變電站電磁干擾影響因素及抗干擾措施分析

王 輝，范 震，郭旭光

（河北省送變電公司，石家莊 050051）

變電站電磁干擾影響因素及抗干擾措施分析

王 輝，范 震，郭旭光

（河北省送變電公司，石家莊 050051）

介紹電磁干擾的組成要素和來(lái)源，從直接耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合、輻射耦合四方面分析電磁干擾的影響因素，提出電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽、電磁場(chǎng)屏蔽等抗干擾措施，并對(duì)各種措施的適應(yīng)性、有效性進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為其可以有效保障繼電保護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性。

變電站；繼電保護(hù)；抗干擾

由于電力系統(tǒng)設(shè)備都處在比較空曠的地方，電力系統(tǒng)經(jīng)常遇到雷電侵?jǐn)_，不時(shí)發(fā)生短路等故障。為滿足系統(tǒng)運(yùn)行方式及設(shè)備檢修的需要，經(jīng)常對(duì)一次高壓設(shè)備（斷路器、隔離開關(guān)等）進(jìn)行各種操作，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)干擾電壓，通過靜電耦合、電磁耦合或直接傳導(dǎo)等途徑進(jìn)入繼電保護(hù)裝置，其峰值高達(dá)幾百伏至幾千伏，甚至幾十千伏，頻率則在幾百千赫茲至幾千千赫茲，甚至高達(dá)幾兆赫茲。當(dāng)干擾水平超過裝置邏輯元件和邏輯回路的干擾水平時(shí)，將引起裝置邏輯回路的不正常工作，從而使整個(gè)裝置的工作不正確。因此，變電所的電磁干擾和繼電保護(hù)與自動(dòng)化裝置的抗干擾就成為一個(gè)很重要的問題［1－2］。

1 電磁干擾

電磁干擾發(fā)生作用需要3個(gè)“要素”的存在。一個(gè)簡(jiǎn)單的電磁干擾模型，由三部分組成：電磁干擾源、耦合路徑和接收器，如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)單的電磁干擾模型

產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)的干擾源可以分為如下3種：

a.自然干擾源，指自然界中存在的干擾源，主要是指雷電，如一次系統(tǒng)遭雷擊對(duì)二次設(shè)備引起干擾。根據(jù)雷擊點(diǎn)的不同，雷電流將通過不同路徑傳入變電站。這種干擾源與人類的活動(dòng)無(wú)關(guān)，但可以通過各種方法控制其對(duì)電力系統(tǒng)的干擾作用。

b.電力系統(tǒng)內(nèi)的干擾源，指系統(tǒng)本身存在的干擾源。高壓變電站是具有高強(qiáng)度電磁場(chǎng)環(huán)境的特殊地域。裝在高壓變電站內(nèi)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置不斷受到正常運(yùn)行情況下和某些偶然情況下產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾。研究結(jié)果表明在設(shè)計(jì)條件相同的情況下，弱點(diǎn)情況的暫態(tài)干擾電壓與運(yùn)行電壓成三次方關(guān)系。電力系統(tǒng)內(nèi)的干擾源也應(yīng)包括來(lái)自二次回路本身的干擾，如斷開二次回路中的電磁線圈產(chǎn)生的干擾。

c.電力系統(tǒng)外部干擾源，是與電力系統(tǒng)無(wú)關(guān)而與人類活動(dòng)有關(guān)的干擾源，如無(wú)線電干擾，工作人員在近處使用步話機(jī)以及人身觸及電子設(shè)備外殼產(chǎn)生的火花放電等干擾。

2 電磁干擾影響因素分析

在高壓變電站，有多種渠道將電磁干擾源和受干擾的二次回路或二次設(shè)備連接起來(lái)。這些耦合渠道包括了直接耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合和輻射耦合。雖然從理論上可以把不同方式的耦合機(jī)理明確地予以區(qū)分，但實(shí)際上，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 直接耦合

接地線引起的直接耦合式多電流回路經(jīng)公用地線的點(diǎn)耦合。圖2是兩回路經(jīng)共用地線耦合示意圖。共用接地線是電磁干擾發(fā)生的最經(jīng)常的原因。當(dāng)大電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，在變電站的接地網(wǎng)中會(huì)流過故障電流，此電流流經(jīng)接地體的阻抗時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電壓降，使變電站內(nèi)各點(diǎn)的地電位有較大差別。在同一回路中有不同的接地點(diǎn)，當(dāng)其分布在變電站的不同區(qū)域時(shí)，各接地點(diǎn)間地電位差就會(huì)在連接的電纜芯中產(chǎn)生電流。此外，地電位差也能在兩端接地的電纜芯和多點(diǎn)接地的電纜屏蔽層中產(chǎn)生電流，使電纜芯線中產(chǎn)生干擾電壓。

圖2 兩回路經(jīng)地線耦合

2.2 電場(chǎng)耦合

電場(chǎng)耦合方式：通過干擾源與二次回路之間的耦合電容，將干擾信號(hào)加到二次回路。其耦合回路如圖3所示。兩根具有不同電位的導(dǎo)線之間存在電場(chǎng)，在電場(chǎng)中的其他導(dǎo)線（或設(shè)備）與帶電體間有雜散電容存在，因此均會(huì)有一定電位。

圖3 電場(chǎng)耦合方式

2.3 磁場(chǎng)耦合

兩電流回路間的磁場(chǎng)耦合如圖4所示，磁場(chǎng)干擾耦合由2個(gè)或多個(gè)電流回路互聯(lián)磁通為媒介而產(chǎn)生。當(dāng)回路交流電流產(chǎn)生的磁通交鏈電流回路時(shí)，在回路就感應(yīng)出干擾電壓。此感應(yīng)電壓作用在等值電路中，常用互感電動(dòng)勢(shì)或源電壓的概念來(lái)描述。為干擾源電流，為干擾源與二次回路之間的互感值，則二次回路產(chǎn)生的干擾電壓為。

圖4 磁場(chǎng)耦合方式

2.4 輻射耦合

輸電耦合式以電磁波傳播形式進(jìn)行能量傳播的，射線耦合電壓和電流的情況具有特殊性。雖然是按波阻抗端接研究，但在導(dǎo)線上還是因共模量的多次反射形成嚴(yán)重的行波震蕩。使用屏蔽電纜可減少干擾影響，但投射到地表面的直達(dá)波和反射波的疊加場(chǎng)還會(huì)使屏蔽上流過電流，借助耦合阻抗的概念，不難理解對(duì)電纜芯線還是有影響的。

3 抗干擾措施及其對(duì)比

對(duì)變電站二次設(shè)備而言，特別是微機(jī)型的繼電保護(hù)裝置，對(duì)干擾信號(hào)比以前的保護(hù)裝置更加靈敏，因此，需要更加完善的抗干擾措施。基本上屏蔽的措施可以區(qū)分為，電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽［3］。

3.1 電場(chǎng)屏蔽

屏蔽的作用是通過一個(gè)導(dǎo)電外殼，將外殼內(nèi)區(qū)域封閉起來(lái)實(shí)現(xiàn)的。屏蔽外殼可以使金屬隔板式、盒式，也可以使電纜屏蔽和連接器屏蔽。屏蔽的外殼一般都是無(wú)縫無(wú)孔的、有縫有孔的、金屬編織帶等3種，后者主要用作電纜的屏蔽。機(jī)殼接地也可以使得由于靜電感應(yīng)而激烈在機(jī)殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。

3.2 磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)分為低頻磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)，針對(duì)不同磁場(chǎng)應(yīng)采取不同屏蔽措施。針對(duì)低頻磁場(chǎng)，可用高導(dǎo)磁材料做屏蔽體來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽，屏蔽的元器件在平行于磁場(chǎng)的方向不得出現(xiàn)縫隙，以避免漏磁。對(duì)高頻磁場(chǎng)，由于同時(shí)存在電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，因此要求電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽同時(shí)進(jìn)行。高頻磁屏蔽是利用屏蔽體產(chǎn)生的渦流反磁場(chǎng)，抵消干擾磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)磁屏蔽，因此它要求采用高導(dǎo)電率的材料，如銅、鋁等。

3.3 電磁場(chǎng)屏蔽

對(duì)電磁輻射的抑制主要采用屏蔽的方式，基本原理和高頻磁屏蔽一致，是利用電磁波在屏蔽界面上的反射損耗和屏蔽層內(nèi)部的吸收損耗（渦流）來(lái)衰減電磁場(chǎng)能量。不同材料，不同的材料厚度，對(duì)于電磁波的吸收效果不一樣的。電磁波的反射問題比較復(fù)雜，他不但與屏蔽材料的表面阻抗有關(guān)，也與波阻抗的大小及輻射源的類型有關(guān)。電磁屏蔽體對(duì)電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收這兩種機(jī)理。

3.4 3種屏蔽的對(duì)比

3種屏蔽的共性是防止外界的電磁場(chǎng)進(jìn)入到要保護(hù)的區(qū)域中去。都是利用屏蔽殼上有外場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)，來(lái)消抵外場(chǎng)的感應(yīng)產(chǎn)生的影響。但是由于所要屏蔽的場(chǎng)的特性不同，因而對(duì)屏蔽殼的要求及其效果也不相同。

靜電場(chǎng)的屏蔽是根據(jù)電感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。封閉導(dǎo)體的屏蔽作用是完全的，對(duì)屏蔽殼的厚度和電導(dǎo)率并無(wú)要求。也就說厚一點(diǎn)和薄一點(diǎn)的屏蔽殼，效果并無(wú)差別，導(dǎo)電率低得和導(dǎo)電率高的金屬，效果是一樣的。

用磁路定理來(lái)屏蔽磁場(chǎng)時(shí)，封閉外殼的內(nèi)部，磁場(chǎng)減弱更是明顯。但是從理論上講，殼的內(nèi)部的磁場(chǎng)并不能等于零。因此，用磁路定理靜磁場(chǎng)屏蔽是不完全的。殼的厚度和磁導(dǎo)率對(duì)屏蔽效果有很明顯的影響，殼越厚，導(dǎo)磁率越高屏蔽的效果也越好。如果用超導(dǎo)體時(shí)，可以得到完全屏蔽磁場(chǎng)的目的。這與超導(dǎo)體的厚度無(wú)關(guān)。

對(duì)于低頻交流電的電場(chǎng)，就可以歸結(jié)到靜電屏蔽一類中來(lái)解。靜電屏蔽依據(jù)的原理是：在外場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體表面電荷將重新分布。直到導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零才停止。高頻電場(chǎng)的屏蔽是基本上由良導(dǎo)體上的反射來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3種屏蔽的結(jié)果見表1。表中的正號(hào)表示可以屏蔽，負(fù)號(hào)表示不能起屏蔽作用。

表1 3種屏蔽的結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

繼電保護(hù)干擾是直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行的關(guān)鍵。除了以上提到的防護(hù)辦法以外，還可在變電站內(nèi)形成一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，在關(guān)鍵位置加裝濾波裝置等措施。只有完整縝密的抗干擾措施，才能將電磁干擾的影響程度減到最小。

［1］宋繼成.220～500kV變電所電器接線設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.

［2］黃 海，張 輝，華 棟.變電站內(nèi)的電磁干擾及電磁兼容問題［J］.電力建設(shè)，2002，23（2）：32-33.

［3］景敏慧.變電站電氣二次回路及抗干擾［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

本文責(zé)任編輯：王麗斌

AnalysisonSubstationElectromagneticInfluencing FactorsandAnti-interferenceMeasures

Wang Hui，F(xiàn)an Zhen，Guo Xuguang
（Hebei Electric Power Transmission ＆ Transformation Company，Shijiazhuang 050051，China）

Introduces elements and the source of electromagnetic interference，analysis of the influence of electromagnetic interference factors from direct coupling，four aspects to electric field coupling，magnetic coupling，radiation coupling，and such as electric field shield，magnetic screen and electromagnetic shielding anti-interference measures，and comparing of various measures adaptability，effectiveness，it can effectively guarantee of relay protection reliability and stability.

substation；relay protection；anti-interference

TM77

B

1001-9898（2015）03-0049-03

2015-03-03

王 輝（1985—），男，工程師，主要從事變電站建設(shè)、調(diào)試方面技術(shù)工作。