變電站開關動作瞬間電磁干擾的研究與分析

陳 鑫

（國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100068）

變電站開關動作瞬間電磁干擾的研究與分析

陳 鑫

（國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100068）

隨著智能變電站的建設的不斷深入，變電站內的電子設備不斷增多，由于大量高電壓大電流設備的存在，變電站內部的電磁環境非常復雜，很容易對這些電子設備造成干擾，影響其正常運行。在實際運行中發現，變電站的開關動作瞬間會造成比較大的電網沖擊，形成較高頻率電磁波，具有很強的干擾能力，嚴重影響電力系統可靠運行。本文通過對變電站內開關動作瞬間的電壓和電流分布的計算，對暫態電磁干擾進行了分析，討論了其對系統的影響，并對暫態干擾的防護提出了相應的措施。

變電站開關；電磁干擾；防護措施

隨著電力系統電網建設的不斷擴大，電網電壓也在不斷升高，電力電子設備在變電站自動化控制中得到廣泛應用，在變電站內部復雜的電磁環境下，這些電子設備很容易受到大功率負載、雷電、短路故障、系統沖擊等干擾信號的影響，影響其正常工作甚至損壞，從而威脅電力系統的可靠運行。在這些干擾因素中，變電站主回路開關動作瞬間產生很大的電網沖擊，其電磁干擾非常嚴重，很容易對二次系統造成嚴重影響［1］。本文從開關動作瞬間的電磁過程入手，分析了開關動作瞬間暫態分量的特點和干擾引入的方式，并對電纜屏蔽對干擾的抑制效果進行了介紹，并對干擾的防護提出了一些建議。

1 變電站開關動作瞬間電磁環境分析

圖1 變電站空載母線計算模型

圖1為500kV變電站母線模型，實驗中只對其中一路母線和引線進行分析，且母線為空載，線路和構架對系統的影響忽略不計，L2、L3為兩段母線，L1是引線，L1長度為50m，L2長度為90m，L3長度為45m，線路高度為16m，母線的間隔距離為6.5m，引線的間隔距離為8m。母線的外徑為51mm。不考慮母線的臨近效應和邊緣效應，則單位長度母線的電容和電感矩陣為

單位長度引線的電容和電感矩陣為

假設母線電源為三項對稱余弦理想電壓源，母線的初始電壓為 0，在時刻 0對母線加電壓。大地的電阻為0，開關為理想時控開關。由Bergeron法計算可得木箱的模式波主抗矩陣和模變換矩陣為

引線的模式波阻抗矩陣和模變換矩陣為

圖2為2、3、4點由Bergeron法得出的A相電壓波形，B相和C相電壓的波形和A相相似只不過相位不同，在此不再列出。

圖2 Bergeron法A相電壓波形

在圖2中，A相理想電壓源峰值是1V，短時間內1點的電壓不會發生變化，開關接通后，母線開始充電，母線L3上各點電壓以接近光速的速度依次變為1V，點1輸出的電壓波形在0.15μs傳輸到點2，由于母線L2、L3的阻抗和引線L1的不匹配，因此造成波形的反射和折射，計算得出反射系數和折射系數分別為為-0.33和 0.66，此時點 2的電壓大概為0.65V。隨后電壓以該電壓值在L2和L3上繼續傳播，反射波在L3上的電壓值為-0.35V。L3上的電壓波形在0.35μs傳輸到點3，形成反射，其反射系數是1，因此該點電壓值翻倍，大概為1.3V。同時波形也傳輸到點1，由于電源的影響，其電壓保持為1V，因此反射系數是-1。波形在0.45μs時傳輸到點4，形成反射，反射系數是 1，電壓同樣翻倍。同時，L1和L2的波形傳輸到點2，由于折射和反射的作用，電壓幅值翻倍。由于不斷的反射和折射，線路上的電壓最大幾乎達到最初的3倍［2］。

對系統電壓進行傅里葉變換，可得各點電壓的頻譜分布圖，如圖3所示。可以看出，變電站內，母線開關接通瞬間，電磁波頻譜大部分集中在10MHz以內，實驗結果與現場測量結果相符。

圖3 A相電壓頻譜分布圖

2 開關動作瞬間電磁干擾對二次回路的影響

開關動作瞬間除由于暫態電磁場通過對二次回路形成電磁干擾外，還可能由于電磁和靜電感應通過耦合造成干擾，當二次回路電纜帶屏蔽層且接地時，以上兩種干擾的影響會大大減弱。但當干擾源的頻率較高時，干擾信號可能會通過電流互感器和電容式電壓互感器以及屏蔽層耦合到系統中。這種耦合通過采用對二次電纜屏蔽的方式不能減弱，只能通過采用增加抑制裝置的方式來控制。

2.1 開關動作瞬間分量通過電流互感器和電壓互感器對二次回路的干擾

套管式電流互感器是變電站中最常用的電流互感器。當母線中有高頻暫態分量通過時，可能會有電磁干擾通過互感器的套管電容和接地線對二次電纜形成影響。

如圖 4所示，IT為開關動作的瞬間電流，CT為電流互感器套管電容，C1為電流互感器一次側和屏蔽間的寄生電容，C2為二次側和屏蔽間的寄生電容，LD為接地線電感，ZD為接地電阻，VG為瞬態電流產生的干擾分量，ZIN為二次電纜的輸入阻抗，ZL為二次回路末端的負載阻抗，Z0為長度為L的二次電纜波阻抗。當電流互感器中有暫態電流通時，暫態電流由接地線進入接地網，由于接地阻抗的存在，地點位升高，引線電感點位形成，兩個電位造成電流互感器的干擾，通過接地電阻、引線電感和電流年互感器二次側繞組與屏蔽層間的寄生電容，導致干擾電壓VG在二次電纜一次端形成。當高頻信號存在時，若二次電纜屏蔽層單端接地或不接地時，會在二次電纜末端形成干擾電壓和干擾電流。

圖4 通過互感器接地線產生干擾原理

圖5 通過互感器接地線產生干擾等效電路圖

開關動作暫態分量通過電壓互感器對二次側的干擾的原理和電流互感器大致相同，只不過電壓互感器的干擾是通過分壓電容引入的。

2.2 電纜屏蔽層接地

1）電纜屏蔽接地對電場干擾的抑制

電纜屏蔽網和內部導線之間有耦合電容存在，耦合的電場會產生干擾源，如圖6所示，兩根互相平行的普通電纜和帶屏蔽電纜，普通電纜視為干擾源，其中C1為普通電纜和大地之間的耦合電容，C3為屏蔽和大地之間的耦合電容，C12為普通導線和屏蔽層之間的都和電容，C23為屏蔽電纜屏蔽層和導線之間的耦合電容，X2為屏蔽電纜和大地的共模阻抗，U1是干擾源的電壓，U2是屏蔽電纜的耦合電壓，U1經由C12和C23耦合至電纜屏蔽層。

圖6 屏蔽電纜原理圖及等效電路圖

圖7 屏蔽電纜原理圖及等效電路圖

當屏蔽層接地時，U1、U2都被短路接地，從而干擾源到屏蔽電纜芯的耦合會被切斷，從而產生對電場的屏蔽。從電磁場相關理論和實際應用發現，接地良好的屏蔽層可以對電場干擾起到非常好的抑制效果［3］。

2）電纜屏蔽接地對磁場干擾的抑制

如圖8兩根平行電纜之間會有互感M12產生，當導線 1中有電流通過時，會有感應電壓在導線 2中產生，才能個人造成干擾。當到導線2帶有屏蔽層且未接地或單端接地時，由于沒有回路形成，屏蔽層中沒有電流產生，因此導線2產生的感應電壓沒有變化，但會有感應電壓在屏蔽層產生。

圖8 不帶屏蔽的平行電纜磁場耦合示意圖

圖9 帶屏蔽的平行電纜磁場耦合示意圖

當屏蔽電纜的屏蔽層雙端接地時，屏蔽層會有感應電流流過，從而在導體 2上產生一個和導體 1相反的感應電壓，可得導體2上的感應電壓為

式中，RS為屏蔽層電阻；LS為屏蔽層自感，可以看出當ω ＜＜RS/LS時，屏蔽層對磁場的屏蔽無效，ω ＞＞RS/LS時，比如屏蔽層電阻很小，自感很大，則屏蔽層對磁場的屏蔽效果比較好。

3）電纜屏蔽接地方式分析

屏蔽層單端和雙端接地對電場干擾都具有很好的屏蔽效果，但單端接地不具有對磁場干擾屏蔽的能力。雙端接地對磁場干擾的屏蔽效果要好很多。然而當現場條件異常復雜，或者二次設備特別敏感時，可對電纜進行雙層接地，外屏蔽層采用雙端接地，內屏蔽層單端接地，從而可以對干擾形成很好的屏蔽效果［4］。

3 結論

在500kV的開關的動作試驗中，曾經測得母線電壓互感器和二次保護回路備用電纜之間的峰值電壓最高可達3.77kV，如此高的瞬態電壓對二次回路的威脅是相當大的。為了抑制開關動作的瞬間分量的干擾，首先我們應該對二次回路屏蔽層進行良好接地，做好雙端接地或者雙層接地；二次回路電纜應盡量遠離母線敷設，并盡量減少平行敷設電纜的長度；對于電流互感器和電壓互感器除對電纜進行屏蔽接地外，還應在回路中增加浪涌沖擊保護器；此外縮短開關的動作時間也可以減少電磁干擾的總量，然而采用該方法時，干擾源暫態分量的最大幅值不一定會減少。母線開關動作瞬間分量的干擾危害巨大，對整個暫態過程的全面深入的研究中還有很多工作要做，同時如何對干擾進行更加有效的防護也需進行更加深入的研究。

［1］鄔雄，張文亮.電力系統電磁環境問題［J］.高電壓技術，1997，23（4）：31-33.

［2］崔翔，李琳，盧鐵兵，等.電力系統電磁環境的數值預測方法及其應用［C］.保定：全國電工理論與新技術2001年學術年會特邀報告，2001.10.

［3］胡世雄.高壓電力電纜對控制電纜的電磁干擾問題［J］.武漢水利電力學院學報，1979（1）：21-38.

［4］唐文前.控制電纜屏蔽層接地方式探討［J］.電力建設，2002，23（7）：40-41.

Research and Analysis of Transient Electromagnetic Interference in Substation Switching Operation

Chen Xin
（State Grid Jibei Electric Economic Research Institute，Beijing 100068）

Along with the deepening of the construction of smart substation，there are a growing number of electronic equipments in substation，due to the existence of a large number of high voltage and high current equipment，it is very complicated electromagnetic environment of the substation，easily on these electronic devices cause interference，affecting its normal operation.In the actual operation，it is found that the switching action of the substation will result in a relatively large impact on the power grid，the formation of high frequency electromagnetic waves，with strong interference ability，a serious impact on the power system reliability.Through moments of action of voltage and current distribution calculation of substation switch，for the transient electromagnetic interference analysis，discussed the influence of the system，and puts forward the corresponding measures to solve transient disturbance of the door.

substation switch；electromagnetic interference；protection measures