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摘 要: 变电站的安全运行是电力系统稳定的基础。目前微机型保护的广泛应用,其抗干扰问题越来越受到人们的重视。本文以变电站存在各种主要干扰源的分析, 对提高微机型继电保护装置的抗干扰水平的措施进行探讨。
关键词:变电站;干扰;微机继电保护; 措施
substations ；Interference；Microcomputer-based protection；
1 前言
随着我国电力系统的快速发展，电网容量的增长，电网结构的日趋复杂,对电网一次设备和继电保护装置的安全稳定运行提出了更高的要求。继电保护装置在经历过电磁型、晶体管型、集成型到目前微机型保护的广泛应用,二次回路和设备上的电磁干扰问题越来越引起人们的重视。
变电站是一个有高强度电磁干扰源的特殊环境,站内的继电保护装置总是受到正常运行、故障情况和某些特殊情况下产生干扰的侵害。影响继电保护和安全自动装置的干扰主要包括来自直击雷对一次系统的干扰、系统发生故障短路电流的干扰、在变电站内进行断路器,隔离刀闸的操作引起的电气回路状态变化等等,也包括来自二次回路本身的干扰:例如断开直流回路电感线圈、近距离使用手机、人身静电对设备外壳放电、电缆的对地电容、交流成份窜入直流回路等。
变电站电磁干扰是通过感应、传导和辐射等途径传到继电保护装置中的电子元件上的。当干扰水平超过装置逻辑元件允许的干扰水平时,将引起继电保护装置的误动,系统故障情况下拒动或误动扩大事故范围。这可能将对系统稳定造成严重的后果。所以为了保证继电保护装置和自动装置安全可靠运行,需做好以下工作:一是提高继电保护装置本身抗干扰能力;二是降低进到继电保护装置的干扰使之低装置本身的耐受干扰水平。在设计、安装施工、运行使用时尽可能的将干扰降至最低。
2 常见干扰分析
2.1直击雷影响
雷击波似于幅值。平均为25kA的冲击型电流源,其上升时间从1μs 到大于 50μs,衰减到一半幅值的时间从几十 μs到几百μs不等。无论直击雷落在变电站的什么部位上,最终的雷击波都将经母线传播,并经避雷器入地。由于电磁耦合,会在导线与地面之间产生干扰电波,这种干扰在屏蔽电缆中感应的电压波形决定于电缆本身的谐振频率。普通屏蔽电缆,在严重雷击时其干扰将超过1kV。雷击的另一重要影响是雷击电流流入大地后产生的暂态地电位升高。当变电站接地部位遭受直接雷击或雷击电流经避雷器入地时,高频电流会因为地网的高电阻,从设备到地网接地线的接地阻抗等等引起的暂态地电位升高。
2.2接地故障时的工频干扰
当变电站内发生接地故障时，接地网会流过接地电流,由于地网存在的接地电阻,使故障后的接地网电位高于大地电位,其幅值由地网接地电阻及入地电流的大小所决定,其最大值可达每kA电流 10v。
2.3倒闸操作引起的高频干扰
断路器的倒闸操作和隔离开关带电分合空母线(如旁路母线)等是变电站内对二次回路及二次联接设备产生高频干扰的主要来源。对于隔离开关向空母线充电可等效为隔离开关合闸于不带电的纯电容负荷。如图1所示:
图1
当动静触头逐渐靠近时,两触头间电场随之强度增大,直到拉弧。由于隔离开关操作速度较慢,第一次拉弧多发生在电源侧工频电压最大值附近,当闪络拉弧开始,电流将通过隔离开关触头向电容迅速充电。在电容充满电时, US于UL间压差为零,此时触头间充电的回路中断。通过零电位点后,电源侧US幅值和相位随工频电压变化,导致US与UL之间的压差开始增大,当电压大于击穿电压时,触点第二次被击穿。同时又对电容充电。随着触头间隙靠近,隔离开关动静触头间击穿电压也逐步降低,每一次拉弧的电压幅值也越小。所以合闸过程中所产生的高频干扰是逐步降低的，而隔离开关拉开的情况则与上述过程完全相反。
闪络拉弧将产生每秒钟上百次的再点弧过程。每次都将产生前沿很陡的电流与电压波,其沿母线传播,并经母线终端或各种电容器设备注入地网,在每个断点都产生反射,从而产生高频振荡,其频率范围一般为50kHz至5MHz之间。这些高频振荡与二次回路耦合将感生出强烈的干扰。
2.4辐射干扰
使用手机、对讲机时会产生强辐射电场和相应的磁场,可能会将数字回路的逻辑电位偏移甚至造成逻辑混乱,实验发现在一些收发讯机、录波器1M范围内使用手机、对讲机,收发讯机、录波器都会启动。由此可见辐射干扰对保护装置的影响是不容忽视的。
2.5直流电源干扰
当直流回路上发生故障或其它原因产生短时电源中断与恢复。因为抗干扰电容与分布电容的影响,在直流电压的恢复过程中,电子设备的逻辑回路会发生畸变,造成继电保护功能紊乱而引起误发信号,误动作;另一種情况是因外部原因使直流回路中窜入交流分量,将对保护装置的控制及信号回路有很大的影响。也就是说直流电源中一旦串入交流成份,便会影响继电保护设备的动作行为,对系统的稳定造成很大的破坏。
2.6静电放电干扰
工作人员身上可能带有静电,在穿绝缘鞋时,当接触电子设备时会对其放电,放电的程度依设备的接地情况,环境不同而不同,严重时会烧毁电子元件。
3 抗干扰措施
3.1控制电缆屏蔽层应在两端同时可靠接地。
设计规程规定：变电站中所有用于连接由开关场引入二次设备室微机型继电保护装置的电缆都应当在开关场和二次设备室两端将屏蔽层可靠接地,这样可有效的抑制静电干扰，对电磁干扰和高频干扰也有很好的抑制作用。
3.2全站敷设专用的二次接地铜网
设计规程规定在变电站开关场、高压开关室到二次设备室敷设100mm2的铜排，构成变电站二次专用接地网，连接所有的屏蔽电缆的两端接地点，这样可有效减少地网接地电阻，降低变电站各点电位差，防止地电位升高造成的干扰，提高屏蔽电缆抗电磁干扰效果。
3.3CT、PT二次回路必须并只能一点接地。
根据我国《继电保护和安全自动装置技术规程》中的规定:CT的二次回路应有一个接地点,并在配电装置附近经端子排接地,对于有几组CT联结在一起的保护装置（例如母线差动,变压器差动,发电机差动保护等）,则应在保护屏上经端子排接地,PT二次回路只允许有一处接地,接地点宜设在控制室内,并应牢固焊接在接地母线上。
CT及PT二次回路必须并只能一点接地,是为了人身和二次设备的安全,同时提高抗干扰能力,达到保证安全的目的。
3.4交流回路、直流回路不可混用在同一根电缆内,强电、弱电不共用一根电缆。
设计规程这样的规定能降低不同电压等级和交直流之间电磁耦合的干扰,同时还避免了因同一根电缆中的芯线间绝缘损坏而串入不同类型的电源,而引起保护逻辑的混乱。
3.5变电站其它抗干扰措施
尽可能降低一次设备:如避雷器、CT、PT等的接地电阻;降低因注入高频电流时产生的暂态电位差,构造一个低阻抗的接地网;尽可能降低变电站内的地电位差,用以降低对二次回路及保护设备的干扰。
以上措施只能是最大限度的将干扰降到最低,却并不能完全消除。
4 结语
目前变电站的综合自动化系统主要是由微机监控系统和微机型保护组成的，因此它们的抗干扰能力在一定程度上决定了变电站的安全稳定运行，本文仅是对变电站的几种主要干扰源的产生谈些自己的认识，和自己对设计工作上执行设计规程的规定和工作实践中总结和研究。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:变电站;干扰;微机继电保护; 措施
substations ；Interference；Microcomputer-based protection；
1 前言
随着我国电力系统的快速发展，电网容量的增长，电网结构的日趋复杂,对电网一次设备和继电保护装置的安全稳定运行提出了更高的要求。继电保护装置在经历过电磁型、晶体管型、集成型到目前微机型保护的广泛应用,二次回路和设备上的电磁干扰问题越来越引起人们的重视。
变电站是一个有高强度电磁干扰源的特殊环境,站内的继电保护装置总是受到正常运行、故障情况和某些特殊情况下产生干扰的侵害。影响继电保护和安全自动装置的干扰主要包括来自直击雷对一次系统的干扰、系统发生故障短路电流的干扰、在变电站内进行断路器,隔离刀闸的操作引起的电气回路状态变化等等,也包括来自二次回路本身的干扰:例如断开直流回路电感线圈、近距离使用手机、人身静电对设备外壳放电、电缆的对地电容、交流成份窜入直流回路等。
变电站电磁干扰是通过感应、传导和辐射等途径传到继电保护装置中的电子元件上的。当干扰水平超过装置逻辑元件允许的干扰水平时,将引起继电保护装置的误动,系统故障情况下拒动或误动扩大事故范围。这可能将对系统稳定造成严重的后果。所以为了保证继电保护装置和自动装置安全可靠运行,需做好以下工作:一是提高继电保护装置本身抗干扰能力;二是降低进到继电保护装置的干扰使之低装置本身的耐受干扰水平。在设计、安装施工、运行使用时尽可能的将干扰降至最低。
2 常见干扰分析
2.1直击雷影响
雷击波似于幅值。平均为25kA的冲击型电流源,其上升时间从1μs 到大于 50μs,衰减到一半幅值的时间从几十 μs到几百μs不等。无论直击雷落在变电站的什么部位上,最终的雷击波都将经母线传播,并经避雷器入地。由于电磁耦合,会在导线与地面之间产生干扰电波,这种干扰在屏蔽电缆中感应的电压波形决定于电缆本身的谐振频率。普通屏蔽电缆,在严重雷击时其干扰将超过1kV。雷击的另一重要影响是雷击电流流入大地后产生的暂态地电位升高。当变电站接地部位遭受直接雷击或雷击电流经避雷器入地时,高频电流会因为地网的高电阻,从设备到地网接地线的接地阻抗等等引起的暂态地电位升高。
2.2接地故障时的工频干扰
当变电站内发生接地故障时，接地网会流过接地电流,由于地网存在的接地电阻,使故障后的接地网电位高于大地电位,其幅值由地网接地电阻及入地电流的大小所决定,其最大值可达每kA电流 10v。
2.3倒闸操作引起的高频干扰
断路器的倒闸操作和隔离开关带电分合空母线(如旁路母线)等是变电站内对二次回路及二次联接设备产生高频干扰的主要来源。对于隔离开关向空母线充电可等效为隔离开关合闸于不带电的纯电容负荷。如图1所示:
图1
当动静触头逐渐靠近时,两触头间电场随之强度增大,直到拉弧。由于隔离开关操作速度较慢,第一次拉弧多发生在电源侧工频电压最大值附近,当闪络拉弧开始,电流将通过隔离开关触头向电容迅速充电。在电容充满电时, US于UL间压差为零,此时触头间充电的回路中断。通过零电位点后,电源侧US幅值和相位随工频电压变化,导致US与UL之间的压差开始增大,当电压大于击穿电压时,触点第二次被击穿。同时又对电容充电。随着触头间隙靠近,隔离开关动静触头间击穿电压也逐步降低,每一次拉弧的电压幅值也越小。所以合闸过程中所产生的高频干扰是逐步降低的，而隔离开关拉开的情况则与上述过程完全相反。
闪络拉弧将产生每秒钟上百次的再点弧过程。每次都将产生前沿很陡的电流与电压波,其沿母线传播,并经母线终端或各种电容器设备注入地网,在每个断点都产生反射,从而产生高频振荡,其频率范围一般为50kHz至5MHz之间。这些高频振荡与二次回路耦合将感生出强烈的干扰。
2.4辐射干扰
使用手机、对讲机时会产生强辐射电场和相应的磁场,可能会将数字回路的逻辑电位偏移甚至造成逻辑混乱,实验发现在一些收发讯机、录波器1M范围内使用手机、对讲机,收发讯机、录波器都会启动。由此可见辐射干扰对保护装置的影响是不容忽视的。
2.5直流电源干扰
当直流回路上发生故障或其它原因产生短时电源中断与恢复。因为抗干扰电容与分布电容的影响,在直流电压的恢复过程中,电子设备的逻辑回路会发生畸变,造成继电保护功能紊乱而引起误发信号,误动作;另一種情况是因外部原因使直流回路中窜入交流分量,将对保护装置的控制及信号回路有很大的影响。也就是说直流电源中一旦串入交流成份,便会影响继电保护设备的动作行为,对系统的稳定造成很大的破坏。
2.6静电放电干扰
工作人员身上可能带有静电,在穿绝缘鞋时,当接触电子设备时会对其放电,放电的程度依设备的接地情况,环境不同而不同,严重时会烧毁电子元件。
3 抗干扰措施
3.1控制电缆屏蔽层应在两端同时可靠接地。
设计规程规定：变电站中所有用于连接由开关场引入二次设备室微机型继电保护装置的电缆都应当在开关场和二次设备室两端将屏蔽层可靠接地,这样可有效的抑制静电干扰，对电磁干扰和高频干扰也有很好的抑制作用。
3.2全站敷设专用的二次接地铜网
设计规程规定在变电站开关场、高压开关室到二次设备室敷设100mm2的铜排，构成变电站二次专用接地网，连接所有的屏蔽电缆的两端接地点，这样可有效减少地网接地电阻，降低变电站各点电位差，防止地电位升高造成的干扰，提高屏蔽电缆抗电磁干扰效果。
3.3CT、PT二次回路必须并只能一点接地。
根据我国《继电保护和安全自动装置技术规程》中的规定:CT的二次回路应有一个接地点,并在配电装置附近经端子排接地,对于有几组CT联结在一起的保护装置（例如母线差动,变压器差动,发电机差动保护等）,则应在保护屏上经端子排接地,PT二次回路只允许有一处接地,接地点宜设在控制室内,并应牢固焊接在接地母线上。
CT及PT二次回路必须并只能一点接地,是为了人身和二次设备的安全,同时提高抗干扰能力,达到保证安全的目的。
3.4交流回路、直流回路不可混用在同一根电缆内,强电、弱电不共用一根电缆。
设计规程这样的规定能降低不同电压等级和交直流之间电磁耦合的干扰,同时还避免了因同一根电缆中的芯线间绝缘损坏而串入不同类型的电源,而引起保护逻辑的混乱。
3.5变电站其它抗干扰措施
尽可能降低一次设备:如避雷器、CT、PT等的接地电阻;降低因注入高频电流时产生的暂态电位差,构造一个低阻抗的接地网;尽可能降低变电站内的地电位差,用以降低对二次回路及保护设备的干扰。
以上措施只能是最大限度的将干扰降到最低,却并不能完全消除。
4 结语
目前变电站的综合自动化系统主要是由微机监控系统和微机型保护组成的，因此它们的抗干扰能力在一定程度上决定了变电站的安全稳定运行，本文仅是对变电站的几种主要干扰源的产生谈些自己的认识，和自己对设计工作上执行设计规程的规定和工作实践中总结和研究。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。