高頻通道的干擾及其防范

1、高頻通道的干擾及其防范曾家瑞湖南電力調度通信中心（湖南長沙410007）摘要針對高頻保護的誤動問題，分析了誤動的主要原因是各種干擾所致，進而分析了干擾的種類、機理和危害，提出了防止干擾的措施。關鍵詞高頻通道干擾措施0引言近年來，隨著微機型高頻保護的廣泛應用，設備抗干擾問題越來越重要。從1995年至1997年，系統(tǒng)共發(fā)生高頻方向、高頻閉鎖出口誤跳4次，柘泉線高頻相差誤動4次。這些均是由于區(qū)外發(fā)生故障引起相差保護誤動的。這些不明原因的誤動對系統(tǒng)造成了很大危害。所以，對系統(tǒng)的干擾因素我們必須有一個清晰的認識。1干擾的種類和產生機理作為電磁干擾主要是以感應形式存在，無外乎3種情況：a靜電感應電壓，Un

2、jCUs，式中Un為耦合感應電壓；Us為干擾源電壓。靜電耦合感應主要在無線電頻率下由電氣設備相互近距離而形成的感應，它與頻率、耦合電容、干擾源電壓成正比。b電磁感應UnjM Is，式中M為互感系數；Is為干擾電流。這種感應是由互感M引起的干擾電壓，在設備內部配線以及超近距離的設備外配線間均可引起干擾。c電導感應UnZcIs，在感應回路和被感應回路的共同阻抗流過干擾電流引起的干擾電壓。電源輸出和接地線等阻抗均可引起干擾。11電磁式繼電器的電磁干擾電磁式繼電器的電磁系統(tǒng)是由1個或若干個線圈及鐵芯、磁軛、銜鐵等組成。線圈的電感和分布電容比較大。分布電容在線圈通斷電流時使線圈有效地短路。這樣，當通過線

3、圈電流的通路被切斷時，線圈周圍的磁場突然消失，線圈上則會產生具有陡峭波前的高達數百伏甚至上千伏的“感性沖擊”瞬態(tài)浪涌電壓，它是在電流通路斷開的3s內產生的約為電源電壓100倍的瞬態(tài)過電壓，然后按線圈電感、分布電容和電阻所決定的速率衰減到零。這種脈沖過電壓能產生極大的能量釋放，它會竄入保護回路，對保護裝置產生相當大的電能沖擊和激勵。此外，觸點的閉合或斷開的瞬間，觸點間將會產生電弧電流，形成陡峭的浪涌沖擊電壓，從而能激勵其線圈回路、磁路（場）的振蕩。該振蕩形成的輻射干擾并通過電源線將干擾傳導到系統(tǒng)中其它電路中去。這些干擾電磁波還含有很高的頻率成分，存在于很寬的頻段內。特別是觸點的抖動使燃流熄滅，燃

4、流多次重復更是形成瞬間快速脈沖串干擾。另外，繼電器的塑料結構件由于靜電感應而帶有大量的靜電電荷。當繼電器在工作時，觸點通斷產生的電流會使這些塑料結構上電離積累游離的電荷增加，當電荷積累到一定程度后，會以電暈的方式迅速釋放，產生一種強大的輻射干擾，即“P靜電干擾”。其特點是放電時間短（約1s），放電電流大（可達幾十安培），放電電壓高（約數萬伏），具有201 000 MHz寬頻率頻譜成分。12拉合刀閘引起的干擾對一次設備而言，變壓器的投切，高壓線路的拉合，隔離刀閘的變位，相對于繼電器的通斷和接點的開閉，其電磁干擾的影響就更大了。電力自動化設備雜志1997年1期介紹了東北用隔離開關投切母線對高頻保護

5、的影響，結線如圖1所示，所測數據如表1所示。從表1看出，在收發(fā)信機入口的干擾電壓可達數千伏。另外，各種電纜敷設在開關場，正常運行時就受強電場影響，尤其在母線下的電纜更是如此。東北500 kV董家變進行過試驗，在500 kV母線下的地面上敷設了5種不同型號均為80m長的控制電纜，再經110m電纜引入控制室，室外一側纜芯均懸空，控制室側接測量儀器，屏蔽電纜兩端接地。當500kV母線拉合刀閘時，測得各種型號控制電纜芯線上的暫態(tài)干擾電壓見表2。 安徽繁昌500 kV變電所500 kV室外部分置于電纜溝中的電纜，雖均為鋁包鎧裝電纜，但在控制室內的芯線仍有使人麻電感覺，后在電纜溝上層支架敷設了2×

6、;120 mm2鋼芯鋁線，多點接地，將控制電纜全置于它的下層才解決了“麻電”問題。13電暈干擾高壓線路每相的電暈干擾參數，取決于桿塔上各相的布置和每相的結構、線的長度、工作頻率值及高頻保護通道頻帶的寬度，同時，還取決于高壓線路導線表面的狀態(tài)及大氣條件。根據前蘇聯(lián)電力科研所提供的文獻計算，最通用的相結構和導線水平排列的高壓線路干擾電平的平均統(tǒng)計計算值（接收系統(tǒng)帶寬為1 kHz）在工作頻率100 kHz時，220kV線路為28 dB，500 kV線路為21dB，其他工作頻率時修正為P干擾fP干擾Kflg102f。式中f為頻率（kHz），Kf為線路電壓等級決定的系數：220kV為5，500 kV為8

7、5。對不利天氣下干擾電平還要增加，文獻建議其增量取13 dB。在線路發(fā)生短路時，由于電壓的降低，電暈干擾電平也要相應減少，其減少量不小于10 dB。但是如果架空地線沒有接地，放電間隙過小，則要大大增加以至于干擾電平超過收發(fā)信機的靈敏始點收信電平而動作，并且高倍數的頻率可與工作頻率產生差拍而導致收信波形間斷。1450 Hz工頻分量的侵入干擾在發(fā)生的保護誤動實例中，區(qū)外故障正方向側高頻閉鎖式保護誤動占有很大的比例，這其中一個主要的問題是反方向側高頻閉鎖信號出現(xiàn)間斷。這是由于故障時大短路電流對高頻通道電磁感應和地電位的升高，使高頻通道中疊加了50 Hz的工頻分量對高頻信號產生影響所致。當高頻輸出回路

8、中疊加50 Hz工頻分量時，使高頻輸出變壓器的工作點產生變化，當工頻量與高頻量疊加的信號使工作點超過拐點時，變壓器飽和，使傳送高頻信號衰耗增加。當50 Hz工頻分量大到一定值使發(fā)信功率降低或收信電平降低時（綜合兩側可能受影響的結果），就會造成收信電平低于靈敏啟動電平，出現(xiàn)收信間斷，如圖2所示。圖2a為沒有疊加50 Hz工頻分量時的高頻信號；圖2b為有較小50 Hz工頻分量與高頻量疊加的信號，此時工作點未飽和；圖2c，d示意高頻變壓器一次與二次飽和波形圖，因為高頻輸出變壓器磁芯材料磁滯回線較平、較窄，具有矩形性質，因此上升和下降近似對稱；圖2e為疊加較大50Hz工頻分量的高頻信號。從圖2e看到，

9、當50 Hz工頻分量大到一定值時，收信正、負半波都受其影響而產生間斷，因此出現(xiàn)100 Hz收信間斷波。當50 Hz工頻分量再增大時，收信間斷增大加寬，趨向接近10 ms。若考慮到故障時故障電流有直流偏移，使耦合到高頻通道中的50 Hz工頻分量會更大，并帶有直流偏移，在這種情況下收信間斷有可能增寬超過10 ms。 這種情況在1996年7月20日廣東惠州220 kV秋長線C相接地故障，惠秋乙線正方向惠側高頻閉鎖式保護誤動以及1997年6月29日湖北省220 kV白郭線C相故障長郭線正方向長側高頻閉鎖式保護區(qū)外誤動時的高頻錄波圖中得到證實，其連續(xù)出現(xiàn)4次約5 ms收信間斷波都相應在3I0電流正負最大

10、值附近。高頻電纜中的50 Hz工頻分量，其途徑有2種：一種是短路電流產生很強的電磁場，由電磁感應耦合到高頻電纜上；另一種是直接傳導，即短路電流通過接地點、大地、變電站接地網，回到電源端，使地電位升高，在高頻電纜地線兩端產生電位差，其相位與短路電流相同。2防范干擾的對策21加裝電源抗干擾濾波器直流供電系統(tǒng)在變電站中分布廣、支路多，具有廣泛的“天線”接收效應，各類空間電磁干擾也在導線中相互疊加，形成較強的干擾電動勢，所以直流供電系統(tǒng)引入的干擾屬于比較嚴重的干擾。對付直流供電系統(tǒng)引入的傳導性干擾，雖然可以用隔離、屏蔽、光耦、濾波等方法，但是最直接有效的方法就是在收發(fā)信機直流電源入口處加裝電源抗干擾濾

11、波器。電源抗干擾濾波器實質上就是用低通濾波器進行濾波。從理論上講，低通濾波器在有限的低頻范圍內，應呈現(xiàn)較低的傳輸衰耗，在寬闊的高頻范圍內，均呈現(xiàn)很大的傳輸衰耗，以抑制高頻干擾信號的傳輸。并且由于干擾信號的幅度大，還要求電源濾波器能抗高強度信號沖擊。有些廠家在設計收發(fā)信機時，已考慮了這種濾波器，如SF600（601）直流電源輸入端可以抑制3 kV的快速瞬變干擾。22高頻收發(fā)信機入口串電容前面談到了50 Hz工頻分量侵入的影響，早期的收發(fā)信機和結合濾波器在構成原理上都有一個與通道串接的電容器，從而使50 Hz工頻分量在高頻通道中被抑制。而新的收發(fā)信機和結合濾波器為了提高性能指標采用了新的結線原理，

12、在兩者連接的高頻通道中，不再裝有串接的電容。因此，這種高頻通道對50 Hz工頻分量就形成一個無阻擋的通路。曾經摸擬過兩側收發(fā)信機高頻通道中串、并50Hz工頻分量試驗。當50 Hz工頻分量達到06 V就開始出現(xiàn)對發(fā)信的影響，增加到45 V時對高頻發(fā)信電壓的最大衰耗為105 dB，對收信電壓的最大衰耗為5 dB。同樣條件下，在收發(fā)信機高頻信號入口處串入033F電容就大大抑制了50 Hz工頻分量，電壓到220 V也未見到對高頻信號有影響。033F電容的工頻容抗為9 650，高頻40 kHz容抗為1206，而高頻信號輸出變壓器輸出側的工頻阻抗約1，因此033F電容對抑制工頻分量是有效的。筆者曾在湖南泉

13、塘變電站做過工頻干擾試驗。當不加工頻干擾時，固定發(fā)訊機的發(fā)信功率，在結合濾波器JL電纜側可收到343 dB電平。而當在高頻電纜的芯線與屏蔽線間施加13 V工頻電壓時，則JL電纜側電平降為33 dB。當在收發(fā)信機入口高頻電纜芯線上串入005F電容時，同樣施加工頻電壓從1 V，5 V，10 V，到25 V，其JL電纜側收信電壓仍為343 dB，沒有變化?？梢姶腚娙莺髮Ψ乐构ゎl干擾起到了很大的作用。23屏蔽屏蔽的方法現(xiàn)在已廣泛用于密封繼電器上。采用屏蔽的目的有2個：一是限制內部輻射的電磁能量越出而對外界產生干擾；二是防止外界輻射的電磁波進入使繼電器產生響應。采用金屬材料作為屏蔽體，對于不同的金屬所

14、屏蔽的電磁場波不同，屏蔽衰減的效果也不同。如純鐵、坡莫合金、鎳鈦合金、不銹鋼等磁屏蔽體的表面阻抗與空間磁場的波阻非常接近。因此，磁屏蔽體表面對磁場波的反射損耗非常好，即磁屏蔽的屏蔽效果主要由吸收和穿透損耗所決定。相反，電屏蔽體表面阻抗很小，而它要屏蔽的則是高阻抗的電場波。因此，它的屏蔽效果主要由表面反射損耗所決定，而穿透損耗則是次要的，即電場波屏蔽體可以用比較薄的導電性能好的順磁材料鋁、抗磁材料銅及其合金制成。所以如果用磁導率較好的純鐵或坡莫合金等制作箱體，再鍍一層銅或離子濺射鋅等，既吸收磁場干擾，又有反射電磁干擾的效果。24互感器在控制室一點接地國際大電網會議的調查材料，對儀用互感器二次回路

15、宜在何處實施一點接地，并無一定的規(guī)定。但IEEE推薦在引入控制室的第一點（配電盤或保護盤）對二次回路實施接地，理由是應在最易遭受回路過電壓威脅的點上對人員和聯(lián)接設備提供最好的保護。而在儀用互感器安裝處附近實現(xiàn)接地，則主要是為了限制互感器二次線圈的電壓應力，在距互感器若干距離外的控制室配電盤處，則可能因接地故障而引入明顯過電壓。同時，試驗與運行人員也將有更多的機會在配電盤上進行工作，我國現(xiàn)行的繼電保護規(guī)程則明確規(guī)定“接地宜設在控制室內”，且不允許多點接地。25高頻同軸電纜接地    高頻同軸電纜兩端接地與敷設100 mm2銅導線在福建笏石變電站作倒閘操作試驗，測試到

16、進入高頻通道的脈沖干擾電壓峰值達500 V，頻率為20200 kHz，進入到220 V直流系統(tǒng)對地脈沖干擾電壓“”對地峰值300 V，“”對地峰值50 V。將收發(fā)信機通道地線在控制室屏上直接接地（開關場接地點未拆除）則使220 V對地“”對地峰值電壓為0，“”對地峰值仍為50 V，而沒有改變通道干擾電壓水平?？梢?，收發(fā)信機通道接地線在控制室屏上接地是抑制脈沖干擾電壓竄入的有效措施，尤其降低了干擾電壓對直流系統(tǒng)的影響。為了保證室內收發(fā)信機安全，高頻電纜屏蔽室內必須接地。同樣，室外結合過濾器電纜側也必須接地。由于兩端接地，使高頻電纜屏蔽層正常就流過雜散電流，破壞了同軸電纜電磁平衡，使共模干擾能力很

17、低。在電網故障時干擾強的情況下，加之電位差，使高頻同軸電纜屏蔽層流過的電流更大，可能燒壞電纜，并使干擾大量進入芯線造成收發(fā)信機損壞或不能正常工作。敷設100 mm2銅導線是減小干擾和地電位差，使干擾和地電位差產生的電流絕大部分從100 mm2銅導線中流走。26適當提高靈敏始點電平我國的收發(fā)信機的收信靈敏始點電平按“四統(tǒng)一”的設計要求為05 N。10多a來，收發(fā)信機廠家一直沿用此數據生產收發(fā)信機，一般收發(fā)信機的靈敏始點電平調試45 dB。前蘇聯(lián)電力科學研究所考慮到高頻通道上除電暈干擾外，還應考慮在短路燃燒電弧穩(wěn)定周期中以及在切除高壓線路短路弧光的單相重合閘周期里擾動干擾的短時影響，推薦采用最小允許靈敏始點電平為：110 kV線路不低于5 dB，在更高的電壓等級線路上不低于2 dB。所以筆者認為在保證收信裕量的前提下，適當提高收信靈敏始