淺析開關(guān)操作暫態(tài)電壓對(duì)變電站二次電纜的電磁干擾

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的科學(xué)紀(jì)元，電力能源已經(jīng)成為人們生活中重要的組成部分，如何給用戶輸送安全有效的可靠電能已成為所有電力企業(yè)都需要解決的主要問(wèn)題。開關(guān)操作的時(shí)候暫態(tài)電壓對(duì)變電站二次電纜所產(chǎn)生的電磁干擾是電力輸送的一個(gè)障礙。對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾電壓和特征進(jìn)行分析，并提出相關(guān)降低二次干擾的有效措施。

關(guān)鍵詞：開關(guān)操作；暫態(tài)電壓；變電站；電磁干擾

作者簡(jiǎn)介：余石明（1982-），男，廣東翁源人，廣東電網(wǎng)公司肇慶供電局管理所，工程師。（廣東 四會(huì) 526200）

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）06-0234-02

電網(wǎng)自動(dòng)化水平隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的提高，取得了令人滿意的進(jìn)步。關(guān)于變電站的相關(guān)設(shè)備，諸如系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)收集還有系統(tǒng)通信等得到了越來(lái)越細(xì)密的劃分和歸類，但是這些設(shè)備本身都存在著弱電。信息設(shè)備的發(fā)展和推廣讓變電站脫離以往人工監(jiān)督的方式，進(jìn)入了無(wú)人值守的自動(dòng)化進(jìn)程。變電站要采用怎樣的方法才能夠保證監(jiān)控設(shè)備工作不會(huì)出現(xiàn)故障，對(duì)百姓生活不會(huì)造成影響，是當(dāng)前變電站運(yùn)行是否有所保障的重要前提。

對(duì)于變電站中弱電設(shè)備產(chǎn)生影響的因素當(dāng)中，暫態(tài)電磁干擾是其中一個(gè)重要的因素。因?yàn)殚_關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)電磁，這些電磁對(duì)變電站監(jiān)控設(shè)備有一定程度干擾作用，由此導(dǎo)致監(jiān)控設(shè)備難以工作而陷入癱瘓的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。較為典型的例子是20世紀(jì)90年代廣西來(lái)賓500kV變電站，因?yàn)檫M(jìn)行遠(yuǎn)方操作將220kV空母線開關(guān)切合隔離的時(shí)候，在隔離開關(guān)拉弧的過(guò)程中其操作機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)電源熔絲燒斷，導(dǎo)致操作機(jī)構(gòu)失去了電源，這些事故的多次發(fā)生對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。每一次變電所進(jìn)行開關(guān)操作的時(shí)候都有大量的電磁暫態(tài)出現(xiàn)，而這些電磁暫態(tài)本身的次數(shù)、波形變化還有幅值都和變電所的電壓、類型有密切關(guān)系，隔離開關(guān)切換操作所產(chǎn)生的暫態(tài)無(wú)論在次數(shù)還是幅值方面都要比斷路器大很多，而這樣操作過(guò)程中沒(méi)有恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，這也就會(huì)造成對(duì)二次電纜的電磁干擾。本文著重討論變電站開關(guān)操作時(shí)對(duì)接入弱電設(shè)備的二次電纜所造成的暫態(tài)電磁干擾及其產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)、保護(hù)措施等。

一、二次電纜電磁干擾原理

高壓母線上面存在的暫態(tài)過(guò)程可以通過(guò)電磁場(chǎng)，讓二次電纜發(fā)生輻射干擾現(xiàn)象，除此之外還有靜電以及電磁感應(yīng)耦合等方法讓二次電纜發(fā)生干擾現(xiàn)象，這些都會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生干擾。而屏蔽層兩端接地存在的二次電纜，因?yàn)槠帘螌幼陨硭邆涞目垢蓴_效果，減少了上面兩種產(chǎn)生干擾方式所能產(chǎn)生的影響。而高壓母線所產(chǎn)生的干擾經(jīng)過(guò)電流互感器或者電容耦合式電壓互感器本身二次側(cè)或者法拉第屏蔽層之間給電容提供寄生的場(chǎng)所，通過(guò)容性耦合得到二次側(cè)方向，高壓母線上面的電流以及暫態(tài)電壓，以耦合的方式直接屏蔽，或者在電流互感器或者電容耦合式電壓互感器當(dāng)中二次電纜內(nèi)部導(dǎo)線寄生。

當(dāng)前最為常見的也是本文所主要研究的是，開關(guān)操作的時(shí)候暫態(tài)電壓通過(guò)CCVT耦合方式在二次電纜當(dāng)中所產(chǎn)生的電磁干擾。

變電站當(dāng)中使用的電壓互感器能夠?qū)⒁淮蝹?cè)交流高電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變成可以受到測(cè)量、控制以及保護(hù)等可提供給繼電保護(hù)裝置或者儀表使用的二次側(cè)低電壓。電壓互感器的一次繞組和需要受到測(cè)量、保護(hù)或者控制的，諸如母線或者變壓器等設(shè)備并聯(lián)，二次繞組則和需要受到控制、測(cè)量或者保護(hù)的相關(guān)裝置的電壓線圈連接到一起，這樣能夠讓一次側(cè)還有二次側(cè)的高壓和低壓電路相互被隔離。電容式電壓互感器的主要組成部分為：電容分壓器、電磁式電感互感器等電磁單元；電容分壓器則是由許多電容器串聯(lián)組成，在高壓導(dǎo)線和地之間接起。在電容分壓器恰當(dāng)?shù)奈恢弥袑⒅袎憾俗舆€有電磁單元之間的連接引出來(lái)。

高壓開關(guān)在操作的時(shí)候，高壓母線上會(huì)出現(xiàn)高頻暫態(tài)電壓，這種電壓有可能以CCVT作為渠道，對(duì)二次電纜本身的末端造成電磁干擾。

在圖1中，所表示的是暫態(tài)電壓通過(guò)CCVT耦合方式干擾出現(xiàn)時(shí)候所經(jīng)過(guò)的路徑和原理。當(dāng)暫態(tài)電壓UB發(fā)生作用時(shí)可以通過(guò)CCVT的部分設(shè)備，諸如接地網(wǎng)、接地引線電感或者分壓電容等作用使得干擾電位出現(xiàn)。這個(gè)電位對(duì)于CCVT的二次側(cè)來(lái)說(shuō)是發(fā)揮干擾源的作用，這個(gè)干擾源通過(guò)接地引線電感、地阻抗還有二次繞組和CCVT本身屏蔽層之間存在的寄生電容將會(huì)在二次電纜里面一次端滋生的干擾電壓。二次電纜要接到控制室，作為對(duì)繼電進(jìn)行控制或者保護(hù)的輸入信號(hào)，本身的長(zhǎng)度范圍在幾十至千米之間。干擾電壓波通過(guò)這個(gè)二次電纜將其傳播到二次電纜末端處，在監(jiān)控系統(tǒng)則會(huì)出現(xiàn)干擾電流和電壓。實(shí)驗(yàn)表明，二次電纜越長(zhǎng)，所受的干擾越大。

二、開關(guān)操作產(chǎn)生暫態(tài)電磁干擾的特點(diǎn)

每一次變電站開關(guān)操作均產(chǎn)生大量電磁暫態(tài)，其次數(shù)、幅值及波形變化取決于變電站類型、電壓、所操作的開關(guān)類型及其切換速度等。

隔離開關(guān)切換所產(chǎn)生的暫態(tài)幅值及次數(shù)要比斷路器大得多，導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是斷路器本身的切換速度相對(duì)于隔離開關(guān)要快很多。另一方面，斷路器自身帶有效果良好的滅弧措施和振蕩限制措施。一個(gè)隔離開關(guān)的慢動(dòng)作，其能夠產(chǎn)生的暫態(tài)次數(shù)最高可以達(dá)到上萬(wàn)，而操作快的也可以產(chǎn)生最少幾十次的暫態(tài)次數(shù)。切換速度和電磁暫態(tài)總次數(shù)之間呈現(xiàn)反比關(guān)系，其速度越快則產(chǎn)生的電磁暫態(tài)總次數(shù)則越少。操作所產(chǎn)生的暫態(tài)，其相對(duì)幅值的變化很大，通常情況下是分閘到最后與剛開始合閘的時(shí)候其幅值最大。

暫態(tài)切換時(shí)主頻率會(huì)出現(xiàn)較大變化，一般會(huì)在幾百千赫茲至上百兆赫茲之間。與變電站的電壓表現(xiàn)出反關(guān)聯(lián)的關(guān)系，這是由于變電站自身的電壓等級(jí)高，需要占據(jù)的面積也會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大，電波傳導(dǎo)所需時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。對(duì)于相同電壓等級(jí)的變電站，斷路器的切換暫態(tài)頻率相對(duì)于隔離開關(guān)要高許多。

三、開關(guān)操作暫態(tài)電磁干擾防護(hù)措施

要讓二次干擾的影響和危害最大程度地降低，主要從以下兩個(gè)方面著手：避免出現(xiàn)干擾，讓干擾源能夠產(chǎn)生的干擾幅值最大程度下降減少；提高電力設(shè)備本身抗干擾的能力。具體操作主要分為以下幾個(gè)方面：

當(dāng)高壓母線上面存在有高頻電流通過(guò)的時(shí)候，會(huì)在二次回路感應(yīng)出干擾電壓的存在，所以二次回路的電纜和母線之間的距離要盡量拉遠(yuǎn)，同時(shí)也將其平行的長(zhǎng)度縮短，這樣能夠減少電磁耦合的狀況。弱電回路和高頻暫態(tài)電流的入流點(diǎn)之間也要盡可能保持距離，在變電站內(nèi)較為常見的就是二次電纜回路和避雷器與避雷針這些設(shè)備的接地點(diǎn)保持一定距離，以降低高頻電流通過(guò)該類設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。

二次電纜的布線需要科學(xué)合理。在變電站籠罩的范圍之內(nèi)存在著強(qiáng)度很高的電磁場(chǎng)，而這個(gè)電磁場(chǎng)本身的分布也極為復(fù)雜，所以要在二次電纜的走向位置，以樹枝式或者輻射式為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)敷設(shè)，盡可能不出現(xiàn)環(huán)狀回路的設(shè)計(jì)，這是為了避免和電磁場(chǎng)出現(xiàn)交鏈的情況。在應(yīng)用的過(guò)程中，需要將每一個(gè)回路的往返導(dǎo)線有意識(shí)的安排，一般是安排在同根多芯的電纜里面，這樣做能夠讓干擾電壓本身的強(qiáng)度降低。

弱電回路和強(qiáng)電回路兩者的芯線在布置的時(shí)候切忌一起放置在同一根電纜里面敷設(shè)，這不僅是為了考慮設(shè)備絕緣和人身設(shè)備的安全因素外。更重要的是為了避免強(qiáng)電回路自身產(chǎn)生的暫態(tài)干擾信號(hào)，通過(guò)芯線間存在的電容耦合再次傳遞到弱電回路當(dāng)中。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，就算將電纜屏蔽層雙端接地也不能夠?qū)⒏蓴_完全消除。弱電和強(qiáng)電兩者的電纜在敷設(shè)的時(shí)候不能靠近或者平行，更加不可以將設(shè)備里面的兩者扎在一起。如因施工現(xiàn)場(chǎng)限制必須在短距離內(nèi)平行敷設(shè)的，二次電纜與高壓電纜之間必須保持不少于3厘米的距離，以將干擾影響降至最低。

采用先進(jìn)的兩層或者三層屏蔽技術(shù)，改善電纜的屏蔽狀況。質(zhì)量好的屏蔽可以讓傳遞阻抗有效減少，進(jìn)而傳遞阻抗耦合也會(huì)因此而有所減少。使用多層屏蔽電纜能夠收到預(yù)期的效果，二次電纜屏蔽層使用的是鋁、銅等不同的材料，能夠讓高頻干擾侵入程度降到最低，使屏蔽層里面渦流所導(dǎo)致的屏蔽效果及折反射引發(fā)的屏蔽效果得到進(jìn)一步加強(qiáng)。對(duì)于屏蔽層的設(shè)計(jì)，主要方法除了采用常見的屏蔽層兩端接地外，還采用盡量少用與導(dǎo)線平行的引線或者盡可能將引線縮短，用屏蔽層的同軸端取代的方法，將引線耦合效應(yīng)減少。

在變電站的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，除了加強(qiáng)二次電纜屏蔽效果外，還可以采用抗電壓沖擊的保護(hù)設(shè)備，以達(dá)到抑制設(shè)備入口位置干擾的效果。對(duì)于像TA或者是CCVT二次側(cè)這種和高壓導(dǎo)線間存在有傳導(dǎo)耦合關(guān)系的設(shè)備，更應(yīng)該充分考慮使用該類設(shè)備。有相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行研究表明，在500kV隔離開關(guān)投切空載母線進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，對(duì)母線電壓互感器進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，結(jié)果顯示母線電壓互感器到母線保護(hù)柜之間的電纜備用芯上面存在電壓回路峰值電壓最高可以達(dá)到6.8kV，電壓這么高的情況下如果沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施很可能會(huì)導(dǎo)致弱電設(shè)備受到損壞。因此除了在二次設(shè)備的保護(hù)屏、匯控柜安裝二次避雷器外，在二次設(shè)備的入口相連位置，傳統(tǒng)的中間互感器更換為隔離變壓器或者是在二次電源回路中接入限壓繼電器以預(yù)防高電壓串入二次回路，這是降低電磁干擾的有效措施。

四、小結(jié)

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷提高，越來(lái)越多的弱電設(shè)備被應(yīng)用于高壓變電站，討論暫態(tài)電磁干擾對(duì)弱電設(shè)備正常工作的影響顯得尤為重要。開關(guān)操作是變電站暫態(tài)電磁干擾的一個(gè)重要來(lái)源。本文對(duì)其產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)進(jìn)行分析和討論，并提出了幾種行之有效的防護(hù)措施。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和專業(yè)技術(shù)人員的不斷深入探究，相應(yīng)的防護(hù)措施將會(huì)越來(lái)越完善，變電站設(shè)備的供電可靠性也會(huì)越來(lái)越高，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的供電需求保駕護(hù)航。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）