開關(guān)柜HMI和綜合保護(hù)裝置EMC問題及解決

鄒 東

0 引言

某地鐵工程調(diào)試階段，在向動力變壓器送電的過程中發(fā)現(xiàn)，35 kV高壓組合電器饋線開關(guān)柜斷路器合閘時，開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置發(fā)送速斷保護(hù)信號，導(dǎo)致饋線柜無法正常送電。同時開關(guān)柜人機(jī)操作界面板（HMI）出現(xiàn)死機(jī)并重啟現(xiàn)象。

通過相關(guān)測試，確認(rèn)電纜、變壓器沒有故障。測試主回路的電阻、斷路器動靜觸頭間的接觸電阻，確認(rèn)開關(guān)柜一次回路沒有問題。分析了綜合保護(hù)裝置記錄故障波形后，確認(rèn)由于保護(hù)裝置誤發(fā)速斷信號，導(dǎo)致無法正常送電。在其他變電所送電過程中，還發(fā)現(xiàn)進(jìn)出線柜的綜合保護(hù)裝置有誤跳現(xiàn)象，HMI死機(jī)并重啟現(xiàn)象。經(jīng)對綜合保護(hù)裝置、HMI的本體檢查，也沒有發(fā)現(xiàn)問題。因此，可以判斷，開關(guān)柜二次裝置EMC電磁兼容的設(shè)計出現(xiàn)了問題。

1 現(xiàn)場問題判斷及原因分析

將現(xiàn)場出現(xiàn)故障的綜合保護(hù)繼電器送回繼電器公司進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)繼電器測試結(jié)果正常，沒有出現(xiàn)誤動作等現(xiàn)象?？紤]到試驗(yàn)室條件和現(xiàn)場條件的差別，說明開關(guān)柜母線帶電壓后，在開關(guān)操作時，干擾信號通過耦合或者感應(yīng)等途徑，影響了回路的正常工作。

在現(xiàn)場，比較母線空載時合閘斷路器和母線帶載時分閘斷路器條件下，保護(hù)裝置的動作情況：發(fā)現(xiàn)空載合閘時的誤跳明顯要多于帶載分閘時的誤跳。合閘時的高頻干擾明顯高于分閘時的高頻干擾，它和EMC電磁兼容的經(jīng)典理論和經(jīng)驗(yàn)相一致。

針對誤發(fā)速斷動作信號開關(guān)柜，斷路器操作時，檢測到了干擾信號。該干擾信號產(chǎn)生的原因及可能的傳導(dǎo)途徑分析如下：

在母線空載時，母線動靜觸頭可能存在不等電位，在開關(guān)操作過程中，當(dāng)動觸頭快接近（合閘操作）或剛離開（分閘操作）靜觸頭連接位時，由于電場的影響，會產(chǎn)生含有多種頻率分量的衰減震蕩波。該過程中，斷口間會出現(xiàn)幾十次乃至幾百次重復(fù)燃弧及斷弧的過程。由于變化的頻率高，從而在母線及引線上產(chǎn)生幅值及頻率均較高的暫態(tài)電壓和電流。電弧的熄滅和重燃在母線上產(chǎn)生一系列的高頻電流和電壓波，此時母線就像一高頻天線，以瞬態(tài)電磁場的形式向周圍空間輻射能量，同時母線上的瞬態(tài)過程還可以通過連在母線上的設(shè)備（如電流互感器、電壓互感器等）直接耦合到低壓回路（一二次間的耦合類似于法拉第電容效應(yīng)）。

開關(guān)操作時，瞬時功率尖峰可達(dá)50 kW。在接地不良的情況下（該時刻在不長的接地線上就會感應(yīng)出很高的電位），其高頻干擾信號會通過傳輸線傳入繼電保護(hù)，在一些特定的頻段影響繼電器保護(hù)裝置，使其產(chǎn)生錯誤的信號，從而導(dǎo)致綜合保護(hù)裝置保護(hù)誤動作、HMI死機(jī)并重啟等現(xiàn)象。

可以判斷，斷路器操作時的短時瞬變功率是造成二次裝置誤跳、HMI死機(jī)的干擾源。

2 現(xiàn)場應(yīng)急措施分析

保護(hù)裝置本身的抗干擾能力與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，一般保護(hù)裝置本身已設(shè)有濾波電路，且保護(hù)裝置已是模塊化制作，故在現(xiàn)場一般較難調(diào)整。對于現(xiàn)場的應(yīng)急措施，只能從傳導(dǎo)路徑予以優(yōu)化。

目前有關(guān)EMC的測試標(biāo)準(zhǔn)有以下7種：電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)；射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)；雷擊浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)；靜電（ESD）抗擾度試驗(yàn)；電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)；工頻磁場抗擾度試驗(yàn)；脈沖磁場抗擾度試驗(yàn)。

該工程干擾源確定為高頻干擾，參照電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)描述，在現(xiàn)場根據(jù)工程實(shí)際情況，分別采取改良接地、調(diào)整布線、增加屏蔽、改進(jìn)接線方式等措施作為現(xiàn)場的可能應(yīng)急措施。

2.1 現(xiàn)場可能應(yīng)急方案1

20～30 MHz的高頻干擾源，即使在1 m長的接地線上，由于接地線的走線導(dǎo)致其有一定的電感，在高頻干擾源下也能感應(yīng)出高達(dá)100 Ω的電阻。為避免該情況，就必須改良接地。為盡量減小接地電阻，在柜體主接地和接地網(wǎng)（變電所內(nèi)接地干線）間增加銅膜（厚0.2 mm，寬300 mm）。該方案現(xiàn)場測試情況為，開關(guān)操作5次，有3次發(fā)生誤動現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在該工程中效果不明顯。

2.2 現(xiàn)場可能應(yīng)急方案2

采用增加磁氧鐵環(huán)的方案。磁氧鐵環(huán)在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時阻抗很小，當(dāng)信號頻率升高磁環(huán)表現(xiàn)的阻抗急劇升高。磁氧鐵環(huán)對電磁干擾有較大的抑制作用，具有足夠的抑制頻率帶寬的作用。

該工程選用日本PDK公司的磁氧鐵環(huán)，分別加在相關(guān)的信號線和電源線上做測試，即在綜合保護(hù)裝置的電流回路、電壓回路、電源線和HMI電源線上分別加裝磁氧鐵環(huán)。如圖 1、圖 2所示，1個開關(guān)柜內(nèi)共增加4個磁環(huán)。增加磁環(huán)后，操作開關(guān)柜內(nèi)的三工位隔離開關(guān)分閘和合閘各10次，在20次的操作中，綜合保護(hù)裝置共出現(xiàn)2次死機(jī)現(xiàn)象。該措施在一定程度上改善了綜合保護(hù)裝置的抗干擾能力。

圖1 綜合保護(hù)裝置電源線、電流回路、電壓回路加磁氧鐵環(huán)示意圖

圖2 HMI電源線加磁氧鐵環(huán)示意圖

2.3 現(xiàn)場可能應(yīng)急方案3

在HMI人機(jī)界面上增加不銹鋼金屬外罩。外罩設(shè)計尺寸為330 mm×270 mm×290 mm（長×寬×深），厚1 mm。通過一段時間的觀察，增加金屬外罩后，HMI發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象明顯減少，該方案對HMI的抗干擾有一定效果。

在現(xiàn)場通過對不同方案的測試，最終確定現(xiàn)場應(yīng)急方案采用HMI增加金屬保護(hù)罩和對相關(guān)的二次回路增加磁氧鐵環(huán)的方案。

3 最終解決措施

為了從根本上解決綜合保護(hù)裝置和HMI的電磁兼容問題，在設(shè)備廠試驗(yàn)室進(jìn)行了有關(guān)測試，通過深入研究分析，最終確定了該工程的解決措施。

安排生產(chǎn)跟現(xiàn)場配置條件一樣的開關(guān)柜。按照現(xiàn)場的接線，將現(xiàn)場換回的綜合保護(hù)裝置裝到新生產(chǎn)的開關(guān)柜上。為了得到一次電壓，將母線三相連在一起，通過工頻耐壓儀施加相電壓，柜體一次接地采用 50 mm2銅線連接到耐壓試驗(yàn)室的主接地上。操作隔離開關(guān)，在不同的措施下，檢測二次側(cè)的該干擾量并觀測干擾的影響。

3.1 綜合保護(hù)裝置EMC問題的解決

在外部措施沒有明顯效果的情況下，對現(xiàn)場送返問題最嚴(yán)重的2臺綜合保護(hù)裝置內(nèi)部進(jìn)行檢查。將綜合保護(hù)裝置打開后，逐段檢查接觸，測試接地電阻，并與不同的板卡進(jìn)行比較。在檢查板卡的過程中，發(fā)現(xiàn)模擬量輸入卡存在接地不良的情況。

通過對該接地部位狀態(tài)的重復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其接地狀態(tài)對整機(jī)的抗干擾能力有著決定性的影響。人為地制造（模擬）接觸不良的情況，發(fā)現(xiàn)綜合保護(hù)裝置受干擾的現(xiàn)象多次重現(xiàn)；而在其接地良好的狀態(tài)下，操作隔離開關(guān)分合多次，均未出現(xiàn)異常。通過工廠試驗(yàn)，可以判定綜合保護(hù)裝置抗干擾性能差是由于保護(hù)裝置內(nèi)板卡部位的接觸不良造成的。

現(xiàn)場通過更換綜合保護(hù)裝置的隔板，使模擬量輸入卡可靠接地，避免了接觸不良的情況，在現(xiàn)場沒有發(fā)生誤跳的現(xiàn)象，證明了該措施是有效的。

3.2 HMI的EMC問題解決

在設(shè)備廠內(nèi)，對二次布線進(jìn)線作了較大的調(diào)整。主要措施包括：對帶電顯示器傳感器二次線進(jìn)行隔離；帶電顯示器傳感器二次線屏蔽層兩端接地，增加屏蔽層在低壓室的接地；將HMI的接地線由柜門框架上部移到柜門接地的扁平線上（降低阻抗）；將HMI的數(shù)據(jù)線進(jìn)行隔離，單獨(dú)布線；將HMI的數(shù)據(jù)線屏蔽層雙端接地。

以上措施都沒有改變接線原理，只是布線和接線方式的優(yōu)化。在試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，對于帶電顯示器傳感器二次線隔離有明顯的效果。即：帶電顯示器傳感器二次線從開關(guān)柜斷路器右側(cè)二次線槽分開時，操作50次未再現(xiàn)HMI死機(jī)現(xiàn)象。而將帶電顯示器傳感器二次線放入二次線槽時，操作開關(guān)，出現(xiàn)HMI死機(jī)現(xiàn)象。

現(xiàn)場將帶電顯示器傳感器二次線獨(dú)立布線，與其他二次線隔離開后，沒有發(fā)生HMI死機(jī)的現(xiàn)象，證明該措施是有效的。

4 需要探討的問題

根據(jù)現(xiàn)場的情況和工廠試驗(yàn)情況，開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置在受到了快速瞬變干擾，尤其是高頻干擾信號時，誤發(fā)了保護(hù)動作信號，并不正常地觸發(fā)了HMI，使得 HMI出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。在外部電磁環(huán)境不容易改變的情況下，應(yīng)盡可能提高設(shè)備的抗干擾能力。這就需要在工程前期就發(fā)現(xiàn)這個問題，并及時予以解決。

對于開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置，目前都是通過確定抗干擾等級來考核其EMC能力。但是具體是幾級，針對地鐵環(huán)境，筆者認(rèn)為是一個值得商榷的問題。

工程中，中壓開關(guān)柜廠家提供的國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的電磁兼容檢驗(yàn)報告指出：其智能保護(hù)控制裝置通過了 IEC60225-22，IEC61000-4規(guī)定的嚴(yán)酷等級為III級的8個電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目（試驗(yàn)方法根據(jù)《繼電器及裝置基本試驗(yàn)方法》（GB/T 7261-2000））。為了進(jìn)一步研究，將該開關(guān)柜廠的綜合保護(hù)裝置送至南京南瑞試驗(yàn)室，該裝置沒有通過電磁兼容IV級嚴(yán)酷等級試驗(yàn)。

筆者認(rèn)為：由于該工程中壓開關(guān)柜涉及投資巨大，為了保證可靠性，在不增加較多成本的情況下，用戶需求中，電磁兼容可按IV級嚴(yán)酷等級考核。

5 結(jié)束語

一個地鐵工程的 35 kV開關(guān)柜的數(shù)量往往在200面左右，這對應(yīng)著同樣數(shù)量的綜合保護(hù)裝置，涉及的投資額度在千萬元等級。對于該工程出現(xiàn)的問題，應(yīng)充分認(rèn)識到其嚴(yán)重性以及現(xiàn)場更改的困難。由于將保護(hù)裝置運(yùn)回設(shè)備廠，進(jìn)行模擬試驗(yàn)、深入分析原因、擬定最終采取的應(yīng)對措施及其驗(yàn)證都需要時間，因此建議在工廠中盡量模擬現(xiàn)場情況，尤其是一次系統(tǒng)帶電的情況，測試其二次裝置的功能，以避免在施工現(xiàn)場發(fā)生類似問題。