電力系統中繼電保護裝置抗干擾措施分析

陳連軍

（珠海電力設計院有限公司，廣東 珠海 519000）

1.電力系統中的干擾來源及分類

干擾的分類有多種方法,主要有以下幾種:

(1)按頻率范圍劃分,干擾可以分為低頻干擾和高頻干擾2類。低頻干擾包括工頻及其諧波以及頻率為幾千周的低頻振蕩;高頻干擾包括各種暫態現象以及衰減的高頻振蕩。

(2)按照干擾的形態,干擾可分為①共模干擾,這是發生在保護裝置電路中的某一點和接地線(或外殼)之間的干擾。②差模干擾,這是發生在電路兩導線之間的干擾,是和有用信號傳遞途經相同的一種干擾。保護裝置接受這種干擾的能力和接受有用信號的能力完全相同。當共模干擾在各導線上縱向壓降不平衡時,也會間接地產生差模干擾。

(3)按照干擾的危害,干擾可分為:①引起保護與自動裝置不正確動作的干擾。低頻差模干擾通常屬于此類干擾。一般情況下,保護裝置在工頻上下有一個通頻帶,可以濾掉高頻干擾。而低頻差模干擾與有用信號一起進入回路,形成干擾,影響其正常工作。②引起設備損壞的干擾。由于高壓網絡的操作或雷電波引起的高頻振蕩,其幅值大大超過低頻干擾,常易造成保護裝置元件和二次回路的損壞,這種干擾通常屬于共模干擾。

電力系統中的干擾主要來自高壓系統的倒閘操作;直流回路的操作;雷電波;電力系統的故障;無線電波、太陽爆發和地磁磁暴、核爆炸等。下面就幾種電力系統中最常見、影響較嚴重的干擾以及防御措施進行探討。

2.一次系統與保護(控制)回路耦合產生的干擾

2.1 電磁耦合的干擾

降低電磁耦合干擾的有效措施是"屏蔽"見圖1。干擾導體中的高頻電流將在其周圍產生干擾磁通Φ1,若被干擾導體不采取任何措施,則Φ1將在其上產生感應電勢,并形成干擾電壓。若被干擾導體外有金屬屏蔽層,則Φ1將在屏蔽層中感應出感應電勢。如果給屏蔽層中的感應電勢一個低阻抗的回路以產生感應電流,根據電磁感應定律,這一感應電流所產生的磁通Φ2總能抵償Φ1,從而起到屏蔽的作用。

為了達到屏蔽的目的,要求做到以下幾點:

(1)屏蔽層是導電體,而且兩端接地,以產生感應電流;

(2)屏蔽層有盡量高的導電率,以產生較大的作用于抵償干擾磁通的電流;

(3)屏蔽層完全包圍導體。

如果能夠滿足上述條件,就可以達到幾乎完全的屏蔽作用。

根據以上屏蔽原理,若導體本身不具備良好的屏蔽層,又希望減少外磁場干擾時,可以采用下述方法之一來達到一定的屏蔽目的。

(1)與被干擾導線平行地敷設1條導線且使其兩端接地;

(2)在該導線所在的電纜中,若有備用芯,可將該備用芯兩端接地。

2.2 靜電耦合的干擾

靜電耦合干擾是由于高電壓產生的,與有無暫態電流無關。圖2中,假設控制導體A與高壓干擾源B之間的電容為C1,與大地間的電容為C2,干擾源對地電壓為U,則控制導體A因干擾源有電壓U而產生對地電壓,此電壓即為導體A因電容耦合而受到的共模干擾。如果作為控制回路的2個導體對干擾源和大地的位置不對稱,即2條導體對于干擾源和大地的電容不同,則它們感應的電壓U2(共模干擾電壓)不同,于是這2個導體之間將會出現電位差ΔU,這一電位差即由靜電耦合產生的差模干擾。

圖1 屏蔽降低電磁耦合干擾示意圖

圖2 高壓帶電體的靜電干擾示意圖

為防護靜電耦合干擾,可采用以下2種方法:

(1)采用單芯電纜時,若此電纜途經高壓設備附近,應將2根電纜芯并行,并且盡量靠近;若對抗干擾有較高要求時,可采用雙絞線,這樣做可以有效防止差模干擾。

(2)采用屏蔽電纜或多層屏蔽電纜。靜電耦合干擾是由靜電場產生的,當采用屏蔽電纜時,屏蔽層內的空間對外電場而言,是一個等位空間,其間的導體不會產生共模干擾。

2.3 直流系統操作引起的干擾

在直流系統中斷開輔助繼電器、斷路器合跳閘線圈等有感元件時,可能引起很高的電壓,這也是一種重要的干擾源。切斷電感元件時線圈兩端出現的暫態過電壓具有振蕩的性質,其大小和頻率決定于下列因素:

(1)被切斷的線圈電感量;

(2)被切斷的電流值;

(3)線圈兩端及引線間的雜散電容;

(4)線圈的電阻及其鐵芯和周圍介質的損耗;

(5)操作開關的構造及其滅弧介質的"擊穿電壓-時間特性"。

當被操作的開關是理想的開關,即其斷開時間為零。斷開時開關斷口耐壓無限大,則暫態只限于線圈及其引線,其過電壓的特征為:

(1)振蕩的頻率很低,約為1000Hz;

(2)有高的尖峰電壓Umax=18.9kV。

當被操作的開關不理想時。則在接點開斷過程中,電弧可能重燃,引起很嚴重的暫態過程。在此情況下,在開關斷開的整個過程中,每當其接點兩端的振蕩過電壓值超過當時的接點距離所決定的擊穿電壓時,電弧將重燃。因而,接點間的電流時斷時續,這就更加劇了整個振蕩過程。這時,線圈和引線的雜散電容時而充電至很高電壓,時而向直流控制母線放電,形成一系列的電壓浪涌,傳至整個控制網絡。這種情況將一直延續到開關的2個接點已離開較遠,擊穿電壓增大而暫態振蕩電壓已衰減到不足以使電弧重燃為止。采取以下方法,可以防御直流系統中的暫態干擾。

(1)可以給產生干擾的線圈(繼電器線圈等)并聯1個非線性電阻,見圖3(a),可以防止開關K接點上的電弧重燃,防止暫態的發生,非線性電阻應能安全地消耗掉電感線圈中存儲的能量。

(2)給線圈并聯一個電阻加反向二極管的串聯回路,見圖3(b),以構成在開關K斷開時線圈電流的續流回路。采用這種方法時,繼電器返回時間可能會延長。

(3)在被干擾的半導體元器件上(二極管、三極管、整流器)并聯0.01～0.05μf的電容,見圖3(c),其作用是旁路高頻暫態電流。

圖3 防御直流系統干擾的幾種方法示意圖

2.4.雷擊的干擾

雷擊是發電廠、變電所的重要干擾源之一,它對二次設備的干擾,有以下2個方面:

(1)雷電流產生的耦合干擾,見圖4。無論是直擊在變電所的雷擊或是直擊在線路上的雷擊,它們最終都將傳播至避雷器入地。雷電波相當于幅值可能超過100kA的沖擊性電流源。它的上升時間為1～50μs,衰減到半幅的時間為50μs到數百μs。當雷電波通過避雷器入地時,將在導線與地之間產生干擾電壓E=RK I+LK dI/dt。式中:RK為耦合電阻;LK為通過雷電流的回路與包括二次回路導線及地回路之間的電感。》

一般情況下,LK d/dt》RK I,如果考慮雷電流的升幅和上升速度一般可達到1μs上升至10kA的,對于2條相距10m,并行長度20m由地返回的2回路間,互感約為2μH,可產生20kV干擾電壓。對屏蔽電纜,最嚴重的雷擊下,可產生大于1kV的干擾電壓。

(2)雷電流產生的地電位升高。當變電所接地部件直接受雷擊,或雷電流經避雷器入地時,由于下列因素,高頻的雷電流在變電所地網中會引起暫態的地電位升高。

1 )地網的高阻抗;

2 )從設備到地網的接地線的高阻抗,這一阻抗值可推算如下:設L0=1μH/m,1m長的接地線對10MHz的雷電流,其阻抗為2πf·L0=2π×10×106×10-6=62.8Ω;

3 )短的電流上升時間和0.3m/ns電磁波的傳播速度。由于地電位升高,將產生地電位差,因而在電纜屏蔽層中產生電流,從而影響被屏蔽的回路。另外,因為暫態地電位升高,也會使接地部件電位差過大而發生閃絡。

圖4 雷電流產生的耦合干擾示意圖

從來源上降低地電位升高是解決因地電位升高引起干擾的基本措施。在設計中,為變電所絕緣配合所采取的一些措施,有利于降低暫態地電位升高的頻度及其幅值。

3.減小干擾影響的措施

3.1.遠離干擾源

干擾源和被干擾回路之間的電容和電感,是兩者之間距離的對數函數,增大它們之間的距離可以減小電容和互感,因而可以減小靜電感應和電磁感應引起的干擾;

3.2.電路上的隔離

1 )在繼電保護信號輸入回路以及直流電源輸入回路接入濾波器,防止高頻干擾輸入;

2 )在交流電流電壓回路中,輔助變流器和電抗互感器的原副邊間設良好的屏蔽層;

3 )直流電源采用直流-交流-直流逆變換器;

4 )在測量回路和邏輯回路之間,或在邏輯回路中采用光/電轉換,即將電信號通過發光二極管變成光信號,然后再用光電管變成電信號,以使電路隔離,減小干擾。

3.3.減小干擾源的干擾強度

1 )給隔離開關和斷路器的斷口上并聯高電阻。當斷開時,將電阻接入可以減小所引起的暫態電壓浪涌。這是減小干擾的經濟而有效的方法;

2 )給直流繼電器線圈和其他電感線圈并聯穩壓管或非線性電阻,以減低線圈被切斷時所引起的暫態電壓浪涌;

3 )為了防止電流互感器在過大的交流電流作用下飽和而在每半個周期中產生尖峰的高電壓,可在其二次繞組上并聯碳化硅非線性電阻。

4 )在繼電保護輸入回路并聯小電容 (如0.5μf),以減小高頻干擾。

5 )采用屏蔽電纜且屏蔽層在兩端同時接地。這是一種自20世紀70年代以來,國際上通用的、有效的二次回路抗干擾措施。它的主要作用在于:

(1)減小靜電感應電壓的產生;(2)由于屏蔽層兩端接地,干擾源在屏蔽層上的感應電壓將形成感應電流,此電流的磁通將抵償干擾源對電纜芯線的干擾磁通,從而減小干擾。

6 )使同一信號回路的各導線對干擾源和"地"位置對稱,使其具有大體相同的電容和互感,這時,干擾源對它們有相似的干擾,從而減小差模干擾。例如,將同一信號回路的2根導線置于同一根電纜中,或采用對絞線等。

7 )在可能的條件下,電纜的布置避免平行。例如,盡量使保護、控制回路電纜走向與干擾源回路垂直,以減小它們之間的耦合電容和互感。

8 )將電纜分組敷設,例如使二次電纜遠離動力電纜;將二次電纜按照強弱電分組敷設,使弱電信號電纜遠離強電信號電纜等。

9 )在輸電線路上架設架空地線,在變電所敷設防雷網、避雷針,并使之多點接入接地網,以限制雷擊時地電位升高。

結論

在電力系統中為了使繼電保護和自動裝置能在發電廠、變電所的強電磁環境中安全可靠運行,需要滿足以下2個方面的條件:

(1)繼電保護和自動裝置應該具有一定的耐受電磁干擾的能力,同時,這些裝置本身也不應對周圍的電力設備產生不允許的干擾,即應該有電磁兼容性;

(2)確保引入裝置的電磁干擾必須低于裝置本身的耐受水平。

綜上所述,滿足了這些要求,發電廠、變電所中的"干擾"問題是完全可以解決的。

[1][德]peterHa.sse.低壓系統防雷保護[M].北京:中國電力出版社,2005.

[2]賀家李.電力系統繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3]江日洪.發、變電站防雷保護及應用實例[M].北京:中國電力出版社,2005.