淺析繼電保護(hù)裝置的抗干擾措施(史登祥)

1、淺析繼電保護(hù)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(gè)具有高強(qiáng)度電磁場(chǎng)環(huán)境的特殊地域，而裝在所內(nèi)的繼電保護(hù)裝置正不斷受到各種強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾。尤其是，近年來，微電子器件在繼電保護(hù)裝置中得到了廣泛應(yīng)用，它們耐受干擾的水平極低、且大多為電磁敏感設(shè)備，因而很容易受到干擾的影響和危害，最終可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)等各種異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)，從而嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。為此本文從干擾的來源及其傳布途徑入手，有針對(duì)性地提出了相應(yīng)的抑制措施，達(dá)到了有效的抗干擾目的?！娟P(guān)鍵詞】電磁干擾；抑制措施；屏蔽；接地高壓變電所一次回路強(qiáng)電磁干擾和二次回路本身的電磁干

2、擾，通過感應(yīng)、耦合和輻射等途徑引入到半導(dǎo)體型電子元器件上。當(dāng)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(shí)，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(dòng)化設(shè)備產(chǎn)生大量垃圾信息，嚴(yán)重影響了運(yùn)行人員對(duì)站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視及操作，增加了值班人員的工作負(fù)擔(dān)，影響了事故的分析與處理。因此，繼電保護(hù)與自動(dòng)化裝置的抗干擾就成為一個(gè)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(nèi)部干擾兩個(gè)方面。外部干擾是指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)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(shè)備輻射的電磁波產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)，如雷擊、隔離開關(guān)操

3、作、中壓開關(guān)柜操作、直流電源的中斷與恢復(fù)、步話機(jī)輻射及來自電源的工頻干擾等等。內(nèi)部干擾是指由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(jié)合引起的不同信號(hào)感應(yīng)、長(zhǎng)線(對(duì)高頻信號(hào)而言)傳輸造成電磁波的反射、多點(diǎn)接地造成的電位差干擾、寄生振蕩和尖峰信號(hào)引起的干擾等等。但是，不論是外部干擾還是內(nèi)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(nèi)，有多種渠道將電磁干擾源和受干擾的二次回路和二次設(shè)備聯(lián)接起來，這些耦合渠道包括：輻射、感應(yīng)和耦合。而被干擾設(shè)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(yīng)。2.1、 輻射高頻感

4、應(yīng)加熱設(shè)備、高頻焊接等工業(yè)設(shè)備以及電視發(fā)射臺(tái)、雷達(dá)等大功率電子設(shè)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(chǎng)也會(huì)通過供電線路侵入電子設(shè)備，造成干擾信號(hào)。2.2、感應(yīng)同一電纜內(nèi)的感應(yīng)：當(dāng)同一電纜中某一芯線通過很強(qiáng)的干擾電流時(shí)，將在其他芯線感應(yīng)出很高的干擾電壓，并在終端聯(lián)接設(shè)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(jí)的強(qiáng)電與弱電回路共用同一電纜時(shí)，當(dāng)強(qiáng)電回路的電能突變，也會(huì)對(duì)弱電回路感應(yīng)出不能接受的干擾，因而，應(yīng)當(dāng)盡量避免這種做法。2.3、耦合 在開關(guān)場(chǎng)，電磁干擾主要經(jīng)電感耦合、電容耦合及傳導(dǎo)耦合等途徑引入二次設(shè)備。(1)、電感耦合：電感耦合有兩個(gè)渠道：一是

5、當(dāng)隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的高頻電流或雷電電流通過高壓母線時(shí)，在高壓母線周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)，其中的一部分H2將二次電纜包圍，因此在二次回路中感應(yīng)出對(duì)地的共模干擾電壓傳到繼電保護(hù)裝置等二次設(shè)備的端子上,若二次回路的走線不合理，例如同一個(gè)回路中的一根導(dǎo)線利用了一根電纜中的一芯，而其回程導(dǎo)線卻利用了另一根電纜的一芯時(shí)，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(huì)在同一回路的兩根導(dǎo)線間產(chǎn)生很大的差模干擾電壓，這種設(shè)計(jì)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(dāng)高頻電流I經(jīng)母線所接高壓電容器入地時(shí)，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(fù)載形成了一個(gè)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(yīng)出電壓，傳到繼電保護(hù)裝置等二次設(shè)備端子上。接地引下線與二次電纜間的距離D愈大時(shí)，所包圍的磁通越多，在閉合回路上感應(yīng)的電壓越高。在二次回路所接設(shè)備上感應(yīng)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(dāng)L=3m，D/R=10時(shí)，可能產(chǎn)生的感應(yīng)電壓e將達(dá)10kV ，這個(gè)電壓的數(shù)

7、值遠(yuǎn)較上一項(xiàng)的感應(yīng)電壓為高。因此，對(duì)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(dǎo)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(duì)設(shè)計(jì)和施工的基本要求。 圖1 開關(guān)場(chǎng)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(duì)二次電纜和二次電纜對(duì)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(dǎo)線對(duì)地電容不對(duì)稱，還會(huì)引起差模干擾電壓。當(dāng)二次電纜回路有一點(diǎn)接地網(wǎng)時(shí)，CE，ec=0 ；因此，為了人身和設(shè)備的安全，在二次回路上任何時(shí)候都必須保持一點(diǎn)接地。同理，二次回路一點(diǎn)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(dǎo)耦合連接耦合電容器到變電所地網(wǎng)的接地線，當(dāng)通過高頻電流I時(shí)，呈現(xiàn)高阻抗，因而在N、G間產(chǎn)生很高的高頻電壓，這個(gè)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(hù)裝置等二次設(shè)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(dǎo)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(diǎn)的阻抗等等。3、電磁干擾對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響近年來，微機(jī)型繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用。和常規(guī)保護(hù)相比，微機(jī)保護(hù)具有先進(jìn)的原理及結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，保護(hù)動(dòng)作迅速靈敏可靠，能自動(dòng)記錄故障信息等顯著的優(yōu)點(diǎn)

9、。但是在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，如果運(yùn)行環(huán)境差，抗干擾措施落實(shí)不當(dāng)，則很容易受到外界環(huán)境的干擾，造成保護(hù)不正常，甚至發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)作，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。微機(jī)保護(hù)裝置是以微機(jī)為核心的自動(dòng)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(guān)量輸入輸出系統(tǒng)、通信接口及電源。在干擾信號(hào)產(chǎn)生后，干擾對(duì)模擬電路和對(duì)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(guān)電路誤翻轉(zhuǎn)在沒有完善閉鎖措施時(shí)將會(huì)導(dǎo)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(cuò)誤從而導(dǎo)致微機(jī)運(yùn)行故障或功能障礙。也能引起保護(hù)的不正確動(dòng)作。干擾對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：3.1、 計(jì)算或邏輯錯(cuò)誤。微機(jī)保護(hù)

10、裝置的輸入輸出數(shù)據(jù)、微處理器計(jì)算的中間結(jié)果、控制標(biāo)志字都存放在隨機(jī)存貯器RAM 中。在強(qiáng)電磁干擾信號(hào)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(jìn)行讀或?qū)憯?shù)據(jù)時(shí)，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(cuò)誤數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)傳送到錯(cuò)誤的地址上，造成計(jì)算錯(cuò)誤或邏輯紊亂，引起裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。3.2 、程序運(yùn)行出軌。所謂程序只是微處理器可識(shí)別的機(jī)器碼，在干擾信號(hào)的作用下，將可能出現(xiàn)微處理器無法識(shí)別的機(jī)器碼，致使微處理器無法工作。此外，如果干擾信號(hào)改變了控制程序流向的標(biāo)志字時(shí)，也將改變運(yùn)行程序的執(zhí)行順序，使微機(jī)的運(yùn)行程序出軌，出現(xiàn)死機(jī)等問題。3.3、 元件損壞。在微機(jī)保護(hù)裝置中的一些半導(dǎo)體芯

11、片，在強(qiáng)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(gòu)造繼電保護(hù)裝置等電位面基于微機(jī)的繼電保護(hù)裝置的重要特點(diǎn)：一是具有自檢能力；二是具有通信功能。如果微機(jī)繼電保護(hù)裝置集中在主控制室，為了實(shí)現(xiàn)可靠通信，必須將聯(lián)網(wǎng)的中央計(jì)算機(jī)和各套微機(jī)保護(hù)以及其他基于微機(jī)的控制裝置都置于同一等電位平臺(tái)上，這個(gè)等電位面應(yīng)該與控制室地網(wǎng)只有一點(diǎn)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(dòng)，同時(shí)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(jī)設(shè)備的地之間無電位差，保證聯(lián)網(wǎng)通信的可靠運(yùn)行。各微機(jī)設(shè)備都應(yīng)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(shè)備上的各組件內(nèi)外部

12、的接地及零電位都應(yīng)由專用聯(lián)線聯(lián)到專用接地線上，專用接地線接到保護(hù)盤的專用接地端子，接地端子以適當(dāng)截面的銅線接到專用接地網(wǎng)上，這樣就形成了一個(gè)等電位面的網(wǎng)，有利于屏蔽干擾。構(gòu)造等電位面有兩種可能做法，一是將微機(jī)保護(hù)盤底部已有的接地銅排通過焊接聯(lián)通，同時(shí)在盡頭用專用100mm2銅線聯(lián)通，形成一個(gè)銅網(wǎng)格，這個(gè)網(wǎng)格與由電纜溝引來的粗銅導(dǎo)線聯(lián)通。借該粗銅導(dǎo)線對(duì)控制室的接地點(diǎn)形成要求的對(duì)地網(wǎng)的唯一一點(diǎn)接地。另外一種做法，是在保護(hù)盤底部的下面構(gòu)造一個(gè)專用的銅網(wǎng)格，各保護(hù)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(shí)現(xiàn)。4.2、高頻同軸電纜屏蔽層在開關(guān)場(chǎng)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(jī)入口的干擾電壓，保護(hù)收發(fā)信機(jī)的安全運(yùn)行。若高頻同軸電纜只在一端接地，在隔離開關(guān)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(huì)在收發(fā)信機(jī)端子上產(chǎn)生高電壓，且可能會(huì)中斷收發(fā)信機(jī)的正常工作，甚至損壞收發(fā)信機(jī)部件。4.3、控制電纜屏蔽層在兩端同時(shí)接地屏蔽層兩端接地的好處有如下兩條：(1) 當(dāng)控制電纜為母線暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通所包圍時(shí)，在電纜的屏蔽層中將感應(yīng)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(duì)電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結(jié)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(gè)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(yīng)電壓。當(dāng)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(shí)，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動(dòng)，同時(shí)地網(wǎng)的視在接地電阻也將暫時(shí)升高，與正常交流電阻相比，地電阻常常增大10倍以上。當(dāng)?shù)蛪嚎刂齐娎|在上述地電位升的附近敷設(shè)時(shí)，電纜電位將隨地電位的波動(dòng)而受干擾。因此，接地浪涌電流引起的地電位升將可能對(duì)低壓控制回路的絕緣配合帶來嚴(yán)重影響。為了定量地估計(jì)當(dāng)雷電流注入變電所地網(wǎng)時(shí)在控制電纜纜芯中引起的暫態(tài)感應(yīng)的數(shù)量，相關(guān)文獻(xiàn)列出了在30個(gè)變電所中進(jìn)行人工注入地網(wǎng)較小沖擊電流（104000A）時(shí)測(cè)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(yīng)電壓的概率圖2中所測(cè)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(yīng)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(guān)場(chǎng)進(jìn)線在繼電保護(hù)盤端子處經(jīng)電容接地研究結(jié)果說明，控制電纜電磁干擾中的相當(dāng)部分來自套管式或柱式TA以及TV的高頻傳導(dǎo)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(duì)這種干擾無能為力，且這種傳導(dǎo)耦合的效率隨干擾頻率的增高而增大。為此還應(yīng)該在開關(guān)場(chǎng)進(jìn)線的繼電保護(hù)端子上對(duì)地接入高頻濾波回路，而最為簡(jiǎn)便的是在這些端子上接

16、入對(duì)地電容。 (a)正確接線 (b)錯(cuò)誤接線圖3 繼電保護(hù)盤進(jìn)線的接地電容接線回路如圖3所示，所有開關(guān)場(chǎng)進(jìn)線到了繼電保護(hù)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(jìn)入繼電保護(hù)裝置的回路，不允許用T接方式。圖3(b)這所以錯(cuò)誤，是因?yàn)門接那一段導(dǎo)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(dāng)然應(yīng)當(dāng)用短粗導(dǎo)線接地網(wǎng)。4.5、其他措施以下的各項(xiàng)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(diǎn)接地；電壓互感器二次回路和三次回路相互獨(dú)立。(2)、直線供電電源進(jìn)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(yīng)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(guān)，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(yīng)與高壓母線垂直；如果不可能時(shí)，則應(yīng)盡可能增大母線與控制電纜間的距離。(4)、由同一設(shè)備引出的所有電纜，在開關(guān)場(chǎng)必須靠攏在一起。(5)、接到相同靈敏度的設(shè)備的電纜，應(yīng)成組安排；接到不同靈敏度設(shè)備的電纜組間應(yīng)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(nèi)。(6)、地網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備的接地方法等對(duì)暫態(tài)電壓對(duì)控制回路影響很大。但是，即使設(shè)計(jì)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(shè)一低電阻導(dǎo)線，該導(dǎo)線因地電位差引起的電流將在控制電纜中感應(yīng)出一反電勢(shì)，從而起中和作用，因而在電纜溝中，接地的粗導(dǎo)線應(yīng)置于電纜溝的上層，即干擾源與控制電纜間。(7)、對(duì)于氣體絕緣變電所，聯(lián)接安裝在外殼上的設(shè)備（儀用互感器、壓力計(jì)的電纜應(yīng)與外殼平行，在接頭處應(yīng)垂直離開外殼），垂直的間距不小于23m，以躲開接頭處