提高變電站微機型保護裝置抗干擾能力的措施探討

張壬寅

摘 要：變電站的安全運行是電力系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎。目前微機型保護的廣泛應用，其抗干擾問題越來越受到人們的重視。本文以變電站存在各種主要干擾源的分析，對提高微機型繼電保護裝置的抗干擾水平的措施進行探討。

關鍵詞：變電站 干擾 微機繼電保護 措施

1.前言

變電站是一個具有高強度電磁干擾源的特殊環(huán)境，裝設在變電站內的繼電保護和自動裝置總是受到正常運行、故障情況和某些特殊情況下產生干擾的侵害。影響繼電保護和安全自動裝置的干擾主要包括來自直擊雷對一次系統(tǒng)的干擾、系統(tǒng)發(fā)生故障短路電流的干擾、在變電站內進行斷路器，隔離刀閘的操作引起的電氣回路狀態(tài)變化等等，也包括來自二次回路本身的干擾：例如斷開直流回路電感線圈、近距離使用對講機、手機、人身靜電對設備外殼放電、電纜的對地電容、交流成份竄入直流回路、微機保護的算法等。

變電站的一次回路和二次回路本身的電磁干擾，通過感應、傳導和輻射等途徑傳入到繼電保護裝置中的電子元件上的。當干擾水平超過裝置邏輯元件允許的干擾水平時，將引起裝置邏輯回路的不正常工作。從而使整個裝置的工作邏輯或出口邏輯異常，這將會導致繼電保護裝置在正常情況下誤動、誤跳開關，系統(tǒng)故障情況下拒動或誤動擴大事故范圍。這些將對系統(tǒng)安全穩(wěn)定造成嚴重的后果。

2.常見干擾分析

2.1直擊雷影響

直擊雷對變電站的一次、二次設備都產生很大的影響， 有研究結果表明，對于干擾而言：雷擊相似于幅值。平均為25kA的沖擊型電流源，其上升時間從1μs到大于50μs，衰減到一半幅值的時間從幾十μs到幾百μs不等。無論直擊雷落在變電站的什么部位上，最終的雷擊波都將經母線傳播，并經避雷器入地。由于電與磁之間的耦合，會在導線與地面之間產生干擾電波，這種干擾在屏蔽電纜中感應的電壓波形決定于電纜本身的諧振頻率。對于普通的屏蔽電纜，在嚴重雷擊時其干擾將超過1kV。雷擊的另一重要影響是雷擊電流流入大地后產生的暫態(tài)地電位升高。當變電站接地部位遭受直接雷擊或雷擊電流經避雷器入地時，高頻電流會因為地網的高電阻，從設備到地網接地線的接地阻抗等等引起的暫態(tài)地電位升高。

2.2接地故障時的工頻干擾

當變電站內發(fā)生接地故障時，變電站接地網往大地中會流過接地故障電流，由于地網存在的接地電阻，使接地故障后的變電站接地網電位高于大地電位，其幅值由地網接地電阻及入地電流的大小所決定，按我國有關規(guī)程規(guī)定其最大值可達每千安故障電流10v。

2.3倒閘操作引起的高頻干擾

斷路器的倒閘操作和隔離開關帶電分合空母線（如旁路母線）等是變電站內對二次回路及二次聯(lián)接設備產生高頻干擾的主要來源。對于隔離開關向空母線充電可等效為隔離開關合閘于不帶電的純電容負荷。

當隔離開關動靜觸頭逐漸靠近時，兩觸頭間電場隨之強度增大，直到發(fā)生拉弧現(xiàn)象。由于隔離開關操作速度較慢，第一次拉弧多數(shù)發(fā)生在電源側工頻電壓最大值附近，當閃絡拉弧開始，電流將通過隔離開關觸頭向電容迅速充電。在電容充滿電時， US于UL間壓差為零，此時觸頭間電源側的電容充電的回路自然中斷。通過零電位點后，由于電源側US幅值和相位隨著工頻電壓變化，導致US與UL之間的壓差又開始增大，當電壓大于擊穿電壓時，開關觸點第二次被擊穿。同時又對電容快速充電。伴隨著觸頭間隙逐步靠近，隔離開關動靜觸頭間擊穿電壓也逐步降低，每一次閃絡拉弧的電壓幅值也越來越小。所以合閘過程中所產生的高頻干擾是逐步降低的，而隔離開關拉開空母線的情況則與上述過程完全相反。

隔離開關帶電合空母線在開始閃絡拉弧的初始階段將產生每秒鐘二三百次的再點弧過程。每次都將產生前沿很陡的電流與電壓波，這些波沿母線傳播，并經母線終端或各種電容器設備注入地網（例如電容式PT），行波在每一個斷點處都產生反射，從而產生各種高頻振蕩，其頻率范圍一般為50kHz至5MHz之間。這些高頻振蕩與二次回路耦合會感生出強烈的干擾。

2.4輻射干擾

使用手機、對講機時會產生強輻射電場和相應的磁場， 在附近的半導體器件回路中會由于變化的磁場而感應出高頻電壓從而形成一個假的信號源，在經過整流后可能會將數(shù)字回路的邏輯電位偏移甚至造成邏輯混亂，實驗發(fā)現(xiàn)在一些收發(fā)訊機、錄波器1M范圍內使用手機、對講機，收發(fā)訊機、錄波器都會啟動。由此可見輻射干擾對保護裝置的影響是不容忽視的。

2.5直流電源干擾

對于直接電源的干擾主要有兩個方面，其一是直流回路上發(fā)生故障或其它原因產生的短時電源中斷與恢復。因為抗干擾電容與分布電容的影響，直流的恢復可能極短，也可能較長，在直流電壓的恢復過程中，電子設備內部的邏輯回路會發(fā)生畸變，造成繼電保護功能紊亂而引起誤發(fā)信號，誤輸出跳閘命令的錯誤動作行為；另一種情況是因外部原因致使直流回路中竄入交流分量，這種情況對經長電纜自變電站引入保護裝置的控制及信號回路都有很大的影響。也就是說直流電源中一旦串入交流成份，便會影響繼電保護設備的動作行為，對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成很大的破壞。

2.6靜電放電干擾

在干燥的環(huán)境下，工作人員的衣物上可能會帶有高電壓，在穿絕緣鞋的情況下，所以當工作人員接觸電子設備時會對其放電，放電的程度依設備的接地情況，環(huán)境不同而不同，嚴重時會燒毀電子元件。

3.抗干擾措施

3.1變電站的抗干擾措施

3.1.1控制電纜屏蔽層應在兩端同時可靠接地。

設計規(guī)程規(guī)定：變電站中所有用于連接由開關場引入二次設備室微機型繼電保護裝置的電纜即電流、電壓和控制、信號回路電纜都應當在開關場和二次設備室兩端將屏蔽層可靠接地，這樣可有效的抑制靜電干擾，對電磁干擾和高頻干擾也有很好的抑制作用。

3.1.2全站敷設專用的二次接地銅網

根據國家電網公司的“反措”要求，規(guī)定在變電站開關場、高壓開關室到二次設備室敷設100mm2的銅排，構成變電站二次專用接地網，連接所有的屏蔽電纜的兩端接地點，這樣可有效減少地網接地電阻，降低變電站各點電位差，防止地電位升高造成的干擾，提高屏蔽電纜抗電磁干擾效果。

3.1.3 CT、PT二次回路必須并只能一點接地。

根據我國《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》中的規(guī)定：CT（電流互感器）的二次回路應有一個接地點，并在配電裝置附近經端子排接地，對于有幾組CT聯(lián)結在一起的保護裝置（例如母線差動，變壓器差動，發(fā)電機差動保護等），則應在保護屏上經端子排接地，PT（電壓互感器）二次回路只允許有一處接地，接地點宜設在控制室內，并應牢固焊接在接地母線上。

CT及PT二次回路必須并只能一點接地，是為了人身和二次設備的安全，同時提高抗干擾能力，防止因為互感器一、二次線圈間的分布電容和二次回路的對地電容導致一次高壓引入二次回路。達到保證安全的目的。

3.1.4交流回路、直流回路不可混用在同一根電纜內，強電、弱電不共用一根電纜。

設計規(guī)程這樣的規(guī)定能降低不同電壓等級和交直流之間電磁耦合的干擾，同時還避免了因同一根電纜中的芯線間絕緣損壞而串入不同類型的電源，而引起保護邏輯的混亂。

3.1.5變電站其它抗干擾措施

盡可能降低一次設備：如避雷器、CT、PT等的接地電阻；降低因注入高頻電流時產生的暫態(tài)電位差，構造一個低阻抗的接地網；盡可能降低變電站內的地電位差，用以降低對二次回路及保護設備的干擾。

以上措施只能是最大限度的將干擾降到最低，卻并不能完全消除。

3.2微機保護裝置及保護的軟件抗干擾措施

3.2.1微機保護裝置本身的抗干擾措施

（1） 微機保護裝置的箱體必須可靠的接地；

（2）微機保護所有交流量和直流電源進線需先經過抗干擾電容接地，然后才接入保護裝置內并應遠離直流操作回路的導線和高頻輸入輸出的導線，更不能綁扎在一起。

（3）交流量經過隔離變換器，直流輸入經過逆變電源，且變換器及逆變電源的所有一、二次繞組間必須有良好的屏蔽層，屏蔽層應在保護屏上良好接地。

（4）開入量經光電隔離后引入，開出量經過光電隔離輸出。

（5）保護裝置的出口經過三取二閉鎖。

（6）對于微機保護在每一個CPU上均應配有硬件自復位電路（看門狗）。

3.2.2微機保護在軟件上采取的抗干擾措施

（1）對RAM自檢

RAM中存放著保護的運算數(shù)據，自檢的方法是由CPU先向RAM中寫入一個數(shù)據，緊接著再從該地址中取出該數(shù)比較是否一致，通過這種方法來檢驗RAM工作的是否正常。

（2）對EPROM 的檢測

EPROM中存放的是保護工作的程序，它是保護裝置的靈魂，對它的自檢方法是對EPROM 內每一個地址里的機器碼進行一種特定的數(shù)據運算，最后得到一個數(shù)，而這個數(shù)則存放在 EPROM的最后一個地址中，微機保護在正常運行時也用這種特定的運算方法對EPROM中的數(shù)據進行運算，若 EPROM正常，則運算結果與最后一個地址中數(shù)據相同（這個數(shù)也即我們常說的CRC 校驗碼），若運算結果與 CRC校驗碼不同，則告警。

（3）對E2PROM 的檢測

E2PROM是微機保護用來存放定值的，對它的檢測類似于EPROM的檢測，不同的是微機保護在固化定值的同時也會固化一位運算CRC碼到該定值區(qū)的最后一位，正常運行時的自檢會對相應區(qū)的定值進行運算之后再和該CRC碼比較，來檢驗E2PROM的正確性。

（4）開入回路檢查

在微機保護上電時會對所有開入全面檢查，確認常開與常閉狀態(tài)的開入量有那些并儲存這些開入量的狀態(tài)，在微機保護巡檢過程中只需將實際采集到的開入量與上電時的狀態(tài)比較即可。

（5）各CPU插件與人機對話插件的巡檢

MMI先向各CPU發(fā)送問候信號，之后CPU向MMI返回一個正常信號，若CPU不返回信號或返回異常信號，則告警，若MMI長期不向CPU發(fā)信號，則CPU驅動一個巡檢終斷繼電器，發(fā)巡檢終斷信號。

（6）跳閘指令的跳閘入口合理輸出

微機保護發(fā)出跳閘命令的過程可以通過一定方法來防止因外部干擾而誤發(fā)命令，如圖1 所示。

圖1

在微機保護進入跳閘程序后，先發(fā)出第一個跳令，之后就按系統(tǒng)故障時保護出口的順序檢查某些標志位（如：啟動標志位QDB=1？，測量元件動作位=1？等等），若這些標志位狀態(tài)正確，再發(fā)跳令2，同樣經過檢查相應的標志位后才會真正輸出跳令，若是某些干擾使程序進入跳閘入口，則肯定無法通過標志位的檢查，所以微機保護可以通過這種方法來提高出口回路的抗干擾能力。

4.結語

微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)是變電站的重要組成部分，是整個變電站二次設備的核心部分，其正確可靠運行直接關系到整個電網的安全可靠。以上通過對變電站的幾種主要干擾源的分析，并結合我局對該類問題的實際解決措施，較為全面闡述對微機型繼電保護裝置采取抗干擾措施的重要性和必要性，隨著電網的發(fā)展、微機設備廣泛應用，抗干擾工作仍需不斷深入提高。

參考文獻：

[1]中國電力出版社.電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點。

[2]劉亞超，吳旺東.電網微機保護抗電磁干擾措施.江蘇電器.2003，04