變電站二次回路干擾來源的分析及其解決措施

董世勇

摘要：在變電站中，二次回路專門負(fù)責(zé)對一次系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和控制，但如果二次回路受到干擾，它對變電站的控制與繼電保護(hù)裝置就會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致處于強電磁環(huán)境中的二次回路造成無故障開關(guān)跳閘事故。文章從實際角度出發(fā)，分析了目前變電站二次回路中的各種干擾來源及其危害，并提出了二次回路抗干擾的直接對策。

關(guān)鍵詞：二次回路；變電站；干擾來源；抗干擾措施；干擾抑制；無故障開關(guān)跳閘事故 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM64 文章編號：1009-2374（2016）16-0132-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.064

變電站在運營過程中會受到各種干擾，有些來自外部，有些來自內(nèi)部，它們都會產(chǎn)生瞬時干擾電壓，并通過電磁耦合與靜電耦合來直接傳導(dǎo)進(jìn)入二次回路之中。它的頻率一般在上百kHz，而峰值最高可達(dá)數(shù)十kV，對繼電保護(hù)裝置與控制系統(tǒng)有很大的損害。

1 變電站二次回路的干擾來源

變電站二次回路中所存在的干擾信號主要分為兩方面：由一次回路及二次回路自身所引發(fā)的系統(tǒng)內(nèi)部干擾，由外部環(huán)境例如無線電信號、惡劣天氣雷電流所引發(fā)的系統(tǒng)外部干擾。下文將從各個角度探討變電站二次回路的干擾來源。

1.1 容性耦合對二次回路的干擾

容性耦合就是靜電耦合，它通過二次回路的近距離電場及耦合電容在二次回路引發(fā)干擾，是一種處于介質(zhì)中的、可對不同導(dǎo)體產(chǎn)生雜散電容的靜電干擾。例如在變電站中的耦合電容、電容式電壓互感器等電容性元件以及導(dǎo)體中的電壓都會通過電容耦合傳遞到周邊導(dǎo)體上形成容性耦合干擾。

如果雜散電容中的電容值在pF數(shù)量級以上，即雜散電容的電容值R時，此時電容分壓U就為：

可見，電容性耦合所起到的干擾作用等同于導(dǎo)體在地面之間連接了一個幅度在的電流源，當(dāng)該電流源的干擾頻率越大，就越可能產(chǎn)生基于回路的容性耦合反應(yīng)。因此，容性耦合的干擾能力會伴隨耦合電容的增大而不斷提升，它不但會對低阻抗較大的電路產(chǎn)生電場干擾，也同時會降低對地阻抗，降低兩個電路之間的雜散電容。一般來說，容性耦合干擾主要來自于兩種途徑：變電站周圍的雷擊雷電放電干擾，當(dāng)雷電發(fā)生時，由其放電所產(chǎn)生的強脈沖電場與磁場就會通過變電站中用于測量的互感器直接傳輸?shù)蕉位芈分校蛔冸娬局械臄嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)這些一次設(shè)備也會由于存在一定感性負(fù)載而在投切操作過程中觸動電弧，造成電弧的重燃或熄滅。此時，母線上的瞬時過程就會逐漸由母線轉(zhuǎn)移到電壓互感器以及二次回路之中形成耦合，使得二次回路電壓電流之間形成瞬時波形干擾。

1.2 感性耦合對二次回路的干擾

感性耦合又叫做磁場耦合，它所產(chǎn)生的干擾電壓能夠與二次電路之間產(chǎn)生互感，激發(fā)交變電場在載流導(dǎo)體周圍形成閉合電路進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，所以感性耦合所包括的干擾應(yīng)該分為以下三種：

第一，在操作隔離開關(guān)時會產(chǎn)生高頻電流、雷電流，它們會通過高壓母線并在其周圍產(chǎn)生磁場，其中會有一部分將二次電纜包圍，在變電站地網(wǎng)與二次電纜之間形成閉合回路。

第二，一旦變電站出現(xiàn)接地故障，站內(nèi)的架空導(dǎo)線就會與接地網(wǎng)之間形成短路電流，這股短路電流會在二次電纜周圍形成極強的空間磁場，該空間磁場會將雙端接地二次

電纜與接地網(wǎng)連接，構(gòu)成回路感應(yīng)電流以干擾二次回路。

第三，由于雷擊所造成的高壓線接地架構(gòu)。因為雷擊高壓線會產(chǎn)生行波，它的最大斜率可高達(dá)50MV/，而當(dāng)行波在傳輸過程時，波頭斜率卻會降到1MV/，一旦該情況發(fā)生，就一定會產(chǎn)生絕緣擊穿行波并致使二次電纜產(chǎn)生感應(yīng)，當(dāng)雷擊穿過接地構(gòu)架后，金屬構(gòu)架中的電流分布就會產(chǎn)生高強度電磁場來干擾二次回路。如圖1所示：

如圖1所示，在平行導(dǎo)線狀態(tài)下，感性耦合中的是干擾源電流，而表示干擾源與二次回路間的互感數(shù)值，如果二次回路產(chǎn)生干擾電壓，則有：

如果從干擾源方面有電流通過，則電流i就應(yīng)該為：

而干擾源與二次回路間的互感數(shù)值就應(yīng)該計算為：

式中：代表空氣導(dǎo)磁系數(shù)；L代表平行電纜中纜芯的長度；a和b分別代表兩根導(dǎo)線與二次回路導(dǎo)線間的距離；表示干擾源與導(dǎo)線間的實際夾角。所以變電站負(fù)載上所產(chǎn)生的干擾電壓應(yīng)該為：

可見，當(dāng)電流干擾通過干擾源后，它會直接加載到負(fù)載上形成干擾電壓，而干擾電壓的大小則取決于導(dǎo)線的長度與干擾源上的電流和頻率，且它們之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系。由于二者處于平行導(dǎo)線中，屬于平行關(guān)系，所以它們之間的干擾電壓會上升到最大值。但如果a、b導(dǎo)線與干擾源的距離是相等的，則干擾電壓會趨于最小值。

2 變電站二次回路干擾問題解決措施

要想避免變電站二次回路干擾問題，就應(yīng)該從控制干擾源著手，并盡量降低變電站敏感設(shè)備與干擾源之間的耦合程度。本文根據(jù)以上所提到的容性耦合干擾與感性耦合干擾提出了相關(guān)的抗干擾抑制對策。

2.1 容性耦合干擾解決對策

2.1.1 耦合阻抗增大。由于容性耦合發(fā)生在二次回路的近距離電場及耦合電容之間，所以應(yīng)該適當(dāng)增加干擾源與二次回路間的有效距離，借此來控制降低電纜長度，為電纜重新設(shè)計合理的敷設(shè)路徑，這樣做有助于降低二次回路與干擾源之間的耦合電容，與此同時也能增加耦合阻抗。由于電容性耦合中的耦合電壓可能與被干擾導(dǎo)體之間形成雜散電容，所以在導(dǎo)線與地面距離不發(fā)生改變的狀態(tài)下，應(yīng)該從降低線間電容著手來降低干擾電壓。根據(jù)耦合電容C的計算公式：

如上式，如果適當(dāng)減小接觸面面積，就可以達(dá)到降低耦合電容的目的。需要注意的是，在減小接觸面面積的同時也應(yīng)該避免a、b兩根導(dǎo)線平行走線情況的出現(xiàn)。

2.1.2 平衡法。因為變電站中的干擾源與干擾對象其二者基準(zhǔn)點在電路中始終保持相互獨立狀態(tài)，所以利用平衡法就可以消除二者間所存在的電容性干擾，但在此之前應(yīng)該滿足二者間的平衡條件即（如圖2所示）。

2.1.3 電場屏蔽。采用電場屏蔽方法可以有效抑制來自于雜散電容的耦合干擾，它利用到了接地性優(yōu)越的金屬屏蔽體，以利于將電場源中所產(chǎn)生的交變電場限制于某一規(guī)定范圍空間中，達(dá)到阻斷干擾源向敏感電路傳播干擾的目的。一般來說，像鋁、銀等導(dǎo)電率較好的金屬都可以作為屏蔽材料。總體而言，這種電場屏蔽法必須靠接地來完成，如果接地性不夠良好，其屏蔽效果甚至?xí)佑谖雌帘沃暗母蓴_狀態(tài)。

2.2 感性耦合干擾解決對策

2.2.1 磁場屏蔽。磁場屏蔽有兩種：低頻磁屏蔽與高頻磁屏蔽。低頻磁屏蔽所運用的是高導(dǎo)磁率鐵、鎳鐵合金等，它們共同構(gòu)建了以磁力線為主的低磁阻通路，可以將大部分磁場封閉于屏蔽體之內(nèi)，完全隔離磁場。而高頻磁屏蔽則主要采用屏蔽體所自然產(chǎn)生的渦流方磁場進(jìn)行屏蔽，它能夠抵消所存在的干擾磁場。利用高導(dǎo)體材料制作高頻磁屏蔽裝置，將裝置的導(dǎo)磁率與空氣的導(dǎo)磁率相比較，如果前者大于等于后者，則可說明磁力線的總趨向方向是一定會通過磁阻的最小路徑，并且該路徑所處的磁屏蔽內(nèi)必然會存在大量的磁力線，也就說明空腔內(nèi)的磁場必然會小于裝置內(nèi)的磁場。

2.2.2 降低互感抗阻。因為電磁干擾所產(chǎn)生的干擾電壓的導(dǎo)線長度與干擾源電流之間是成正比例的，而與干擾源頻率呈現(xiàn)反比，所以應(yīng)該從互感思路考慮盡量減少干擾源對二次回路的干擾，適當(dāng)降低電磁感應(yīng)在二次回路中可能產(chǎn)生的干擾電壓，最終達(dá)到降低二次回路中互感抗阻的效果。下文介紹三種應(yīng)對措施：

應(yīng)對措施一：避免在電纜敷設(shè)過程中與載流導(dǎo)體平行，當(dāng)干擾電壓的導(dǎo)線與干擾源之間形成余弦夾角時，夾角應(yīng)該與余弦之間成正比。另外在電纜溝道布置過程中應(yīng)該保持它與一次載流體形成直角關(guān)系。

應(yīng)對措施二：盡量減小電纜平行段長度，并且控制互感值M與一次導(dǎo)線L長度的正比例關(guān)系，使得平行段長度產(chǎn)生有效的抑制互感效果。

應(yīng)對措施三：如果是同一回路的電纜纜芯應(yīng)該安排于同一根電纜之內(nèi)，并以采用絞對線為最佳。如果在同一回路中，兩根電纜芯線與一次導(dǎo)線之間的距離比例是a/b，當(dāng)a=b時，位于二次回路負(fù)載上的干擾電壓就應(yīng)該為0。所以應(yīng)該選擇使用同一回路的電纜纜芯，即將正負(fù)極電纜歸納于同一根電纜之中，保持電流、電壓在二次回路中發(fā)揮比較穩(wěn)定的互感作用。此時，在導(dǎo)線相鄰的環(huán)路間由電纜絞對線所產(chǎn)生的沿線小環(huán)路會不斷換位，這樣就可以將干擾二次回路的電磁場中的感應(yīng)電壓抵消掉，避免二次回路被干擾。

3 結(jié)語

綜上所述，除感性耦合與容性耦合外，例如輻射耦合、地電位差、二次回路自身等因素也可以引起不同的電磁信號干擾，破壞變電站二次回路的正常運行。所以說影響二次回路的干擾信號可能來自于各個方面，因此在未來的變電站建設(shè)運營過程中一定要做到考慮周全，將所有可能影響變電站正常運維的因素考慮進(jìn)來，采取措施來限制干擾信號的傳播，保證變電站設(shè)備能夠在優(yōu)良的環(huán)境下正常工作。

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