淺析開關操作暫態電壓對變電站二次電纜的電磁干擾

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，當前已經進入了一個全新的科學紀元，電力能源已經成為人們生活中重要的組成部分，如何給用戶輸送安全有效的可靠電能已成為所有電力企業都需要解決的主要問題。開關操作的時候暫態電壓對變電站二次電纜所產生的電磁干擾是電力輸送的一個障礙。對該現象產生的干擾電壓和特征進行分析，并提出相關降低二次干擾的有效措施。

關鍵詞：開關操作；暫態電壓；變電站；電磁干擾

作者簡介：余石明（1982-），男，廣東翁源人，廣東電網公司肇慶供電局管理所，工程師。（廣東 四會 526200）

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0234-02

電網自動化水平隨著我國科學技術的提高，取得了令人滿意的進步。關于變電站的相關設備，諸如系統控制、數據收集還有系統通信等得到了越來越細密的劃分和歸類，但是這些設備本身都存在著弱電。信息設備的發展和推廣讓變電站脫離以往人工監督的方式，進入了無人值守的自動化進程。變電站要采用怎樣的方法才能夠保證監控設備工作不會出現故障，對百姓生活不會造成影響，是當前變電站運行是否有所保障的重要前提。

對于變電站中弱電設備產生影響的因素當中，暫態電磁干擾是其中一個重要的因素。因為開關操作會產生暫態電磁，這些電磁對變電站監控設備有一定程度干擾作用，由此導致監控設備難以工作而陷入癱瘓的現象時有發生。較為典型的例子是20世紀90年代廣西來賓500kV變電站，因為進行遠方操作將220kV空母線開關切合隔離的時候，在隔離開關拉弧的過程中其操作機構電動機電源熔絲燒斷，導致操作機構失去了電源，這些事故的多次發生對該地區經濟產生嚴重的影響。每一次變電所進行開關操作的時候都有大量的電磁暫態出現，而這些電磁暫態本身的次數、波形變化還有幅值都和變電所的電壓、類型有密切關系，隔離開關切換操作所產生的暫態無論在次數還是幅值方面都要比斷路器大很多，而這樣操作過程中沒有恰當的保護措施，這也就會造成對二次電纜的電磁干擾。本文著重討論變電站開關操作時對接入弱電設備的二次電纜所造成的暫態電磁干擾及其產生的原因、特點、保護措施等。

一、二次電纜電磁干擾原理

高壓母線上面存在的暫態過程可以通過電磁場，讓二次電纜發生輻射干擾現象，除此之外還有靜電以及電磁感應耦合等方法讓二次電纜發生干擾現象，這些都會對設備的運行產生干擾。而屏蔽層兩端接地存在的二次電纜，因為屏蔽層自身所具備的抗干擾效果，減少了上面兩種產生干擾方式所能產生的影響。而高壓母線所產生的干擾經過電流互感器或者電容耦合式電壓互感器本身二次側或者法拉第屏蔽層之間給電容提供寄生的場所，通過容性耦合得到二次側方向，高壓母線上面的電流以及暫態電壓，以耦合的方式直接屏蔽，或者在電流互感器或者電容耦合式電壓互感器當中二次電纜內部導線寄生。

當前最為常見的也是本文所主要研究的是，開關操作的時候暫態電壓通過CCVT耦合方式在二次電纜當中所產生的電磁干擾。

變電站當中使用的電壓互感器能夠將一次側交流高電壓進行轉化，變成可以受到測量、控制以及保護等可提供給繼電保護裝置或者儀表使用的二次側低電壓。電壓互感器的一次繞組和需要受到測量、保護或者控制的，諸如母線或者變壓器等設備并聯，二次繞組則和需要受到控制、測量或者保護的相關裝置的電壓線圈連接到一起，這樣能夠讓一次側還有二次側的高壓和低壓電路相互被隔離。電容式電壓互感器的主要組成部分為：電容分壓器、電磁式電感互感器等電磁單元；電容分壓器則是由許多電容器串聯組成，在高壓導線和地之間接起。在電容分壓器恰當的位置中將中壓端子還有電磁單元之間的連接引出來。

高壓開關在操作的時候，高壓母線上會出現高頻暫態電壓，這種電壓有可能以CCVT作為渠道，對二次電纜本身的末端造成電磁干擾。

在圖1中，所表示的是暫態電壓通過CCVT耦合方式干擾出現時候所經過的路徑和原理。當暫態電壓UB發生作用時可以通過CCVT的部分設備，諸如接地網、接地引線電感或者分壓電容等作用使得干擾電位出現。這個電位對于CCVT的二次側來說是發揮干擾源的作用，這個干擾源通過接地引線電感、地阻抗還有二次繞組和CCVT本身屏蔽層之間存在的寄生電容將會在二次電纜里面一次端滋生的干擾電壓。二次電纜要接到控制室，作為對繼電進行控制或者保護的輸入信號，本身的長度范圍在幾十至千米之間。干擾電壓波通過這個二次電纜將其傳播到二次電纜末端處，在監控系統則會出現干擾電流和電壓。實驗表明，二次電纜越長，所受的干擾越大。

二、開關操作產生暫態電磁干擾的特點

每一次變電站開關操作均產生大量電磁暫態，其次數、幅值及波形變化取決于變電站類型、電壓、所操作的開關類型及其切換速度等。

隔離開關切換所產生的暫態幅值及次數要比斷路器大得多，導致這種現象出現的主要原因是斷路器本身的切換速度相對于隔離開關要快很多。另一方面，斷路器自身帶有效果良好的滅弧措施和振蕩限制措施。一個隔離開關的慢動作，其能夠產生的暫態次數最高可以達到上萬，而操作快的也可以產生最少幾十次的暫態次數。切換速度和電磁暫態總次數之間呈現反比關系，其速度越快則產生的電磁暫態總次數則越少。操作所產生的暫態，其相對幅值的變化很大，通常情況下是分閘到最后與剛開始合閘的時候其幅值最大。

暫態切換時主頻率會出現較大變化，一般會在幾百千赫茲至上百兆赫茲之間。與變電站的電壓表現出反關聯的關系，這是由于變電站自身的電壓等級高，需要占據的面積也會相應擴大，電波傳導所需時間也會延長。對于相同電壓等級的變電站，斷路器的切換暫態頻率相對于隔離開關要高許多。

三、開關操作暫態電磁干擾防護措施

要讓二次干擾的影響和危害最大程度地降低，主要從以下兩個方面著手：避免出現干擾，讓干擾源能夠產生的干擾幅值最大程度下降減少；提高電力設備本身抗干擾的能力。具體操作主要分為以下幾個方面：

當高壓母線上面存在有高頻電流通過的時候，會在二次回路感應出干擾電壓的存在，所以二次回路的電纜和母線之間的距離要盡量拉遠，同時也將其平行的長度縮短，這樣能夠減少電磁耦合的狀況。弱電回路和高頻暫態電流的入流點之間也要盡可能保持距離，在變電站內較為常見的就是二次電纜回路和避雷器與避雷針這些設備的接地點保持一定距離，以降低高頻電流通過該類設備時產生的電磁干擾。

二次電纜的布線需要科學合理。在變電站籠罩的范圍之內存在著強度很高的電磁場，而這個電磁場本身的分布也極為復雜，所以要在二次電纜的走向位置，以樹枝式或者輻射式為依據進行相關敷設，盡可能不出現環狀回路的設計，這是為了避免和電磁場出現交鏈的情況。在應用的過程中，需要將每一個回路的往返導線有意識的安排，一般是安排在同根多芯的電纜里面，這樣做能夠讓干擾電壓本身的強度降低。

弱電回路和強電回路兩者的芯線在布置的時候切忌一起放置在同一根電纜里面敷設，這不僅是為了考慮設備絕緣和人身設備的安全因素外。更重要的是為了避免強電回路自身產生的暫態干擾信號，通過芯線間存在的電容耦合再次傳遞到弱電回路當中。一旦出現這種現象，就算將電纜屏蔽層雙端接地也不能夠將干擾完全消除。弱電和強電兩者的電纜在敷設的時候不能靠近或者平行，更加不可以將設備里面的兩者扎在一起。如因施工現場限制必須在短距離內平行敷設的，二次電纜與高壓電纜之間必須保持不少于3厘米的距離，以將干擾影響降至最低。

采用先進的兩層或者三層屏蔽技術，改善電纜的屏蔽狀況。質量好的屏蔽可以讓傳遞阻抗有效減少，進而傳遞阻抗耦合也會因此而有所減少。使用多層屏蔽電纜能夠收到預期的效果，二次電纜屏蔽層使用的是鋁、銅等不同的材料，能夠讓高頻干擾侵入程度降到最低，使屏蔽層里面渦流所導致的屏蔽效果及折反射引發的屏蔽效果得到進一步加強。對于屏蔽層的設計，主要方法除了采用常見的屏蔽層兩端接地外，還采用盡量少用與導線平行的引線或者盡可能將引線縮短，用屏蔽層的同軸端取代的方法，將引線耦合效應減少。

在變電站的實際應用當中，除了加強二次電纜屏蔽效果外，還可以采用抗電壓沖擊的保護設備，以達到抑制設備入口位置干擾的效果。對于像TA或者是CCVT二次側這種和高壓導線間存在有傳導耦合關系的設備，更應該充分考慮使用該類設備。有相關實驗對此進行研究表明，在500kV隔離開關投切空載母線進行試驗的時候，對母線電壓互感器進行測驗，結果顯示母線電壓互感器到母線保護柜之間的電纜備用芯上面存在電壓回路峰值電壓最高可以達到6.8kV，電壓這么高的情況下如果沒有采取適當的保護措施很可能會導致弱電設備受到損壞。因此除了在二次設備的保護屏、匯控柜安裝二次避雷器外，在二次設備的入口相連位置，傳統的中間互感器更換為隔離變壓器或者是在二次電源回路中接入限壓繼電器以預防高電壓串入二次回路，這是降低電磁干擾的有效措施。

四、小結

隨著電力系統自動化水平的不斷提高，越來越多的弱電設備被應用于高壓變電站，討論暫態電磁干擾對弱電設備正常工作的影響顯得尤為重要。開關操作是變電站暫態電磁干擾的一個重要來源。本文對其產生的原因及特點進行分析和討論，并提出了幾種行之有效的防護措施。隨著科學技術的不斷發展和專業技術人員的不斷深入探究，相應的防護措施將會越來越完善，變電站設備的供電可靠性也會越來越高，為經濟發展和人們優質穩定的供電需求保駕護航。

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（責任編輯：王祝萍）