。
(3)变电站防雷接地系统用于防止雷击等危害。
(4)控制系统专用地系统为二次设备专用的措施，不允许与其他任何设备相连，以免造成干扰。
上述四套接地系统绝对不允相互混用，在接地位置上要保证有一定安全距离。
3.4 電源系统干扰的防范
对电源系统的干扰可采取以下的防范措施：
(1)要保证供电电压波形稳定，可使用UPS来稳定工作电源，并尽可能使用变电站的直流电源，变电站的直流电源选择纹波系数小的产品。
(2)应采用隔离变压器，隔离共模干扰，防止电网噪声干扰窜入控制系统，或强雷电压对装置的损坏。
(3)使输出回路尽可能短，以降低感应噪声，使用的电缆芯不能过小，减小压降，或提高其工作电源。
3.5 正确的施工工艺是抗干扰的重要手段
变电站二次设备的安装应注意以下几点：
(1)正确安装电缆的屏蔽层，采用带屏蔽层的控制电缆。
(2)弱信号导线不得与强电导线共用一根电缆，尽可能将它们分开排放； 交直流回路禁止共用同一根电缆，防止造成相互干扰。
(3)规范控制电缆的铺设，变电站设计时应考虑好电缆沟的走向，避免与电力电缆距离过近。
(4)为二次设备和二次电缆铺设专用接地铜排构造等电位面。
(5)电流互感器、电压互感器的二次回路应保证一点接地。
(6)电压互感器回路应相互独立。
(7)可在信号输入端加装无源滤波器，削弱窜入的干扰信号。
(8)变电站的所有开关量的输入和输出触点(跳闸出口和监视信号)和数字量输出(如串口)都应采用光电隔离。
3.6 软件抗干扰措施
软件抗干扰是指在软件设计中采取针对性措施，防止窜入微机保护和控制装置内部的干扰信号。二次设备的软件抗干扰就是把采集到二次设备的干扰信号用各种数字进行滤波消除或削弱。数字滤波是通过程序实现的，所以在设备选型时就应该考虑，它无需增加硬件设备，只需修改一下软件。
4 结束语
综上所述，由于变电站的特殊环境，高电压的电场和大电流的磁场等众多因素的存在，使变电站的二次设备受到各种各样的干扰， 没有很好的预防措施， 将常常引发保护误动及产生大量的误报，严重影响了变电站安全可靠运行。因此，了解各类干扰源，针对其不同的性质采取相应的抗干扰措施对变电站二次设备的稳定运行至关重要，所以需要在实践中不断总结和实践经验。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。