500kV變電站斷路器電氣控制回路抗干擾措施

國(guó)網(wǎng)湖北超高壓公司荊門運(yùn)維分部 楊 雯 劉 琪 陳 晨 王沐東 華北電力大學(xué) 熊辰熙

1 500kV 變電站斷路器電氣控制回路的干擾源及危害

電氣控制回路的抗干擾通常指的是抗電磁干擾和解決EMC（電磁兼容）問題。產(chǎn)生電磁干擾的原因較為復(fù)雜，不同噪聲的頻譜存在較大差異，且周期性、隨機(jī)性互相交織，危害較大。

1.1 干擾源

隨著信息技術(shù)的革新，電子技術(shù)隨之發(fā)展，斷路器電氣控制回路多采用集成電路、半導(dǎo)體，這便意味著電磁開關(guān)和半導(dǎo)體之間極易產(chǎn)生脈沖噪聲，電源和外界環(huán)境也可能對(duì)控制回路產(chǎn)生干擾。根據(jù)干擾源可將斷路器電氣控制回路受到的干擾分為六種：一是動(dòng)力線侵入對(duì)斷路器電氣控制回路產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾；二是因信號(hào)線或數(shù)據(jù)線侵入對(duì)斷路器電氣控制回路產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾；三是直接混入斷路器電氣控制回路產(chǎn)生的輻射干擾；四是斷路器電氣控制回路自身工作中產(chǎn)生的電磁干擾；五是電氣控制電路電源對(duì)回路產(chǎn)生的電磁干擾；六是電網(wǎng)噪聲，上述干擾源中電網(wǎng)噪聲對(duì)斷路器電氣控制回路的影響較大。導(dǎo)致500kV 變電站斷路器故障中，影響最大的是1μs 以下的電網(wǎng)脈沖電壓噪聲以及持續(xù)時(shí)間在10ms 以上的持續(xù)電壓噪聲。此類電壓噪聲的主要表現(xiàn)形式有疊加高頻、瞬時(shí)升高或降低、持續(xù)欠壓或降低。具體而言，脈沖噪聲是電網(wǎng)中500kV 變電站進(jìn)行負(fù)載切換時(shí)的瞬變過程產(chǎn)生的脈沖型噪聲，波形表現(xiàn)為脈沖束、單個(gè)脈沖[1]。

1.2 危害

電磁干擾對(duì)斷路器電氣控制回路造成的負(fù)面影響可分三方面進(jìn)行說明。

一是對(duì)電氣控制回路的輸入模塊產(chǎn)生負(fù)面影響。電磁干擾通過線路串入電氣控制回路的電壓采集模塊，使電氣控制回路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，而此模塊是斷路器執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作的依據(jù)。在電磁干擾影響下，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，因模擬信號(hào)失真，數(shù)字信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，使得斷路器出現(xiàn)誤動(dòng)作，影響供電穩(wěn)定性。

二是對(duì)電氣控制回路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊產(chǎn)生影響。電磁干擾串入電氣控制回路，將使得控制信號(hào)的電平值出現(xiàn)混亂，斷路器驅(qū)動(dòng)輸出錯(cuò)誤，影響到對(duì)斷路器的準(zhǔn)確控制。

三是對(duì)電氣控制回路的處理模塊產(chǎn)生負(fù)面影響。處理模塊是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的關(guān)鍵，基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果，進(jìn)行保護(hù)判斷，控制斷路器動(dòng)作。其在電磁干擾影響下，地址、數(shù)據(jù)總線信號(hào)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)亂，使處理模塊運(yùn)算出現(xiàn)誤差，最終導(dǎo)致斷路器動(dòng)作錯(cuò)誤[2]。

2 500kV 變電站斷路器電氣控制回路抗干擾措施

2.1 硬件抗干擾措施

電磁干擾的抗干擾措施應(yīng)先尋找干擾源，明確可能受到電磁干擾的相關(guān)電路，再確定抗干擾措施。基于上述思路，結(jié)合干擾來源，下文便對(duì)屏蔽、濾波、隔離接地技術(shù)等硬件范疇內(nèi)提升電氣控制回路抗干擾性能的措施進(jìn)行分析。

第一，屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)是將噪聲源和電氣控制回路進(jìn)行屏蔽，阻斷噪聲對(duì)電路的影響，通常采用金屬導(dǎo)體屏蔽環(huán)境中的輻射干擾。輻射電磁場(chǎng)中，空氣中存在的磁場(chǎng)會(huì)和電氣控制回路中的感應(yīng)電勢(shì)形成回路，產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響到電氣控制回路的工作。此外，利用金屬導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽不僅能夠提高電氣控制的抗干擾能力，還能減少電氣控制回路的外部輻射噪聲。實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)人員可對(duì)電氣控制回路的印制電路板增設(shè)金屬屏蔽盒，且對(duì)于重要信號(hào)應(yīng)使用屏蔽線，減少線路長(zhǎng)度。為明確不同厚度（以φ 進(jìn)行表示，單位為mm。）金屬導(dǎo)體的屏蔽效果，采用泄漏磁場(chǎng)進(jìn)行表示，則有如下公式：

公式（1）中的Hφ代表金屬板前后的側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，H0代表金屬板側(cè)面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，f 代表頻率，μ 代表金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，ρ 為金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω/cm）。按照公式（1），此金屬導(dǎo)體下的磁場(chǎng)衰減量計(jì)算方法如下：

公式（2）中的A 代表磁場(chǎng)衰減量，其他同公式（1）相同。通常屏蔽板的金屬導(dǎo)體材料為鐵板、鋁板，以鐵板為例，電阻率取值為0.00005Ω/cm，根據(jù)公式（2）計(jì)算可得鐵板的磁場(chǎng)衰減量，即磁場(chǎng)吸收損耗如下：

根據(jù)磁場(chǎng)吸收損耗公式可知，當(dāng)使用厚度為1mm 的鐵板，電氣控制回路的頻率在1MHz 時(shí)，磁場(chǎng)衰減量能夠達(dá)到55db。技術(shù)人員可根據(jù)上述規(guī)律，結(jié)合500kV 變電站斷路器電氣控制回路的實(shí)際情況，調(diào)整電氣控制回路外金屬導(dǎo)體的厚度。

第二，濾波技術(shù)。對(duì)于電氣控制回路的中的傳導(dǎo)類干擾，可采用濾波技術(shù)進(jìn)行抑制。500kV 變電站運(yùn)行過程中，會(huì)對(duì)斷路器電氣控制回路造成較大影響，若因特殊原因使斷路器電氣控制回路承受的干擾信號(hào)較大，將影響對(duì)斷路器的控制，無法對(duì)變電站低壓線路進(jìn)行保護(hù)。變電站實(shí)際運(yùn)行中，變頻器等諸多電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較多的雜波分量，此類雜波分量若不進(jìn)行濾除將直接影響電氣控制回路檢測(cè)線路電流的準(zhǔn)確性。對(duì)此，可在電氣控制回路的后級(jí)加入反饋反相二階低通濾波器，具體原理如圖1所示。根據(jù)圖1內(nèi)容，將C2電容的電壓定義為Vc2，輸出電壓公式如下：

圖1 反饋反相二階低通濾波器

公式（4）中的Vout 為電容C2的輸出電壓，其余符號(hào)均為圖1中參數(shù)。根據(jù)公式（4），可得電容C2處電流的公式如下：

令公式中的R1=R2=R3，將R 取值為5.1kΩ，C 取值為0.1μF，利用Pspice 軟件進(jìn)行仿真可知，此濾波裝置的截止頻率可達(dá)到100Hz，安裝在斷路器電氣控制回路中，具有濾去雜波的效果。

此外，在電氣控制回路的輸出端，可增設(shè)無源濾波電路，如圖2所示，圖中的C1電容、C2電容、C3電容、C4電容、T1共同構(gòu)成濾波電路。其中連接在電氣控制回路輸出端的C3電容、C4電容能夠?qū)材Ｔ肼暺鸬揭欢ㄒ种谱饔茫褻1電容和C2電容的抗干擾效果強(qiáng)于單獨(dú)使用一個(gè)大電容，還能縮短電路輸出端的引線，避免電氣控制回路中的輸入端和輸出端產(chǎn)生磁耦合。

圖2 輸出端濾波電路

第三，隔離接地。在斷路器電氣控制電路內(nèi)的所有控制元件均增設(shè)一組電容值為0.1μF 的獨(dú)石電容、10μF 的電解電容，且布線過程中將該組去耦電容靠近控制元件的接地腳，能夠?qū)⒖刂圃涂赡墚a(chǎn)生環(huán)流的導(dǎo)體進(jìn)行隔離。同時(shí)，還可使用虛浮地的方式，避免電流的公共部分產(chǎn)生電磁干擾，實(shí)際可借助光電耦合器實(shí)現(xiàn)虛浮地。

為提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，斷路器控制電路布設(shè)過程中，應(yīng)對(duì)電路中的開關(guān)量、數(shù)字量進(jìn)行隔離。可使用線性隔離方法，數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸入端利用光耦隔離電氣控制電路中的單片機(jī)。

同時(shí)，為降低電氣控制電路中噪聲對(duì)電量檢測(cè)產(chǎn)生的影響，提高電量檢測(cè)結(jié)果的精確性，應(yīng)考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的電磁兼容問題。技術(shù)人員可隔離被測(cè)電路和測(cè)試電路，在兩者之間設(shè)置光電耦合器，將經(jīng)過濾波后的模擬信號(hào)通過光耦合后才可進(jìn)入數(shù)字電路，具體可采用型號(hào)為HCRN200的光耦合器進(jìn)行隔離。傳統(tǒng)普通光耦合器的電流傳輸過程具有較強(qiáng)的非線性特點(diǎn)，雖然能夠保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的正常傳輸，但傳輸精度較低，HCRN200光耦合器具有高線性度模擬特點(diǎn)，線性度高、靈敏度強(qiáng)，適用于500kV 變電站對(duì)于模擬信號(hào)的精度需求。此型號(hào)光電耦合器具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是具有±15%的傳輸增益調(diào)整范圍，而且還能將線性誤差控制在0.05%以內(nèi)，線性度高，誤差較小；二是帶寬較寬，可適應(yīng)電氣控制線路內(nèi)不同頻帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換；三是絕緣電阻在1018Ω 以上，將其布設(shè)在輸入、輸出回路中可起到較強(qiáng)的隔離效果；四是可承受1400V 的絕緣工作電壓，耐壓能力高達(dá)4000V/min，滿足500kV 變電站的實(shí)際需求；五是輸出范圍在0～15V，滿足電流、電壓等信號(hào)的轉(zhuǎn)換要求[3]。

2.2 軟件抗干擾措施

對(duì)于斷路器電氣控制回路中無法使用硬件進(jìn)行抵抗的干擾，可從軟件角度入手，消除干擾對(duì)電氣控制回路產(chǎn)生的影響。軟件抗干擾措施通常針對(duì)侵入類干擾，雖然此類干擾無法對(duì)硬件造成直接損壞，但會(huì)造成電氣控制回路程序異常，使得斷路器出現(xiàn)誤動(dòng)作，工作人員控制失靈等，進(jìn)而產(chǎn)生故障。為防止受電磁干擾影響，可在對(duì)短路電氣控制回路編寫程序時(shí)有針對(duì)性增加抗干擾措施。

一是增加輸入信號(hào)檢測(cè)程序。因傳導(dǎo)干擾可能會(huì)混入其他狀態(tài)輸入信號(hào)，電氣控制回路發(fā)出錯(cuò)誤指令，導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)誤動(dòng)作。因此，應(yīng)對(duì)可能產(chǎn)生斷路器誤動(dòng)作的開關(guān)量輸入信號(hào)和重要信號(hào)進(jìn)行多次檢測(cè)。技術(shù)人員可對(duì)電氣控制回路中單片機(jī)的輸入端和輸出端進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，多次檢測(cè)結(jié)果一致，可認(rèn)為此輸入信號(hào)為真，可執(zhí)行；若檢測(cè)結(jié)果不一致，可判定電氣控制回路中單片機(jī)受到了侵入類干擾的影響，可停止相關(guān)故障信息[4]。

二是增加空指令。技術(shù)人員可在程序存儲(chǔ)器的不同段之間增加NOP 指令，若處理模塊受到電磁干擾，程序寄存器的PC 值在NOP 指令的影響下會(huì)指向異常情況下的第一字節(jié)，當(dāng)相關(guān)程序運(yùn)行完成后，經(jīng)過若干NOP 指令，便可將PC 值重新回到正軌，以此降低電磁干擾對(duì)電氣控制回路處理模塊產(chǎn)生的影響。

三是利用Watchdog 技術(shù)。看門狗技術(shù)的作用是防止控制單元死機(jī)。技術(shù)人員可設(shè)置復(fù)位信號(hào)的發(fā)送時(shí)間，若超過時(shí)間閾值，即超過規(guī)定時(shí)間沒“喂狗”（通常在程序跑飛時(shí)出現(xiàn)），程序便會(huì)向控制單元發(fā)送復(fù)位信號(hào)，使其復(fù)位，就能有效防止電磁的干擾，減少斷路器控制單元工作時(shí)出現(xiàn)的死循環(huán)和程序跑飛情況，有效提高電氣控制回路的可靠性。

2.3 整體布局措施

根據(jù)IEC 的電磁兼容定義，斷路器電氣控制回路應(yīng)在自身所處的電磁環(huán)境中正常作用，并在不損害信息傳輸?shù)臈l件下和其他有用信號(hào)進(jìn)行共存。對(duì)此，技術(shù)人員在進(jìn)行電氣控制回路制板時(shí)應(yīng)在明確印制電路板規(guī)格的基礎(chǔ)上，考慮元器件的具體布置方式，將印制板內(nèi)不同元器件產(chǎn)生的電磁干擾降低。若為了使不同元器件形成隔離，盲目增加元器件之間的距離，會(huì)使連接線過長(zhǎng)，增大阻抗，降低電氣控制回路的抗干擾能力。若元器件過于集中，則會(huì)影響到控制回路工作中的散熱效果，且不同線路還會(huì)受到串?dāng)_。

所以，布置電路時(shí)應(yīng)按照控制回路內(nèi)不同的功能單元進(jìn)行布局，還應(yīng)考慮熱分布、輸入輸出端接口、復(fù)位電路等問題。應(yīng)遵循下述原則進(jìn)行整體布局：一是以電路信號(hào)流程為準(zhǔn)，安排不同功能電路的位置，將信號(hào)傳輸方向盡可能保持一致；二是以控制回路中不同核心元件作為中心，以不同分類模塊為準(zhǔn)進(jìn)行布局；三是以三倍印制板電流為準(zhǔn)加粗地線，減少電源和地線阻抗兩者產(chǎn)生的電磁振蕩。