關于變電站干擾的形成和傳播途徑的分析

摘要：隨著變電站自動化的不斷普及，繼電保護裝置逐步實現微機化和集成化，對周圍電磁環境要求也越來越高。變電站內一次設備眾多，高電壓等級的一次設備在正常運行和故障時均會對變電站二次系統產生干擾。

本文結合以往研究資料首先對變電站內常見的干擾源和傳播途徑進行分析和歸類。然后在理論基礎上結合工程施工實際情況提出變電站二次系統等電位接地網敷設原則，從變電站二次系統、戶外端子箱、室內保護屏柜、二次電纜及相關設備和交流二次回路五個方面提出相應等電位接地網敷設中應遵循的原則和施工方法。最后對某500kV變電站保護誤動案例進行分析，驗證本原則的有效性。

關鍵詞：變電站 二次系統 抗干擾 接地

隨著現代電網朝著高電壓、遠距離輸電和智能化目標發展，對電網的安全性、穩定性和經濟性也不斷提出更高的要求，而作為電力系統遠距離輸電的關鍵環節，變電站運行的安全與穩定至關重要。在實際工作中，為保證各電壓等級變電站的安全運行，我們應用了大量的繼電保護設備和測量設備，但隨著電壓等級的不斷提升和整個電力系統自動化程度的提高，數據測量采集設備、通訊設備以及繼電保護設備等弱電設備不斷增加，變電站的電磁環境日趨復雜，一次系統正常工作或發生故障時不可避免地會對二次系統產生電磁干擾，對二次系統正常工作帶來諸多隱患，如繼電保護設備發生誤動或拒動甚至損壞保護裝置、數據測量采集設備采集數據失真、監控通信系統發生死機等，對變電站二次系統各設備的正常運行工作帶來越來越多的影響，為了減少變電站二次系統的干擾，提高繼電保護裝置等二次設備的抗干擾能力，對變電站干擾信號、干擾源和干擾的傳播途徑進行分析和總結是十分必要的。

1 變電站干擾信號的分類

形成電磁干擾必須同時具備三個要素：干擾源、敏感設備、耦合途徑。變電站里不同種類的干擾對變電站二次系統設備會造成不同的影響，為了更好地研究不同干擾對變電站二次系統的影響，首先對變電站干擾信號進行分類。

按照干擾源所在地不同可以將干擾分為內部干擾和外部干擾。

按照干擾信號頻率不同可以將干擾分為低頻干擾和高頻干擾，低頻干擾以工頻電流和電壓，以及低次諧波為主，也包括頻率低于1MHz的振蕩。高頻干擾以頻率高于1MHz 的高頻振蕩和無線電信號為主，也包含快速瞬變干擾，這種干擾頻譜含量也較為豐富。

按照干擾作用方式的不同可以將干擾分為差模干擾和共模干擾，差模干擾主要存在于信號回路中，與正常的信號疊加在一起。而共模干擾一般是由地電位升高引起的，主要存在于導線與大地之間。

2 變電站干擾源分析

除去外界因素不算，變電站中各種電氣設備本身就是強大的干擾源，在正常運行時工頻電流和電壓，故障時短路電流等都會產生各種性質不同的電磁干擾。變電站電磁干擾源大致可以分為如下幾類：

2.1 電磁耦合干擾：變電站一次設備之間一般是通過電路相連進行工作的，而變電站二次設備與一次設備之間幾乎全部都是通過電磁耦合進行連接的，存在電場效應和磁場效應。變電站一次設備所帶高壓電場會通過電容耦合影響二次設備，一次設備中的大電流通過電感耦合影響二次設備。

2.2 射頻干擾：在變電站中、變壓器、高壓導線等帶高電壓的一次設備在運行工作時會產生工頻和高頻的電磁波輻射。

2.3 雷電干擾：雷電是來自變電站外高空大氣層中強烈的電磁干擾源。雷電流可以在50-100微秒內從0安升高到幾十萬安，再從幾十萬安降低到0安。在這一過程中在雷電流周圍產生瞬時變化的雷電感生磁場，并產生從幾赫茲的低頻到幾千兆赫茲的高頻電磁波輻射。受雷電流電磁波輻射的影響，信號線通信受到干擾；當雷電流通過避雷針、避雷器等防雷裝置引入大地后，變電站主接地網上電位分布變得不均勻，引起地電位不同程度的升高，對直接與主接地網相連的二次系統電纜產生干擾。

2.4 操作干擾：在變電站一次系統中，斷路器和隔離開關的正常操作會引起高壓電路的狀態改變，尤其是沒有滅弧裝置的隔離開關。當隔離開關動作時，在刀口出會產生大量的電弧，因為沒有滅弧裝置，電弧可能要經過多次重燃才能徹底熄滅，在這一過程中會引起電磁能量震蕩。伴隨著電磁能量震蕩產生的感生磁場和輻射電磁波會對變電站二次系統造成影響。

2.5 短路干擾：變電站一次系統發生短路時會產生較大的短路電流，短路電流在隨后幾個周期內衰減至穩態值，在這一過程中變化的電流產生較大的感生磁場對變電站二次系統造成干擾。除此之外，若發生接地短路，短路電流會沿著導線流入大地造成地電位升高，在主接地網形成電位差。

2.6 局部放電干擾：根據電暈效應，在絕緣子金具尖端和高壓輸電線路等曲率半徑很小的局部尖端電極附近，局部電場強度超過氣體的電離場強就會發生電暈放電現象。除此之外，設備局部接觸不良產生的火花放電以及高壓電氣設備絕緣表面附著過多污穢物在潮濕條件下發生污閃，都會對會對變電站二次系統造成電磁波輻射干擾。

2.7 對講機和通信設備干擾：隨著科學技術的不斷進步，變電站中通信設備、無線電設備應用愈發廣泛，各變電站運行和檢修人員在巡視和維修時均配備對講機這些無線電和通信設備都會對變電站二次系統產生一定的輻射干擾。

2.8 設備內部電子干擾：現代變電站綜合自動化系統集成度很高，全部應用較為先進的電子設備，在這些設備內部電子電路會產生各種各樣的雜音干擾。干擾量雖然不大，但現在的微機繼電保護裝置對于電磁環境穩定要求更高，這些雜音干擾會給先進的綜合自動化系統帶來一定影響。

綜上所述，變電站對二次系統產生干擾的干擾源種類繁多，干擾的作用方式也不盡相同。不同的干擾源所產生的干擾不僅強度差別很大，而且頻譜范圍極廣，這對現代變電站二次系統抗干擾造成較大困難。

3 電磁干擾的耦合與傳播方式

在變電站中，電磁干擾主要有兩種傳播方式：傳導和輻射。根據傳播機理的不同可以將電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是沿著導線傳播的電磁干擾，主要可以分為4種，分別是：電容耦合（電場耦合）、電感耦合（磁場耦合）、電磁場耦合和公共阻抗耦合。而輻射干擾是以電磁波的形式通過空間傳播的，例如上一節提到的電暈放電產生的局部放電干擾。

電與磁總是相生相伴的，在實際的工程現場，不存在純粹的電場或者磁場，所以嚴格的說，電磁場耦合包括電容耦合和電感耦合。但為了研究的方便，當測量點到干擾源的距離小于0.167倍干擾波最大波長時，我們可以簡單等效認為，高電壓對應電容耦合，大電流對應電感耦合。當測量點到干擾源的距離大于0.167倍干擾波最大波長時，干擾源產生的干擾看作輻射干擾。

3.1 電容耦合 電容耦合是指某一導體上的電壓通過導體之間的分布電容影響另一導體的電位。在實際工程中，分布電容存在于任何電氣元件之間，所以帶電的干擾源與被干擾的設備之間存在電容耦合。以兩根平行的導線為例，研究導體之間的電容耦合，如圖3-1（a）和（b）所示。

假設導線2上因為電容耦合作用產生的干擾電壓為VN，由圖3-1（b）電路等效圖和基爾霍夫定律定律可以得到：

式中：

C12——平行導線間的分布電容

C2G——導線2與大地之間的分布電容

R——導線2與大地之間的電阻

V1——等效干擾源信號電壓

如果導線2與大地之間電阻R很大，則式（3-1）可以化簡為：

從式（3-2）可以看出，當R很大時，平行的導線之間干擾源信號電壓與被干擾導體上的干擾電壓之間滿足一定的數學關系，改變兩條導線之間的分布電容C12就可以改變干擾電壓VN。所以當兩條導線之間沒有屏蔽層（即R很大）時，減小兩條導線之間的分布電容C12就可以減小干擾電壓VN，加大導線間的距離和改變導線間的相對位置使兩條導線不平行都可以達到減小C12的目的。

如果導線2與大地之間電阻R很小，則式（3-1）可以化簡為：

由式（3-3）可以看出，當被干擾導線加裝金屬屏蔽層（即R很小）之后，除了減小兩條導線之間分布電容C12可以減小被干擾導線上的干擾電壓以外，加裝金屬屏蔽層并且將金屬屏蔽層有效接地，也可有效減小干擾導線上的干擾電壓VN，甚至可以將VN減小到零，即導線上沒有干擾。

3.2 電感耦合 奧斯特實驗證明任何通電導體周圍存在磁場，而根據法拉第電磁感應定律可知，在導體周圍空間內磁通量發生變化會在閉合導體上產生感應電流、電動勢。

當閉合回路通電時，在閉合回路周圍產生正比于電流強度的磁通量：

其中L的數據取決于閉合回路的幾何形狀與尺寸和回路磁介質特性

由于兩個閉合回路之間存在互感現象，一個通電閉合回路會在另一個閉合回路周圍產生感應磁通Φ2，根據法拉第電磁感應定律，當磁通變化時，一個閉合回路里產生的感應電壓為：

式中：

B——閉合導體周圍磁通密度

S——閉合回路面積

若閉合導體周圍磁通密度在閉合導體整個面積上分布均勻且數值按照正弦規律隨著時間變化而變化，式（3-5）可以化簡為：

由式（3-6）可以看出，兩個封閉導體之間的由于電感耦合而產生的干擾電壓強度與磁通密度B、閉合導體面積S和兩個導體之間的相對位置cosθ有關。為了降低干擾電壓，在工程應用中可以通過加大兩個電路之間的距離等方法減小磁通密度B，通過將被干擾電路線路扭絞起來減少閉合導體面積S，通過調整兩個導體之間的相對幾何位置減小cosθ。

3.3 電磁場耦合 上文已經分析過，電磁場耦合包含電感耦合和電容耦合，通過對比式（3-1）和式（3-6）可知，電容耦合與電感耦合在被干擾導體上產生的干擾電壓都與干擾信號頻率成正比。當干擾源信號頻率很低時，電容耦合和電感耦合可以忽略不計。兩種干擾耦合數值關系的區別在于電容耦合在被干擾導體上產生的干擾電壓與干擾源電壓成正比，而電感容耦合在被干擾導體上產生的干擾電壓與干擾源電流成正比。

3.4 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合通常指干擾源電路和被干擾電路通過公共阻抗在電路上存在直接連接，導致干擾信號直接侵入被干擾電路造成干擾，也可以成為直接電路間耦合。比如變電站發生雷擊事故或者發生短路故障，雷電流和短路電流被引入變電站主接地網，由于主接地網電阻不為零，雷電流和短路電流使得地電位升高且在主接地網不同地點之間存在電位差。與主接地網相連的變電站二次設備因為雷電流和短路電流地通過接地網侵入和接地網電位差導致二次設備正常工作受到影響。

3.5 電磁波輻射 電磁波輻射干擾是指變電站一次設備等強電系統產生高頻電磁波輻射。根據被干擾設備與干擾源距離不同可以分為近場和遠場兩種，以干擾信號波長的六分之一為劃分標準：干擾源附近的為近場，距離為干擾信號波長的六分之一左右的區域為過渡區，距離再遠的為遠場。對于近場區域而言，電磁波輻射強度與距干擾源距離的平方成正比，對于遠場區域，輻射強度與強度與距干擾源距離的一次方成正比[25]。

輻射干擾的途徑很多，其中比較常見的有：通過設備天線輻射、通過設備即可縫隙輻射和通過設備之間連接電纜輻射等等。在變電站和電力系統中，輻射干擾沒有傳導干擾普遍，輻射干擾能量也較小，只能影響敏感度高的二次設備，但輻射干擾不能忽略，往往會加強傳導干擾的影響。

總結來說，電磁干擾的傳播途徑大概有5種，分別是：電容耦合、電感耦合、電磁場耦合、公共阻抗耦合和直接輻射。在實際生產中，干擾源對變電站二次系統干擾的傳播方式是復雜的，通常某一干擾源會以幾種不同的干擾傳播方式對變電站二次系統產生干擾。

4 結論

本文主要總結和分析了變電站中常見的干擾源及干擾的傳播途徑，變電站中常見的干擾源有電磁耦合干擾、射頻干擾、雷電干擾、操作干擾、短路干擾、局部放電干擾、對講機和通信設備干擾、設備內部電子干擾，這些干擾源產生的干擾的傳播途徑不盡相同，通常某一干擾源會具有幾種不同的干擾傳播方式。通過對不同的干擾傳播方式的分析，為進一步研究變電站二次系統抗干擾問題提供了依據。

參考文獻：

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[5]GB50171-92.《電氣安裝工程盤柜及二次回路結線施工及驗收規范條文說明》[M].