變電站技改工程中的電磁兼容設(shè)施改進實施

摘要 針對老變電站技術(shù)改造工程中，廣泛存在原本適合于工頻模擬量檢測工作原理設(shè)備的電磁兼容設(shè)施，已不適應數(shù)字式微機型裝置的抗干擾要求的問題，根據(jù)國家電網(wǎng)公司調(diào)通中心在相關(guān)文件…的要求，以及技術(shù)資料的指導，在老變電站技術(shù)改造工程中采用了新的電磁兼容技術(shù)：建成等電位接地網(wǎng)、減少和縮短接地引線、采用新型屏蔽控制電纜等改進措施。在沒有對接地網(wǎng)等其他方面做更多新的改造條件下，以上改進效果良好，已得到了初步驗證。

關(guān)鍵詞 變電站 技術(shù)改造 電磁兼容

1 任務(wù)及目標

1.1 企業(yè)戰(zhàn)略對專業(yè)技術(shù)的要求

建設(shè)“一強三優(yōu)”現(xiàn)代公司是國家電網(wǎng)公司確定的發(fā)展目標。建設(shè)堅強的國家電網(wǎng)，最基本的要求是電網(wǎng)運行的安全可靠性高。與時俱進，采用先進實用的新技術(shù)取代與先進設(shè)備不相適宜的落后技術(shù)，有助于提高相關(guān)設(shè)備的可靠運行，確保變電站安全可靠運行，是供電電網(wǎng)運行維護工作者應努力實現(xiàn)的目標。

1.2 目標描述

改善變電站電磁環(huán)境，是提高設(shè)備的安全可靠性，有效防止事故發(fā)生的重要措施之一。具體落實國家電力公司調(diào)通中心在《十八項電網(wǎng)反重大事故措施，繼電保護專業(yè)重要實施要點》(以下簡稱“要點”)中提出了在變電站搭建“等電位接地網(wǎng)”，以及二次回路抗干擾措施，使得繼電保護及其他裝置在雷電、電網(wǎng)故障和高壓設(shè)備操作過電壓的強干擾中能正常運行，進一步提高設(shè)備的正確動作率。

1.3 實施范圍

在對舊、老變電站的改、擴建工程中，應用新技術(shù)措施提出的要求，對全站電磁兼容設(shè)施進行全面檢查，查找出不合要求的做法和設(shè)施，并實施改進，消除電磁干擾耦合途徑。主要包括四個部分：主接地網(wǎng)、地面等接地網(wǎng)、設(shè)備金屬外殼接地，以及電纜屏蔽接地等。

2 實施工作流程

2.1 完成工作的組織機構(gòu)

(1)成立技術(shù)小組，負責對現(xiàn)場設(shè)施進行檢查，根據(jù)檢查情況提出設(shè)施改進措施的計劃。

(2)項目負責人負責工具材料的準備及施工人員的技術(shù)交底，以及注意事項的提醒。

2.2 流程圖

流程圖見圖1。

2.3 流程過程控制說明

2.3.1 電磁干擾事故現(xiàn)象統(tǒng)計

在本單位收到該變電站技改工程項目(尤其是二次線設(shè)備改造)的工作任務(wù)后，就要對變電站設(shè)備運行現(xiàn)狀進行充分的調(diào)查了解，以便改造工作圓滿有效地進行。

因操作高壓電器產(chǎn)生的過電壓、電網(wǎng)接地故障暫態(tài)高頻分量，以及雷電涌流產(chǎn)生的浪涌電壓的頻帶很寬，峰值很高。微機保護裝置及自動化設(shè)備對高頻信號敏感，容易受到高頻干擾的傷害。高頻騷擾波可通過各種耦合途徑傳導到二次回路，從而造成設(shè)備損壞和裝置不正確動作事故。因此，統(tǒng)計裝置在以上狀態(tài)下視出故障的次數(shù)多少，可了解該變電站電磁干擾是否存在，以及問題存在的嚴重程度。

2.3.2 將調(diào)查情況通知設(shè)備生產(chǎn)廠家

電磁干擾造成設(shè)備故障不外乎兩種原因：其一是設(shè)備抗干擾能力較差；其二是變電站電磁環(huán)境惡劣，電磁干擾能量過于強大所致。廠家可根據(jù)該設(shè)備的普遍運行狀況，結(jié)合該變電站設(shè)備故障現(xiàn)象進行綜合分析，提出他們的意見以作參考。

2.3.3 分析判別問題所在

對廠家提供的分析資料進行進一步分析判別，確定問題是出在廠家設(shè)備還是變電站本身。

2.3.4 問題出在產(chǎn)品質(zhì)量上的應對措施

如果廠家自認為是產(chǎn)品缺陷時，一方面要求差價更換設(shè)備或升級換代，消除事故隱患；另一方面，將此情況告知設(shè)備采購方，在新采購的設(shè)備時避免重韜舊輒。

2.3.5 問題出在變電站的必要條件

廠家提供的產(chǎn)品必須是有兩年以上成功運行經(jīng)驗的成熟產(chǎn)品；指出變電站存在嚴重干擾的幾種可能性，并協(xié)助現(xiàn)場查找問題所在。

2.3.6 廠家提供技術(shù)咨詢

如廠家在提出是變電站電磁環(huán)境惡劣后，為保證以后設(shè)備的安全可靠運行，應協(xié)助運行維護人員消除干擾源和干擾耦合途徑。為做好這項工作，有必要提供技術(shù)支持和有關(guān)知識講座。

2.3.7 排查問題

隨著微電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛應用，使電磁兼容問題越來越突出。已引起了國家電網(wǎng)公司、科研部門及設(shè)備制造廠家的重視。

目前，裝置的抗電磁干擾性能已得到全面地提升，但在現(xiàn)場運行中的微機裝置在雷電或操作高壓電器中還會出現(xiàn)異常狀態(tài)，甚至損壞裝置；仍在電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障時，微機保護裝置出現(xiàn)不明原因的不能正確動作，……。其實不難看出，電磁干擾仍然在影響著變電站的運行安全。

雖然國家電網(wǎng)公司及科研部門已認識到這一問題，并從行政管理和技術(shù)應用上提出了如何應對策略：國家電網(wǎng)公司也發(fā)文《(十八項電網(wǎng)反重大事故措施)繼電保護專業(yè)重要實施要點》(以下簡稱“要點”)；國家電力科學院已翻譯出版《發(fā)電廠和變電站電磁兼容導則》(以下簡稱“導則”)介紹電磁兼容新技術(shù)，為采用抗干擾新措施提供了有力支持。在此以“要點”為導向，以“導則”為基準，對變電站內(nèi)的與抗干擾措施有關(guān)設(shè)施進行全面的檢查。

(1)地下主接地網(wǎng)

地下主接地網(wǎng)主要是適用于向大地土壤疏散接地電流，同時也能起到降緩電磁干擾能量的作用。在舊變電站改造中，由于有的變電站多期擴建，或運行年代已久。變電站掩埋于地下的主接地網(wǎng)有可能在某些地方斷開，不同地段的接地網(wǎng)出現(xiàn)較大的接地電阻。在出現(xiàn)地電流時，有可能從地表面的接地體中流過的電流較大，如電纜屏蔽體、接地銅排等。從而產(chǎn)生磁耦合干擾和共阻抗耦合干擾。所以要檢查接地網(wǎng)各處的電阻率是否平衡，不平衡說明不是一個完整的接地網(wǎng)，需要重新連接。一個完整的地下接地網(wǎng)能有效的協(xié)助地面等處接地網(wǎng)降緩電磁干擾。

(2)等電位接地網(wǎng)

①接地銅排是用于搭建等電位接地網(wǎng)的低阻抗導體，其作用是將所有不帶電導電體及設(shè)備外殼連接在一起，構(gòu)成縱橫交錯的地面接地網(wǎng)。因此，屏柜底部和電纜溝道的接地銅排應與柜體及其它接地體連為一體，而不應該采用絕緣子隔離。

然而，現(xiàn)在不少人錯誤認為敷設(shè)接地銅排就是建等電位接地網(wǎng)，并且還認為等電位接地網(wǎng)與接地極是兩個互為獨立的接地設(shè)施。所以，在搭建等電位接地網(wǎng)中，沒有用接地銅排將不帶電導體搭接成統(tǒng)一的接地網(wǎng)，并且在接地銅排與接地體間還采用了絕緣子隔離措施。這種錯誤的做法不但不能起到降緩電磁干擾的作用，而且適得其反。

為滿足用戶要求，現(xiàn)在的設(shè)備在出廠時屏內(nèi)接地銅排大多都裝有絕緣子，并將銅排用導線接地。這只能是增加接地回路的接地阻抗。對此應予更正，取消絕緣子，保持接地銅排與其它接地體之間良好地電接觸，可減小接地網(wǎng)格的面積。

②接地導體在敷設(shè)中要構(gòu)成網(wǎng)格，網(wǎng)格包圍的面積越小越好。于是要求各屏柜之間的接地銅排要首尾相連，構(gòu)成閉合環(huán)路，一定不要出現(xiàn)開環(huán)的斷口，這些都是降低接地回路阻抗的重要措施。

(3)互感器二次回路應在開關(guān)場接地

從電磁兼容方面講，由雷電和高壓操作產(chǎn)生的浪涌電壓的頻帶很寬，高頻部分可通過一、二次繞組間的耦合電容傳導到二次回路，而且這種傳導是不遵循互感器線圈匝數(shù)比等相關(guān)的變比關(guān)系，耦合進二次回路形成共模干擾。如果不在開關(guān)場就近接地即刻將干擾泄放入地，而是將其傳導進控制室的過程中，會通過多種環(huán)節(jié)耦合進裝置，對二次回路設(shè)備構(gòu)成極大的威脅。在現(xiàn)場運行維護工作中發(fā)現(xiàn)，直接與電纜連接的裝置插件損壞較多可能與此有關(guān)。因此在“導則”中強調(diào)必須在開關(guān)場接地，即使有多組互感器二次回路相連，采用隔離手段實現(xiàn)各互感器二次回路在開關(guān)場一點接地。這有利于抗干擾，更有益于安全。除了避免阻抗耦合干擾，將一、二次繞組的接地點分開外，還需將二次回路接地與屏蔽地都要在互感器箱體上接地，盡可能減少中性線和接地連接線所形成的環(huán)路，而不是分開鏈接到接地網(wǎng)(見圖2)。

在電力行業(yè)技術(shù)規(guī)程中，對有關(guān)互感器二次回路中性線一點接地的接地位置選擇已做了較全面的闡述：其一，單組電流互感器的二次回路中性線在開關(guān)場一點接地；其二，多組電流互感器的二次回路有相互連接的中性線在控制室一點接地，如差動保護等。

然而，目前大多數(shù)工程在設(shè)計和施工安裝中，一見到差動保護就在控制室內(nèi)接地，而不管差動保護各組電流互感器是否被TA隔離，已成為相互之間沒有電路聯(lián)系的單組電流互感器。這種將差動保護各單組電流互感器在控制室一點接地的做法，給設(shè)備帶來事故隱患。

另外，對于有電路聯(lián)系的電壓互感器二次回路的接地點目前只能選擇在控制室內(nèi)。在對電壓互感器二次接線稍作改動，將不同PT的中性線不是直接連接在一起，而是納入電壓切換回路，也同樣具備在開關(guān)場接地的條件。因此建議在新規(guī)程修改中，強調(diào)把互感器二次回路接地改到開關(guān)場內(nèi)，取消在開關(guān)場將二次線圈中性點經(jīng)放電間隙接地的建議，以避免兩點接地的情況發(fā)生。

(4)屏蔽電纜的屏蔽體及其接地

①屏蔽電纜屏蔽效能不高

變電站二次回路受干擾主要來自由電纜引入的傳導性干擾，電纜的屏蔽效能的高低，直接影響到其連接設(shè)備的安全。從圖3中可見，目前變電站所使用電纜的屏蔽層結(jié)構(gòu)多為銅帶螺旋繞包和銅絲編織網(wǎng)，其轉(zhuǎn)移阻抗隨頻率的升高而升高，屏蔽性能不好。這是因為兩者的屏蔽結(jié)構(gòu)存在縱向不連續(xù)的問題。因此當屏蔽體感受到高頻干擾源時，屏蔽內(nèi)的電流不能平行于軸向流動，降低了反射屏蔽效果；又因表面橫向有斷口，表面渦流吸收干擾的能力也不好。于是，高頻騷擾波透入屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生干擾。

銅絲編織網(wǎng)的網(wǎng)孔能讓干擾波穿透屏蔽體進入電纜內(nèi)層空間，作用到電纜芯線也會形成干擾電壓；隨著電纜安裝時間的延長，編制網(wǎng)中的銅絲表面氧化后，彼此不能在電路上連通，因而也不具有對騷擾源以渦流轉(zhuǎn)換成熱能的形式加以吸收損耗的作用。這種不良影響將隨頻率升高而升高。使電纜在高頻信號下的屏蔽效能降低。

②管狀屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能

目前，對電站使用的電纜的抗干擾效能，國際上還沒有一個明確的檢驗標準?？紤]到干擾耦合方式中，感應耦合干擾是變電站中電磁干擾的主要耦合方式，所以常用“轉(zhuǎn)移阻抗”Z₁Z₁為電纜芯線中屏蔽間電壓與屏蔽層中流過的電流之比)的大小來間接的鑒別屏蔽電纜的屏蔽效能高低，轉(zhuǎn)移阻抗低，則屏蔽效能高。電纜的轉(zhuǎn)移阻抗是由屏蔽層結(jié)構(gòu)方式所決定，是在電纜生產(chǎn)中形成。屏蔽層結(jié)構(gòu)形狀不同，電纜的轉(zhuǎn)移阻抗就不同，其值越低越好。圖3顯示了幾種不同結(jié)構(gòu)的屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗隨著頻率變化而變化的實驗曲線。

從圖3(“導則”提供)可見，在對微機型裝置最敏感的高頻信號下，銅管的轉(zhuǎn)移阻抗隨著頻率的升高而降低，并降到可顯示的最低值。也就是說，管狀屏蔽電纜對高頻信號的屏蔽效能最高?？梢?，在本變電站實現(xiàn)綜合自動化后，主要考慮防高頻干擾為主的前提下，應采用縱向連續(xù)的管狀屏蔽電纜是最相適宜的，有助于改善變電站的電磁環(huán)境。

③減少或縮短接地引線

等電位接地網(wǎng)是實施電磁兼容技術(shù)的基礎(chǔ)裝備，許多抗干擾措施的有效性如何，很大程度上看是否利用了等電位接地網(wǎng)。因地制宜的應用好了等電位接地網(wǎng)，就可獲得更好的抗干擾效能。否則，可能使所采用措施完全失效。

如果電路不是借用機箱與柜體接通，或柜體不是與接地網(wǎng)搭接，而是經(jīng)長引線接地，即在接地回路中串入了一個電感(考慮引線自感1μH／m)。如裝置安裝在屏柜的上部，到屏柜底部的接地銅排的接地引線長達2m以上，對高頻(假定10MHz)騷擾電流形成了較大的接地電抗(ωL=126Ω)。如變電站遭雷擊或電網(wǎng)發(fā)生弧閃等接地故障，將產(chǎn)生強騷擾磁場時，長電纜和接地引線構(gòu)成的接地環(huán)路中如感應高頻電流(如10A)，將產(chǎn)生較高的共模干擾電壓(1260V)，可造成裝置損壞。

在柜體與等電位接地網(wǎng)實現(xiàn)低阻抗搭接后，柜體就成為地面向上延伸的接地母線。在裝置的組屏裝配中，實現(xiàn)機箱與柜體的搭接，以保證機箱與柜體低阻抗連接。這樣，裝置接地就可利用機箱金屬外殼經(jīng)柜體實現(xiàn)無引線接地。

在工程施工安裝中，為避免屏柜和裝置外殼表面的涂覆層使裝置與屏柜不能在電氣上連通，需卸下裝置的接地引線檢查裝置外殼是否與地連通。假如裝置外殼與接地體未連通，需要把裝置固定于屏柜的螺絲取出，在裝置外殼與屏柜間插入一個鋸齒墊圈后，重新上緊固定螺絲，確保裝置外殼與柜體的可靠連通。

④管狀屏蔽電纜的安裝

電纜屏蔽層采用連續(xù)縱包成管狀結(jié)構(gòu)后，與其表面用擠朔工藝加工的電纜外護套復合為整體，增強了電纜護套承受的外力，可承受所有外部擠壓拖拽和敷設(shè)電纜時的縱向拉力。另外，屏蔽層所采用的銅帶在縱包時進行了波紋軋制，有利于彎曲、電纜柔軟性好，敷設(shè)方便靈活。

電纜屏蔽層為銅帶，可以與接地引線很方便的連接，其方法與銅帶繞包屏蔽層相同。

2.3.8 實施改進

(1)對站內(nèi)各區(qū)域的主接地網(wǎng)進行接地電阻測量，不同處所測得的接地電阻相對誤差很小(5％以內(nèi))，主接地網(wǎng)是完整的。

(2)按等電位接地網(wǎng)的要求做好屏柜間銅排的首尾連接成環(huán)，室外接地銅排構(gòu)成環(huán)路，不應在斷口。

(3)電流互感器的二次回路中性點在開關(guān)場一點接地，包括主變差動保護的電流回路。

(4)全站的控制電纜采用了KVVP_2-G管狀屏蔽電纜；對各接地點采用了就近接地的做法，以滿足盡量縮短接地引線的要求。

2.3.9 驗收

(1)查看主接地網(wǎng)接地電阻測量記錄，驗證接地電阻相對誤差，確認主接地網(wǎng)是完整的。

(2)直觀查看屏柜間銅排是否首尾連接成環(huán)；在電纜溝轉(zhuǎn)角處和端頭撬開蓋板，查看室外接地銅排構(gòu)成環(huán)路，不應在斷口。

(3)到開關(guān)場查看電流互感器的每一組二次回路中性點是否僅在開關(guān)場端子箱處一點接地，包括主變差動保護的電流回路。

(4)檢查全站的二次電纜屏蔽層是否兩端就近可靠接地，滿足盡量縮短接地引線的要求。

3 效益評價

3.1 湖北大冶110kV永勝變電站改造前電磁干擾引發(fā)的事故

大冶110kV永勝變電站技改工程是我工區(qū)第一個采用上述電磁兼容新技術(shù)的工程。該站在本地區(qū)各變電站中設(shè)備故障率是最高的，尤其是在有雷電發(fā)生時和高壓電器倒閘操作時。表1為幾年來的事故統(tǒng)計，所有事故的起因不是大氣過電壓，就是高壓電器操作過電壓，此時產(chǎn)生寬頻譜干擾所至。

從表1中所記載的內(nèi)容還可發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，前三次事故間隔是2年半左右，后來的事故時間間隔縮短到一年、半年了。

從事故原因可見，雷雨產(chǎn)生的大氣過電壓和電器操作產(chǎn)生的操作過電壓引發(fā)的干擾所致。因此在對變電站電磁兼容實施全面地技術(shù)改造，必須采用抗干擾新技術(shù)，提高變電站的抗干擾能力，以此提高變電站的運行水平。

永勝變電站綜合自動化系統(tǒng)改造于2008年3月31日正式開始實施，除更換設(shè)備和敷設(shè)部分電纜外，對地面上的等電位接地網(wǎng)做了上述處理(地下的接地網(wǎng)未動)，于2008年4月30日全部完工投運，至今已有一年之久，已取得了良好的技改效果。

2008年5月16日110kV線路故障，繼電保護裝置正確動作切除故障，110kV進線備用電源自動投入，保證了變電站的連續(xù)供電。5月底本地區(qū)雷雨天氣開始出現(xiàn)，特別在2008年6月10日大冶地區(qū)10年一遇的強暴雨雷電天氣中，變電站處于電閃雷鳴、暴雨傾盆之中，戶外高壓電器電暈閃爍，放電聲噼叭作響，此時的電磁騷擾是很強的。然而，整個保護控制系統(tǒng)運行正常，新改造后的電磁兼容設(shè)施有效地防范了雷電的強騷擾，保證了全站綜自設(shè)備運行正常，經(jīng)受了改造后的首次強雷電考驗；2008年6月22日夜晚城區(qū)持續(xù)雷電天氣近6個小時，此期間多條10kV線路發(fā)生故障，其保護裝置均能正確動作，及時地切除了故障，確保了健全線路的安全運行。此時，全站綜自系統(tǒng)運行正常，無一誤動。在新改造系統(tǒng)經(jīng)受強雷雨惡劣氣象考驗的同時，變電站也進行了多次高壓電器操作，同樣也經(jīng)受住了操作過電壓的干擾考驗。如果不是有這次變電站的合理改造，在此環(huán)境下很難獲得如此安全運行的結(jié)果。

4 結(jié)束語

我們作為集變電站運行維護、技術(shù)改造工程施工于一體的工作人員，為了確保設(shè)備的安全運行，更注重于在工程施工安裝的質(zhì)量和使用性能優(yōu)越的安裝材料。在永勝變電站技術(shù)改造工程中，我們按電磁兼容新技術(shù)的要求，設(shè)備運行中的電磁環(huán)境已得到了比較好的改善。在以后的運行中，注意設(shè)備的每一個細小異常變化，并做好統(tǒng)計分析，與實施技改工程前的設(shè)備運行狀態(tài)作比對分析，從中總結(jié)出好的經(jīng)驗，以便運用到后續(xù)的工程中，從而降低事故率，減少運行維護工作量，將變電站安全運行水平提高到一個嶄新的階段。