關(guān)于500kV高壓變電站繼電保護(hù)抗干擾方法的研究

張黎明

（四川省電力公司超（特）高壓運(yùn)行檢修公司，四川 成都 610000）

前言

隨著電力建設(shè)的快速發(fā)展，用電戶對(duì)電力系統(tǒng)供電的質(zhì)量要求越來越高，這對(duì)電力系統(tǒng)能夠可靠安全的運(yùn)行具有較高的挑戰(zhàn)。然而在電力系統(tǒng)中，由于電氣元件發(fā)生故障導(dǎo)致無法正常運(yùn)行是難避免的，繼電保護(hù)裝置是可以預(yù)防事故發(fā)生的。因此，當(dāng)電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置能自動(dòng)、快速、有選擇的將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，從而保證電力系統(tǒng)可靠地供電。

1.干擾來源

高壓變電站是具有高強(qiáng)度電磁場(chǎng)環(huán)境的特殊區(qū)域。而裝在變電站里面的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置不間斷的受到強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾。當(dāng)采用具有很高抗電磁干擾能力的電磁型元件時(shí)，變電所的電磁干擾問題并沒有提到議事日程。隨著半導(dǎo)體電子元器件尤其是微處理器廣泛應(yīng)用于保護(hù)裝置中，二次回路設(shè)備的電磁干擾問題開始突出表現(xiàn)出來。影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的變電所電磁干擾，包括來自一次系統(tǒng)的干擾，如變電所遭雷擊，雷電流通過接到變電所母線的架空線路傳入變電所；電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障；在正常運(yùn)行條件下，在變電所內(nèi)進(jìn)行斷路器、隔離開關(guān)等的操作；也包括來自二次回路本身的干擾；運(yùn)行人員在近處使用步話機(jī)和由于人身觸及電了設(shè)備外殼產(chǎn)生的火花放電等。所有微機(jī)系統(tǒng)均應(yīng)適應(yīng)高壓變電所的電磁場(chǎng)環(huán)境，滿足針對(duì)以上干擾的一切要求，即下頻耐壓、雷電波、脈沖干擾、靜電放電、輻射電磁場(chǎng)及快速瞬變干擾試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等。

2.電磁干擾的傳播途徑

在高壓變電站里，有多種渠道將電磁干擾源和受干擾的二次回路和二次設(shè)備聯(lián)接起來，這些耦合渠道包括以下方面:

2.1.輻射干擾

①步話機(jī)的輻射干擾；②高壓開關(guān)場(chǎng)的直接電磁干擾。

現(xiàn)代微機(jī)繼電保護(hù)和控制設(shè)備直接安裝在開關(guān)場(chǎng)，抗高壓開關(guān)場(chǎng)電磁干擾就成為關(guān)鍵性問題。因?yàn)榕c步話機(jī)引起的電磁干擾相比，不但干擾強(qiáng)度高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)，且干擾的頻譜也更寬，所以必須對(duì)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行特殊屏蔽。500kV變電站微機(jī)保護(hù)采用了三層結(jié)構(gòu)：以焊接的金屬板柜為第一層，處理的信號(hào)均經(jīng)接口單元接入。在接口單元中設(shè)有隔離變壓器及光耦等，以隔離進(jìn)入的電流電壓信號(hào)與輸入、輸出的二進(jìn)制信號(hào)。設(shè)計(jì)良好的箱體和良好的接地屏蔽，保證共模干擾不進(jìn)入內(nèi)部的信號(hào)處理系統(tǒng)。以鋁結(jié)構(gòu)框架及外殼形成第二層。帶護(hù)環(huán)的多層板的印刷線路則為第三層。

2.2.開關(guān)場(chǎng)的各種耦合

①電容耦合；②電感耦合；③傳導(dǎo)耦合。

當(dāng)同一電纜中某芯線通過很強(qiáng)的干擾電流時(shí)，將在其它芯線感應(yīng)出干擾電壓，并在終端聯(lián)接設(shè)備上的共模與差模干擾的形式出現(xiàn)。

3.變電站的抗干擾措施

為控制裝置與繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，一方面要求二次電子設(shè)備本身具有符合要求的抗電磁干擾能力；另一方面在變電所的設(shè)計(jì)和建設(shè)中采取相應(yīng)措施，使得傳到這些二次設(shè)備上的干擾水平降低到低于它們可接受水平[1]。

3.1.在干擾源上降低干擾

首先希望在一次干擾源上降低干擾水平，但這種事情行之不易，有的不可能。在可能采取的措施中，最重要的是一次設(shè)備的接地問題，盡可能降低一次設(shè)備如避雷器、電流互感器、電壓互感器等的接地阻抗，降低因注入高頻電流時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)電位升；并構(gòu)成具有低阻抗的接地網(wǎng)，以盡可能降低變電所內(nèi)的地電位差，以降低對(duì)二次回路及設(shè)備的干擾。但無論如何，只可能降低干擾水平而不能完全避免對(duì)二次回路及設(shè)備的干擾。

3.2.二次回路上的抗干擾措施

由于一次系統(tǒng)來的電磁干擾不可避免，降低對(duì)二次回路及設(shè)備影響的基本手段是設(shè)法斷開二次回路及設(shè)備與一次回路之間耦合。普遍采用以下的重要措施：

3.2.1.屏蔽電纜兩端接地

采用帶屏蔽層的控制電纜，且屏蔽層在開關(guān)場(chǎng)和控制室內(nèi)兩端同時(shí)接地是70年代以來國(guó)際通用的一種有效的二次抗電磁干擾措施，它的好處有以下兩條：

當(dāng)控制電纜為母線暫態(tài)電流包圍時(shí)，在電纜的屏蔽層中將感應(yīng)出屏蔽電流，由屏蔽電流產(chǎn)生的磁通，將抵消母線暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通對(duì)電纜芯線的影響。

屏蔽層兩端接地，可降低由于地電位升產(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)電壓。當(dāng)雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使變電所地網(wǎng)中的沖擊電流增大時(shí)，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動(dòng)，同時(shí)地網(wǎng)的視在接地電阻也將暫時(shí)升高。當(dāng)?shù)蛪嚎刂齐娎|在上述地電位升的附近敷設(shè)時(shí)，電纜電位將隨地電位的波動(dòng)而受到干擾，如屏蔽層只在一端接地，在非接地?cái)嗟陌?duì)地與導(dǎo)線對(duì)地將可能出現(xiàn)很高的暫態(tài)電壓。

3.2.2.高頻保護(hù)的抗干擾措施

全線速動(dòng)的高頻保護(hù)作為線路保護(hù)的主保護(hù)，它具有重要的作用，構(gòu)成高頻保護(hù)通道的高頻電纜與一般控制回路電纜相比具有特殊性。高頻電纜從耦合電容器底座引下時(shí)，應(yīng)采取以下抗干擾措施：

降低底座高度，用多根線作為一次接地線，并增加一次接地線接地點(diǎn)的地網(wǎng)密度；二次電壓電纜回路不得借用一次接地線接地，按地點(diǎn)離一次接地線的接地點(diǎn)有一定距離；二次電壓引下底座時(shí)應(yīng)盡可能與一次接地線靠近，裝電纜的鐵管應(yīng)在底座處與聯(lián)通地網(wǎng)的底座鐵架聯(lián)通。

高頻同軸電纜的屏蔽層一身兼二任，除起屏蔽作用外，同時(shí)又是高頻通道的回程導(dǎo)線。如同軸電纜屏蔽層一點(diǎn)接地，在隔離開關(guān)操作空母線時(shí)，必然在另一端產(chǎn)生高暫態(tài)電壓。但屏蔽層兩點(diǎn)接地后，當(dāng)高壓電網(wǎng)發(fā)生接地故障后，當(dāng)高壓電網(wǎng)發(fā)生接地故障，接地電流通過變電所地網(wǎng)時(shí)，在兩接地點(diǎn)間的工頻地電位差將形成縱向電壓引入高頻電纜回路，所以收發(fā)信機(jī)與聯(lián)接濾波器的聯(lián)接，應(yīng)將形成線路串諧濾波的電容接到變量器與高頻電纜纜芯之間，以形成對(duì)工頻電流的抑制。同時(shí)為進(jìn)一步降低兩端間的地電位差，和盡可能降低屏蔽層兩端間因兩端接地而引入的由通過屏蔽電流引起的電壓降，與同軸電纜并聯(lián)敷設(shè)緊鄰的100mm2粗銅導(dǎo)線。該接地粗導(dǎo)線應(yīng)置于電纜溝上層，即干擾源和控制電纜中間。

3.2.3.構(gòu)造等電位面

基于微機(jī)保護(hù)裝置的重要特點(diǎn)，一是自檢能力，二是通信功能。如微機(jī)繼電保護(hù)裝置集中在主控制室，為實(shí)現(xiàn)可靠通信，必須將聯(lián)網(wǎng)的中央計(jì)算機(jī)和各套微機(jī)保護(hù)以及其它基于微機(jī)的控制裝置都置于同一等電位平臺(tái)上，這個(gè)等電位面應(yīng)該與控制室地網(wǎng)只有一點(diǎn)的聯(lián)系，這樣的等電位面的電位可隨地網(wǎng)的電位變化而浮動(dòng)，同時(shí)也避免控制室地網(wǎng)的地電位差竄入等電位面，從而保持聯(lián)網(wǎng)微機(jī)設(shè)備的地之間的電位差，保證微機(jī)保護(hù)和聯(lián)網(wǎng)通信的可靠運(yùn)行。

3.3.裝置配線上的抗干擾措施

除了在二次回路上采取措施外，在微機(jī)保護(hù)盤上對(duì)交流及直流電源導(dǎo)線也應(yīng)采取抗干擾措施。如開關(guān)場(chǎng)進(jìn)線在繼電保護(hù)盤端子處經(jīng)電容接地，這是因?yàn)榭刂齐娎|電磁干擾中電母線傳到控制回路，控制電纜的屏蔽對(duì)這種干擾無能為力。在二次回路端子上出現(xiàn)共模干擾，還由于屏蔽層屏蔽作用不理想，通過控制電纜所具有的一定值的轉(zhuǎn)移阻抗，也會(huì)有一定的殘留電壓。另外，一個(gè)共模干擾的來源，是控制電纜屏蔽層引出接地線在一次設(shè)備端子因通過高頻屏蔽電流所產(chǎn)生的高頻電壓。由于以上原因，除了采用屏蔽電纜以外，還應(yīng)該在開關(guān)場(chǎng)進(jìn)線的繼電保護(hù)盤端子上對(duì)地接入高頻濾波回路，而最為簡(jiǎn)便的是在這些端子上接入對(duì)地電容。

3.4.在保護(hù)裝置本體及硬件上采取的抗干擾措施

①保護(hù)裝置的箱體必須經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可靠接地，所有隔離變電器的一、二次繞組間必須有良好的屏蔽層，屏蔽層應(yīng)在保護(hù)屏可靠接地。②保護(hù)裝置只能以空觸電或光耦輸出。③外部引入至微機(jī)保護(hù)的空觸電，進(jìn)入保護(hù)應(yīng)經(jīng)光電隔離。④ CPU插件總線不外引。⑤模擬量輸入通道加光耦。⑥背板走線采用抗干擾設(shè)計(jì)。

3.5.在二次回路上采取的另外一些抗干擾措施

①弱電和強(qiáng)電不合用一根電纜。②保護(hù)用電纜與電刀電纜不同層敷設(shè)。③保護(hù)用電纜敷設(shè)路徑應(yīng)盡可能離開高壓母線及高頻暫態(tài)電流入地點(diǎn)，應(yīng)與高壓母線垂直，最好不要平行敷設(shè)。④由同一設(shè)備引出的所有電纜，在開關(guān)場(chǎng)必須靠攏在一起。

4.結(jié)論

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)為了能在變電站的強(qiáng)電磁環(huán)境中安全可靠運(yùn)行,需要滿足以下2個(gè)方面的條件:

(1)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置應(yīng)該具有一定的耐受電磁干擾的能力,同時(shí),這些裝置本身也不應(yīng)對(duì)周圍的電力設(shè)備產(chǎn)生不允許的干擾,即應(yīng)該有電磁兼容性;(2)確保引入裝置的電磁干擾必須低于裝置本身的耐受水平。

前1條要求主要應(yīng)由裝置的研發(fā)、制造部門滿足;后1條要求主要應(yīng)由變電站的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、管理部門來保證。特別是設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì),具有至關(guān)重要的作用。實(shí)踐證明,只要滿足了這些要求,發(fā)變電站中的"干擾"問題是完全可以解決的。

[1]朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原埋及技術(shù).中國(guó)電力出版社.2003.

[2]賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理 [M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.