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(diào)度通信中心（湖南長(zhǎng)沙410007）摘要針對(duì)高頻保護(hù)的誤動(dòng)問(wèn)題，分析了誤動(dòng)的主要原因是各種干擾所致，進(jìn)而分析了干擾的種類(lèi)、機(jī)理和危害，提出了防止干擾的措施。關(guān)鍵詞高頻通道干擾措施0引言近年來(lái)，隨著微機(jī)型高頻保護(hù)的廣泛應(yīng)用，設(shè)備抗干擾問(wèn)題越來(lái)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(xiàn)高頻相差誤動(dòng)4次。這些均是由于區(qū)外發(fā)生故障引起相差保護(hù)誤動(dòng)的。這些不明原因的誤動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成了很大危害。所以，對(duì)系統(tǒng)的干擾因素我們必須有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。1干擾的種類(lèi)和產(chǎn)生機(jī)理作為電磁干擾主要是以感應(yīng)形式存在，無(wú)外乎3種情況：a靜電感應(yīng)電壓，Un

2、jCUs，式中Un為耦合感應(yīng)電壓；Us為干擾源電壓。靜電耦合感應(yīng)主要在無(wú)線(xiàn)電頻率下由電氣設(shè)備相互近距離而形成的感應(yīng)，它與頻率、耦合電容、干擾源電壓成正比。b電磁感應(yīng)UnjM Is，式中M為互感系數(shù)；Is為干擾電流。這種感應(yīng)是由互感M引起的干擾電壓，在設(shè)備內(nèi)部配線(xiàn)以及超近距離的設(shè)備外配線(xiàn)間均可引起干擾。c電導(dǎo)感應(yīng)UnZcIs，在感應(yīng)回路和被感應(yīng)回路的共同阻抗流過(guò)干擾電流引起的干擾電壓。電源輸出和接地線(xiàn)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(gè)或若干個(gè)線(xiàn)圈及鐵芯、磁軛、銜鐵等組成。線(xiàn)圈的電感和分布電容比較大。分布電容在線(xiàn)圈通斷電流時(shí)使線(xiàn)圈有效地短路。這樣，當(dāng)通過(guò)線(xiàn)

3、圈電流的通路被切斷時(shí)，線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)突然消失，線(xiàn)圈上則會(huì)產(chǎn)生具有陡峭波前的高達(dá)數(shù)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(kāi)的3s內(nèi)產(chǎn)生的約為電源電壓100倍的瞬態(tài)過(guò)電壓，然后按線(xiàn)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(guò)電壓能產(chǎn)生極大的能量釋放，它會(huì)竄入保護(hù)回路，對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生相當(dāng)大的電能沖擊和激勵(lì)。此外，觸點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)的瞬間，觸點(diǎn)間將會(huì)產(chǎn)生電弧電流，形成陡峭的浪涌沖擊電壓，從而能激勵(lì)其線(xiàn)圈回路、磁路（場(chǎng)）的振蕩。該振蕩形成的輻射干擾并通過(guò)電源線(xiàn)將干擾傳導(dǎo)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(nèi)。特別是觸點(diǎn)的抖動(dòng)使燃流熄滅，燃

4、流多次重復(fù)更是形成瞬間快速脈沖串干擾。另外，繼電器的塑料結(jié)構(gòu)件由于靜電感應(yīng)而帶有大量的靜電電荷。當(dāng)繼電器在工作時(shí)，觸點(diǎn)通斷產(chǎn)生的電流會(huì)使這些塑料結(jié)構(gòu)上電離積累游離的電荷增加，當(dāng)電荷積累到一定程度后，會(huì)以電暈的方式迅速釋放，產(chǎn)生一種強(qiáng)大的輻射干擾，即“P靜電干擾”。其特點(diǎn)是放電時(shí)間短（約1s），放電電流大（可達(dá)幾十安培），放電電壓高（約數(shù)萬(wàn)伏），具有201 000 MHz寬頻率頻譜成分。12拉合刀閘引起的干擾對(duì)一次設(shè)備而言，變壓器的投切，高壓線(xiàn)路的拉合，隔離刀閘的變位，相對(duì)于繼電器的通斷和接點(diǎn)的開(kāi)閉，其電磁干擾的影響就更大了。電力自動(dòng)化設(shè)備雜志1997年1期介紹了東北用隔離開(kāi)關(guān)投切母線(xiàn)對(duì)高頻保護(hù)

5、的影響，結(jié)線(xiàn)如圖1所示，所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1看出，在收發(fā)信機(jī)入口的干擾電壓可達(dá)數(shù)千伏。另外，各種電纜敷設(shè)在開(kāi)關(guān)場(chǎng)，正常運(yùn)行時(shí)就受強(qiáng)電場(chǎng)影響，尤其在母線(xiàn)下的電纜更是如此。東北500 kV董家變進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，在500 kV母線(xiàn)下的地面上敷設(shè)了5種不同型號(hào)均為80m長(zhǎng)的控制電纜，再經(jīng)110m電纜引入控制室，室外一側(cè)纜芯均懸空，控制室側(cè)接測(cè)量?jī)x器，屏蔽電纜兩端接地。當(dāng)500kV母線(xiàn)拉合刀閘時(shí)，測(cè)得各種型號(hào)控制電纜芯線(xiàn)上的暫態(tài)干擾電壓見(jiàn)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(nèi)的芯線(xiàn)仍有使人麻電感覺(jué)，后在電纜溝上層支架敷設(shè)了2×

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

7、5。對(duì)不利天氣下干擾電平還要增加，文獻(xiàn)建議其增量取13 dB。在線(xiàn)路發(fā)生短路時(shí)，由于電壓的降低，電暈干擾電平也要相應(yīng)減少，其減少量不小于10 dB。但是如果架空地線(xiàn)沒(méi)有接地，放電間隙過(guò)小，則要大大增加以至于干擾電平超過(guò)收發(fā)信機(jī)的靈敏始點(diǎn)收信電平而動(dòng)作，并且高倍數(shù)的頻率可與工作頻率產(chǎn)生差拍而導(dǎo)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(hù)誤動(dòng)實(shí)例中，區(qū)外故障正方向側(cè)高頻閉鎖式保護(hù)誤動(dòng)占有很大的比例，這其中一個(gè)主要的問(wèn)題是反方向側(cè)高頻閉鎖信號(hào)出現(xiàn)間斷。這是由于故障時(shí)大短路電流對(duì)高頻通道電磁感應(yīng)和地電位的升高，使高頻通道中疊加了50 Hz的工頻分量對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生影響所致。當(dāng)高頻輸出回路

8、中疊加50 Hz工頻分量時(shí)，使高頻輸出變壓器的工作點(diǎn)產(chǎn)生變化，當(dāng)工頻量與高頻量疊加的信號(hào)使工作點(diǎn)超過(guò)拐點(diǎn)時(shí)，變壓器飽和，使傳送高頻信號(hào)衰耗增加。當(dāng)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(shí)（綜合兩側(cè)可能受影響的結(jié)果），就會(huì)造成收信電平低于靈敏啟動(dòng)電平，出現(xiàn)收信間斷，如圖2所示。圖2a為沒(méi)有疊加50 Hz工頻分量時(shí)的高頻信號(hào)；圖2b為有較小50 Hz工頻分量與高頻量疊加的信號(hào)，此時(shí)工作點(diǎn)未飽和；圖2c，d示意高頻變壓器一次與二次飽和波形圖，因?yàn)楦哳l輸出變壓器磁芯材料磁滯回線(xiàn)較平、較窄，具有矩形性質(zhì)，因此上升和下降近似對(duì)稱(chēng)；圖2e為疊加較大50Hz工頻分量的高頻信號(hào)。從圖2e看到，

9、當(dāng)50 Hz工頻分量大到一定值時(shí)，收信正、負(fù)半波都受其影響而產(chǎn)生間斷，因此出現(xiàn)100 Hz收信間斷波。當(dāng)50 Hz工頻分量再增大時(shí)，收信間斷增大加寬，趨向接近10 ms。若考慮到故障時(shí)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(huì)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(guò)10 ms。 這種情況在1996年7月20日廣東惠州220 kV秋長(zhǎng)線(xiàn)C相接地故障，惠秋乙線(xiàn)正方向惠側(cè)高頻閉鎖式保護(hù)誤動(dòng)以及1997年6月29日湖北省220 kV白郭線(xiàn)C相故障長(zhǎng)郭線(xiàn)正方向長(zhǎng)側(cè)高頻閉鎖式保護(hù)區(qū)外誤動(dòng)時(shí)的高頻錄波圖中得到證實(shí)，其連續(xù)出現(xiàn)4次約5 ms收信間斷波都相應(yīng)在3I0電流正負(fù)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(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，由電磁感應(yīng)耦合到高頻電纜上；另一種是直接傳導(dǎo)，即短路電流通過(guò)接地點(diǎn)、大地、變電站接地網(wǎng)，回到電源端，使地電位升高，在高頻電纜地線(xiàn)兩端產(chǎn)生電位差，其相位與短路電流相同。2防范干擾的對(duì)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(xiàn)”接收效應(yīng)，各類(lèi)空間電磁干擾也在導(dǎo)線(xiàn)中相互疊加，形成較強(qiáng)的干擾電動(dòng)勢(shì)，所以直流供電系統(tǒng)引入的干擾屬于比較嚴(yán)重的干擾。對(duì)付直流供電系統(tǒng)引入的傳導(dǎo)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(jī)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(shí)質(zhì)上就是用低通濾波器進(jìn)行濾波。從理論上講，低通濾波器在有限的低頻范圍內(nèi)，應(yīng)呈現(xiàn)較低的傳輸衰耗，在寬闊的高頻范圍內(nèi)，均呈現(xiàn)很大的傳輸衰耗，以抑制高頻干擾信號(hào)的傳輸。并且由于干擾信號(hào)的幅度大，還要求電源濾波器能抗高強(qiáng)度信號(hào)沖擊。有些廠家在設(shè)計(jì)收發(fā)信機(jī)時(shí)，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(jī)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(jī)和結(jié)合濾波器在構(gòu)成原理上都有一個(gè)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(jī)和結(jié)合濾波器為了提高性能指標(biāo)采用了新的結(jié)線(xiàn)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(duì)50 Hz工頻分量就形成一個(gè)無(wú)阻擋的通路。曾經(jīng)摸擬過(guò)兩側(cè)收發(fā)信機(jī)高頻通道中串、并50Hz工頻分量試驗(yàn)。當(dāng)50 Hz工頻分量達(dá)到06 V就開(kāi)始出現(xiàn)對(duì)發(fā)信的影響，增加到45 V時(shí)對(duì)高頻發(fā)信電壓的最大衰耗為105 dB，對(duì)收信電壓的最大衰耗為5 dB。同樣條件下，在收發(fā)信機(jī)高頻信號(hào)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(jiàn)到對(duì)高頻信號(hào)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(hào)輸出變壓器輸出側(cè)的工頻阻抗約1，因此033F電容對(duì)抑制工頻分量是有效的。筆者曾在湖南泉

13、塘變電站做過(guò)工頻干擾試驗(yàn)。當(dāng)不加工頻干擾時(shí)，固定發(fā)訊機(jī)的發(fā)信功率，在結(jié)合濾波器JL電纜側(cè)可收到343 dB電平。而當(dāng)在高頻電纜的芯線(xiàn)與屏蔽線(xiàn)間施加13 V工頻電壓時(shí)，則JL電纜側(cè)電平降為33 dB。當(dāng)在收發(fā)信機(jī)入口高頻電纜芯線(xiàn)上串入005F電容時(shí)，同樣施加工頻電壓從1 V，5 V，10 V，到25 V，其JL電纜側(cè)收信電壓仍為343 dB，沒(méi)有變化?？梢?jiàn)串入電容后對(duì)防止工頻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(gè)：一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量越出而對(duì)外界產(chǎn)生干擾；二是防止外界輻射的電磁波進(jìn)入使繼電器產(chǎn)生響應(yīng)。采用金屬材料作為屏蔽體，對(duì)于不同的金屬所

14、屏蔽的電磁場(chǎng)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(chǎng)的波阻非常接近。因此，磁屏蔽體表面對(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)波屏蔽體可以用比較薄的導(dǎo)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(dǎo)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(chǎng)干擾，又有反射電磁干擾的效果。24互感器在控制室一點(diǎn)接地國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議的調(diào)查材料，對(duì)儀用互感器二次回路

15、宜在何處實(shí)施一點(diǎn)接地，并無(wú)一定的規(guī)定。但I(xiàn)EEE推薦在引入控制室的第一點(diǎn)（配電盤(pán)或保護(hù)盤(pán)）對(duì)二次回路實(shí)施接地，理由是應(yīng)在最易遭受回路過(guò)電壓威脅的點(diǎn)上對(duì)人員和聯(lián)接設(shè)備提供最好的保護(hù)。而在儀用互感器安裝處附近實(shí)現(xiàn)接地，則主要是為了限制互感器二次線(xiàn)圈的電壓應(yīng)力，在距互感器若干距離外的控制室配電盤(pán)處，則可能因接地故障而引入明顯過(guò)電壓。同時(shí)，試驗(yàn)與運(yùn)行人員也將有更多的機(jī)會(huì)在配電盤(pán)上進(jìn)行工作，我國(guó)現(xiàn)行的繼電保護(hù)規(guī)程則明確規(guī)定“接地宜設(shè)在控制室內(nèi)”，且不允許多點(diǎn)接地。25高頻同軸電纜接地    高頻同軸電纜兩端接地與敷設(shè)100 mm2銅導(dǎo)線(xiàn)在福建笏石變電站作倒閘操作試驗(yàn)，測(cè)試到

16、進(jìn)入高頻通道的脈沖干擾電壓峰值達(dá)500 V，頻率為20200 kHz，進(jìn)入到220 V直流系統(tǒng)對(duì)地脈沖干擾電壓“”對(duì)地峰值300 V，“”對(duì)地峰值50 V。將收發(fā)信機(jī)通道地線(xiàn)在控制室屏上直接接地（開(kāi)關(guān)場(chǎng)接地點(diǎn)未拆除）則使220 V對(duì)地“”對(duì)地峰值電壓為0，“”對(duì)地峰值仍為50 V，而沒(méi)有改變通道干擾電壓水平?？梢?jiàn)，收發(fā)信機(jī)通道接地線(xiàn)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(duì)直流系統(tǒng)的影響。為了保證室內(nèi)收發(fā)信機(jī)安全，高頻電纜屏蔽室內(nèi)必須接地。同樣，室外結(jié)合過(guò)濾器電纜側(cè)也必須接地。由于兩端接地，使高頻電纜屏蔽層正常就流過(guò)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(wǎng)故障時(shí)干擾強(qiáng)的情況下，加之電位差，使高頻同軸電纜屏蔽層流過(guò)的電流更大，可能燒壞電纜，并使干擾大量進(jìn)入芯線(xiàn)造成收發(fā)信機(jī)損壞或不能正常工作。敷設(shè)100 mm2銅導(dǎo)線(xiàn)是減小干擾和地電位差，使干擾和地電位差產(chǎn)生的電流絕大部分從100 mm2銅導(dǎo)線(xiàn)中流走。26適當(dāng)提高靈敏始點(diǎn)電平我國(guó)的收發(fā)信機(jī)的收信靈敏始點(diǎn)電平按“四統(tǒng)一”的設(shè)計(jì)要求為05 N。10多a來(lái)，收發(fā)信機(jī)廠家一直沿用此數(shù)據(jù)生產(chǎn)收發(fā)信機(jī)，一般收發(fā)信機(jī)的靈敏始點(diǎn)電平調(diào)試45 dB。前蘇聯(lián)電力科學(xué)研究所考慮到高頻通道上除電暈干擾外，還應(yīng)考慮在短路燃燒電弧穩(wěn)定周期中以及在切除高壓線(xiàn)路短路弧光的單相重合閘周期里擾動(dòng)干擾的短時(shí)影響，推薦采用最小允許靈敏始點(diǎn)電平為：110 kV線(xiàn)路不低于5 dB，在更高的電壓等級(jí)線(xiàn)路上不低于2 dB。所以筆者認(rèn)為在保證收信裕量的前提下，適當(dāng)提高收信靈敏始