淺析繼電保護裝置的抗干擾措施(史登祥)

1、淺析繼電保護裝置的抗干擾措施史登祥 （江蘇省盱眙縣供電公司 盱眙 211700）【摘要】高壓變電所是一個具有高強度電磁場環(huán)境的特殊地域，而裝在所內的繼電保護裝置正不斷受到各種強電磁場的干擾。尤其是，近年來，微電子器件在繼電保護裝置中得到了廣泛應用，它們耐受干擾的水平極低、且大多為電磁敏感設備，因而很容易受到干擾的影響和危害，最終可能會導致保護裝置誤動或拒動等各種異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)，從而嚴重影響了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。為此本文從干擾的來源及其傳布途徑入手，有針對性地提出了相應的抑制措施，達到了有效的抗干擾目的?！娟P鍵詞】電磁干擾；抑制措施；屏蔽；接地高壓變電所一次回路強電磁干擾和二次回路本身的電磁干

2、擾，通過感應、耦合和輻射等途徑引入到半導體型電子元器件上。當干擾水平超過了裝置邏輯元件和邏輯回路允許的干擾水平時，將引起裝置邏輯回路的不正常工作，甚至直接造成這些元器件的損壞。另外，由于各種干擾而使變電站自動化設備產(chǎn)生大量垃圾信息，嚴重影響了運行人員對站內設備的運行監(jiān)視及操作，增加了值班人員的工作負擔，影響了事故的分析與處理。因此，繼電保護與自動化裝置的抗干擾就成為一個很重要的議題。1、 電磁干擾的來源電力系統(tǒng)的電磁干擾源有外部干擾和內部干擾兩個方面。外部干擾是指那些與系統(tǒng)結構無關而是由使用條件和外部環(huán)境因素所決定的干擾，主要有其它物體和設備輻射的電磁波產(chǎn)生的強電場或強磁場，如雷擊、隔離開關操

3、作、中壓開關柜操作、直流電源的中斷與恢復、步話機輻射及來自電源的工頻干擾等等。內部干擾是指由系統(tǒng)結構、元件布局和生產(chǎn)工藝等所決定的干擾，主要有雜散電感和電容的結合引起的不同信號感應、長線(對高頻信號而言)傳輸造成電磁波的反射、多點接地造成的電位差干擾、寄生振蕩和尖峰信號引起的干擾等等。但是，不論是外部干擾還是內部干擾，都具有相同的物理特性，故而其消除和抑制的措施基本是相同的。2、電磁干擾的傳布途徑在高壓變電所內，有多種渠道將電磁干擾源和受干擾的二次回路和二次設備聯(lián)接起來，這些耦合渠道包括：輻射、感應和耦合。而被干擾設備接收的電磁干擾水平，往往源于幾種耦合方式產(chǎn)生的綜合效應。2.1、 輻射高頻感

4、應加熱設備、高頻焊接等工業(yè)設備以及電視發(fā)射臺、雷達等大功率電子設備都可以通過電磁波輻射，干擾附近的精密儀器及儀表；架空輸電線輻射出電磁場也會通過供電線路侵入電子設備，造成干擾信號。2.2、感應同一電纜內的感應：當同一電纜中某一芯線通過很強的干擾電流時，將在其他芯線感應出很高的干擾電壓，并在終端聯(lián)接設備上以共模干擾與差模干擾的形式出現(xiàn)。此外，不同能量等級的強電與弱電回路共用同一電纜時，當強電回路的電能突變，也會對弱電回路感應出不能接受的干擾，因而，應當盡量避免這種做法。2.3、耦合 在開關場，電磁干擾主要經(jīng)電感耦合、電容耦合及傳導耦合等途徑引入二次設備。(1)、電感耦合：電感耦合有兩個渠道：一是

5、當隔離開關操作產(chǎn)生的高頻電流或雷電電流通過高壓母線時，在高壓母線周圍產(chǎn)生了磁場，其中的一部分H2將二次電纜包圍，因此在二次回路中感應出對地的共模干擾電壓傳到繼電保護裝置等二次設備的端子上,若二次回路的走線不合理，例如同一個回路中的一根導線利用了一根電纜中的一芯，而其回程導線卻利用了另一根電纜的一芯時，由于這兩根芯線間的距離很大，在它們之間將包圍很大的磁通，從而會在同一回路的兩根導線間產(chǎn)生很大的差模干擾電壓，這種設計或施工中的可能失誤，必須避免。二是指通過高壓母線的高頻電流，最容易通過接在母線上的集中電容注入電網(wǎng)，電容式電壓互感器(CVT)、高頻通道的高壓耦合電容器就是這樣的高頻電流最好的入地通

6、道。在圖1中，當高頻電流I經(jīng)母線所接高壓電容器入地時，二次電纜、CVT的中間變壓器的高低壓線圈層間、互感器的接地線、變電所接地網(wǎng)和二次電纜所接負載形成了一個閉合回路，包圍了由高頻電流產(chǎn)生的磁通H1，在閉合回路中感應出電壓，傳到繼電保護裝置等二次設備端子上。接地引下線與二次電纜間的距離D愈大時，所包圍的磁通越多，在閉合回路上感應的電壓越高。在二次回路所接設備上感應的共模干擾電壓e可用下式表示：e= -d/dt = -（L/2）*ln(D/R)*(dI/dt)其中的人為可控因素是L、D及R 。據(jù)估算，在400kV變電所中，當L=3m，D/R=10時，可能產(chǎn)生的感應電壓e將達10kV ，這個電壓的數(shù)

7、值遠較上一項的感應電壓為高。因此，對于CVT、高壓耦合電容器來說，降低電容器的底座高度L 、電容器接地引下線采用多股導線(即增大R)和盡可能使引下二次電纜緊靠接地引下線(即減小D)是十分必要的，這是對設計和施工的基本要求。 圖1 開關場的各種耦合途徑(2)、電容耦合在圖1中，假定Ck和CE分別是高壓母線對二次電纜和二次電纜對地電容，則引入二次電纜的電容耦合分量（共模值）ec =(Ck/CE)E ，若電纜中的導線對地電容不對稱，還會引起差模干擾電壓。當二次電纜回路有一點接地網(wǎng)時，CE，ec=0 ；因此，為了人身和設備的安全，在二次回路上任何時候都必須保持一點接地。同理，二次回路一點接地也解決了由

8、高壓經(jīng)層間電容Cps傳到二次回路的電壓。(3)、傳導耦合連接耦合電容器到變電所地網(wǎng)的接地線，當通過高頻電流I時，呈現(xiàn)高阻抗，因而在N、G間產(chǎn)生很高的高頻電壓，這個高頻電壓通過層間電容Cps和一、二次線圈間的雜散電容經(jīng)二次電纜傳到繼電保護裝置等二次設備端子上。降低N、G間高頻電壓的辦法包括縮短距離L 、采用多股接地導線以減低接地線的自感、增加接地線接入地網(wǎng)的密度以減小接地點的阻抗等等。3、電磁干擾對繼電保護裝置的影響近年來，微機型繼電保護裝置在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的運用。和常規(guī)保護相比，微機保護具有先進的原理及結構，安裝調試簡單，運行維護方便，保護動作迅速靈敏可靠，能自動記錄故障信息等顯著的優(yōu)點

9、。但是在現(xiàn)場運行過程中，如果運行環(huán)境差，抗干擾措施落實不當，則很容易受到外界環(huán)境的干擾，造成保護不正常，甚至發(fā)生保護誤動作，嚴重威脅到電網(wǎng)的安全運行。微機保護裝置是以微機為核心的自動控制系統(tǒng)。其硬件組成主要包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、開關量輸入輸出系統(tǒng)、通信接口及電源。在干擾信號產(chǎn)生后，干擾對模擬電路和對數(shù)字部件所造成的后果是不同的。模擬電路在干擾作用下往往使開關電路誤翻轉在沒有完善閉鎖措施時將會導致誤操作；數(shù)字電路受干擾作用往往造成數(shù)據(jù)或地址傳送錯誤從而導致微機運行故障或功能障礙。也能引起保護的不正確動作。干擾對微機保護裝置的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：3.1、 計算或邏輯錯誤。微機保護

10、裝置的輸入輸出數(shù)據(jù)、微處理器計算的中間結果、控制標志字都存放在隨機存貯器RAM 中。在強電磁干擾信號作用下，有可能使存放在RAM 中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化。這樣，在進行讀或寫數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)總線和地址總線可能在干擾的作用下發(fā)生讀寫錯誤數(shù)據(jù)或將數(shù)據(jù)傳送到錯誤的地址上，造成計算錯誤或邏輯紊亂，引起裝置誤動或拒動。3.2 、程序運行出軌。所謂程序只是微處理器可識別的機器碼，在干擾信號的作用下，將可能出現(xiàn)微處理器無法識別的機器碼，致使微處理器無法工作。此外，如果干擾信號改變了控制程序流向的標志字時，也將改變運行程序的執(zhí)行順序，使微機的運行程序出軌，出現(xiàn)死機等問題。3.3、 元件損壞。在微機保護裝置中的一些半導體芯

11、片，在強電磁干擾作用下，可能受到損壞，使裝置無法工作。4、電磁干擾的抑制措施4.1、構造繼電保護裝置等電位面基于微機的繼電保護裝置的重要特點：一是具有自檢能力；二是具有通信功能。如果微機繼電保護裝置集中在主控制室，為了實現(xiàn)可靠通信，必須將聯(lián)網(wǎng)的中央計算機和各套微機保護以及其他基于微機的控制裝置都置于同一等電位平臺上，這個等電位面應該與控制室地網(wǎng)只有一點的聯(lián)系，這樣的等電位面的電位可以隨地網(wǎng)的電位變化而浮動，同時也避免控制室地網(wǎng)的地電位差竄入等電位面，從而保持聯(lián)網(wǎng)微機設備的地之間無電位差，保證聯(lián)網(wǎng)通信的可靠運行。各微機設備都應有專用的具有一定截面的接地線直接接到地等電位面上，設備上的各組件內外部

12、的接地及零電位都應由專用聯(lián)線聯(lián)到專用接地線上，專用接地線接到保護盤的專用接地端子，接地端子以適當截面的銅線接到專用接地網(wǎng)上，這樣就形成了一個等電位面的網(wǎng)，有利于屏蔽干擾。構造等電位面有兩種可能做法，一是將微機保護盤底部已有的接地銅排通過焊接聯(lián)通，同時在盡頭用專用100mm2銅線聯(lián)通，形成一個銅網(wǎng)格，這個網(wǎng)格與由電纜溝引來的粗銅導線聯(lián)通。借該粗銅導線對控制室的接地點形成要求的對地網(wǎng)的唯一一點接地。另外一種做法，是在保護盤底部的下面構造一個專用的銅網(wǎng)格，各保護盤的專用接線端子經(jīng)一定截面銅線聯(lián)到此一銅網(wǎng)格實現(xiàn)。4.2、高頻同軸電纜屏蔽層在開關場和控制室兩端分別接地高頻同軸電纜屏蔽層兩端分別接地，可以

13、顯著地降低收發(fā)信機入口的干擾電壓，保護收發(fā)信機的安全運行。若高頻同軸電纜只在一端接地，在隔離開關操作空母線等情況下，必然在另一端產(chǎn)生暫態(tài)高電壓，從而可能會在收發(fā)信機端子上產(chǎn)生高電壓，且可能會中斷收發(fā)信機的正常工作，甚至損壞收發(fā)信機部件。4.3、控制電纜屏蔽層在兩端同時接地屏蔽層兩端接地的好處有如下兩條：(1) 當控制電纜為母線暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通所包圍時，在電纜的屏蔽層中將感應出屏蔽電流，由屏蔽電流產(chǎn)生的磁通，將抵消母線暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通對電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結果，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通為零，屏蔽層形成了一個理想的法拉第籠。這也和帶有二次短路線圈的理想

14、變壓器一樣，鐵芯中的磁通將為零。(2)可以降低由于地電位升產(chǎn)生的暫態(tài)感應電壓。當雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使變電所地網(wǎng)中的沖擊電流增大時，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動，同時地網(wǎng)的視在接地電阻也將暫時升高，與正常交流電阻相比，地電阻常常增大10倍以上。當?shù)蛪嚎刂齐娎|在上述地電位升的附近敷設時，電纜電位將隨地電位的波動而受干擾。因此，接地浪涌電流引起的地電位升將可能對低壓控制回路的絕緣配合帶來嚴重影響。為了定量地估計當雷電流注入變電所地網(wǎng)時在控制電纜纜芯中引起的暫態(tài)感應的數(shù)量，相關文獻列出了在30個變電所中進行人工注入地網(wǎng)較小沖擊電流（104000A）時測定的電壓情況，如圖2所示： 圖2(a)電纜無金屬包皮

15、圖2(b)電纜有金屬包皮 圖2 在低壓電纜感應電壓的概率圖2中所測定的就是兩種電纜屏蔽情況下的暫態(tài)電壓：一是無金屬屏蔽的電纜，二是有金屬屏蔽且兩端接地的電纜。由圖2可見，采用兩端接地的屏蔽電纜，可以將暫態(tài)感應電壓抑制為原值的10%以下，證明是降低干擾電壓的一種有效措施。4.4、開關場進線在繼電保護盤端子處經(jīng)電容接地研究結果說明，控制電纜電磁干擾中的相當部分來自套管式或柱式TA以及TV的高頻傳導耦合。這種耦合直接由母線傳到控制回路，控制電纜的屏蔽對這種干擾無能為力，且這種傳導耦合的效率隨干擾頻率的增高而增大。為此還應該在開關場進線的繼電保護端子上對地接入高頻濾波回路，而最為簡便的是在這些端子上接

16、入對地電容。 (a)正確接線 (b)錯誤接線圖3 繼電保護盤進線的接地電容接線回路如圖3所示，所有開關場進線到了繼電保護盤端子后，必須首先接到接地電容的端子上，然后由接地電容的同一端子上引出進入繼電保護裝置的回路，不允許用T接方式。圖3(b)這所以錯誤，是因為T接那一段導線在高頻下形成不可忽略的阻抗而降低濾波效率。接地電容的另一端當然應當用短粗導線接地網(wǎng)。4.5、其他措施以下的各項措施，也都有利于降低施加到二次回路的電磁干擾水平：(1)、電流及電壓互感器二次回路只是一點接地；電壓互感器二次回路和三次回路相互獨立。(2)、直線供電電源進行經(jīng)抗干擾處理；所有電容式電壓互感器及耦合電容器底座上的接地

17、管道與接線盒均應為金屬，連在一起并聯(lián)到底座,且底座必須接于地網(wǎng)。(3)、由于互電容與互感器與回路間的間距有關，間距的一些增大，將可能顯著地降低回路間的相互影響。因此，只要可能，控制電纜的走向應與高壓母線垂直；如果不可能時，則應盡可能增大母線與控制電纜間的距離。(4)、由同一設備引出的所有電纜，在開關場必須靠攏在一起。(5)、接到相同靈敏度的設備的電纜，應成組安排；接到不同靈敏度設備的電纜組間應保持最大距離。大于600V的電纜，不得與控制電纜置于同一電纜溝內。(6)、地網(wǎng)系統(tǒng)的設計、設備的接地方法等對暫態(tài)電壓對控制回路影響很大。但是，即使設計的地網(wǎng)具有極低電阻，也不能視為等電位面，因而將由于各種原因產(chǎn)生地電位差。如果在受影響的控制電纜緊鄰敷設一低電阻導線，該導線因地電位差引起的電流將在控制電纜中感應出一反電勢，從而起中和作用，因而在電纜溝中，接地的粗導線應置于電纜溝的上層，即干擾源與控制電纜間。(7)、對于氣體絕緣變電所，聯(lián)接安裝在外殼上的設備（儀用互感器、壓力計的電纜應與外殼平行，在接頭處應垂直離開外殼），垂直的間距不小于23m，以躲開接頭處