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北极星电力网技术频道 作者:3 2007/12/21 15:04:40
(1.电力规划设计总院，北京100011； 摘要：继电保护设备直接安装在开关场地中，成为500kV变电所建设的一种发展趋势。目前全国采用保护下放到就地保护小室安装的已投运变电所有五十多个，为保证电力系统安全稳定运行，必须对变电站电磁干扰性质、传导方式、设备的电磁兼容性、抗干扰措施和效果等进行深入研究。分析了变电站及自动化设备的电磁环境，并根据实验结果对二次设备抗干扰措施等进行论证。
2.长春电力建设监理有限公司，吉林长春130001)
关键词：分散式布置变电站；电磁干扰；屏蔽；接地
500kV变电站具有电压高、容量大、控制对象多等特点。因此，对二次设备的自动化水平、可靠性、抗干扰性能要求更严格。二次设备的分散布置方式比二次设备集中布置方式更适合这种要求，并且计算机技术和通信技术的发展为变电站自动化水平的提高创造了有利条件。另一方面，由于二次设备下放后工作环境的恶劣，系统的可靠性和抗干扰问题变得更加突出。本文希望通过对变电站干扰源、传导途径、抗干扰措施的分析，为这种布置方式在后续工程中的设计和应用供作参考。
1变电站的主要干扰源及其耦合方式［１］
变电站在正常运行和故障情况下都易产生各种电磁干扰。主要有：
(a)正常运行的一次设备；(b)雷电在高压母线的高频行波；(c)一次系统的短路故障及断路器或隔离开关操作引起的暂态过程；(d)局部放电；(e)二次回路自身干扰，如继电器触点断开电感元件引起暂态干扰电压；(f)无线电通信设备干扰。
电磁干扰途径可分为电场耦合、磁场耦合和电磁场辐射。其主要原因有：
(a)电场干扰是由二次回路对地阻抗(共模阻抗)和一、二次回路间的耦合阻抗而加到二次回路的，达到一定程度会引起二次设备不正确动作或绝缘击穿；
(b)磁场干扰是由于一、二次回路存在互感引起的，在二次回路产生干扰电压；
(c)电磁波辐射干扰是一次系统产生的高频电磁波通过空间辐射形式传播到二次系统而形成差模或共模干扰；
(d)公共阻抗耦合是当雷击或短路电流流入地网时，尽管地网电阻很小，但毕竟不为零，因而使地电位升高，且各点电位也不同，造成对二次设备干扰和不正确动作。
2不同布置方式变电站特点
500kV变电站二次设备布置方式，有集中布置和分散布置两种。集中布置是将变电站中所有的控制、保护和自动装置都集中在主控室内。分散布置是将继电保护、测控装置等二次设备按电压等级分散布置到各配电装置的分控室内。分散布置与集中布置变电站的优、缺点见表1。
3变电站电磁兼容环境分析
3.1二次设备抗干扰性能指标及试验
控制和保护设备的抗骚扰性能是保证电力系统安全可靠运行的重要条件，保护下放则对控制和保护设备的抗骚性能提出了更高的要求。分散布置的二次设备不仅要求制造质量好，年运行率高，还需达到相应的电气设备电磁兼容性国际标准。对应于变电所的电磁骚扰现象，经国家经贸委2000.11.03批准，DL/Z713-2000《500kV变电所保护和控制设备抗扰度要求》已作为电力行业编制指导性技术文件执行，表2为抗扰度试验项目和试验等级。
注：信号线包括电压信号、电流信号、网络线、四遥线等.
在以上的标准中，Ⅳ级快速瞬变干扰是较主要的一项。根据国际国内类似布置变电站运行经验证明，达到上述标准的二次设备是满足分散布置电磁兼容性要求的，不致因干扰而误动作。
3.2分散布置变电站二次设备抗干扰措施
(1)二次设备的工作电源［２］
保护、测控装置的工作电源大部分是从电网中交流220V交换为直流供电，而电网的噪声就有可能通过电源电路干扰装置内部电子电路，因此抑制电源的干扰是二次设备稳定可靠运行的基本前提。抑制电源干扰措施为：
(a)采用宽工作电压范围并有隔离作用的开关电源，以提高抗电网电压跌落能力；
(b)采用TVP(TransientVoltageSuppressor)抑制尖峰和浪涌干扰；
(c)采用电源滤波器抑制高频干扰；
(d)分布式供电结构(DistributePowerArchitecture-DPA)具有二次稳压效果，兼有线路滤波作用。
(2)测控、保护设备的本体电磁兼容性设计［２，３］
(a)采用低功耗、工作电压范围宽、噪声容限高的芯片及总线不出芯片技术；
(b)模拟量输入回路、开入/开出回路及通信接口采用光电耦合器件隔离；
(c)CPU冗余设计；
(d)印刷电路板抗干扰设计；
(e)采用设备接地及屏蔽措施。
(3)分控室及与主控空间二次线路的抗干扰措施
(a)二次电缆屏蔽层接地，特别是两端接地对电磁场高频干扰很有效。对于传输敏感信号的二次电缆，选择双层屏蔽电缆，且外屏蔽层两点接地，内屏蔽层一点接地［４］。在干扰严重的地方采用光纤；
(b)采取均衡地电位、分流等措施。沿电缆沟铺设并联接地导体后可减少50～90的感应电压；
(c)分控室采用六面屏蔽措施以抵御电磁辐射干扰，尽量减少屏蔽缺口。采用以上措施后，屏蔽效能远高于40dB的要求；
(d)分控室与主控室间采用光纤网络联系、直流电源设备按保护小室配置，电缆不出保护小室外，能有效防止传导类干扰；
(e)保护小室进入开关场内，如将保护收发信机装配在保护小室的保护屏，会缩短高频电缆长度，削弱了短路电流对保护通道的干扰。
(4)软件抗干扰方法
窜入二次系统的干扰频谱较宽且具有随机性，采用硬件抗干扰措施只能抑制某一频段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，常采用以下软件抗干扰措施。
(a)数字滤波方法；(b)输入信号重复检测法；(c)输出端口数据刷新；(d)软件拦截技术(指令冗余、软件陷阱)；(e)“看门狗”技术。
4已投运变电所的现场实测数据分析
4.1变电所电磁骚扰现场测试
4.1.1三个实例
实例一：为比较冲击场的直接辐射和传导骚扰对于受试设备的影响结果，将受试设备(两台计算机)分别采用就地供电和市电供电两种方式。就地供电，就是使用不间断电源(UPS)，电源线长度小于0.5m，尽量减少传导骚扰强度。市电供电就是采用电网电源，电源线采用长度大于10m的双芯未屏蔽的胶皮电缆。试验结果是，在最高峰值达790kV若干个冲击电压下，市电供电的计算机多次出现死机的情况，而就地供电的计算机则正常。这说明：①冲击电场的直接辐射对受试设备的影响很小；②冲击电磁场在较大尺寸的受试设备(包括电源线等其他外连电缆)上会产生耦合作用，并通过电源线信号线进入设备，形成传导骚扰。
实例二：在南昌变的投产调试中，为了直观的了解设备在断路器和隔离刀闸操作时的运行情况，直接在隔离刀闸之下布置了一台普通486计算机。在断路器和刀闸的操作过程都经过之后，486计算机始终正常运行着专门设计的程序。这说明这些操作所产生的暂态电磁场不影响计算机的运行。
实例三：国外采用电视机为试品，针对直接辐射和传导的耦合效率进行了试验。结论是，在辐射场中，通过耦合进入受试设备的连接电缆所形成的共模电流是最为显著的干扰因素。当设备的尺寸小于干扰电磁场波长的一半时，电磁场通过连接电缆耦合产生的干扰比直接从设备壳体进入设备而产生的干扰更主要。
4.1.2电磁骚扰现场测试数据及分析
为积累我国高压变电所中的电磁环境数据，武高所在南昌、益阳、长沙、孝感和新乡等变电所进行了电磁骚扰现场测试，其结果是：
(a)无论是操作刀闸还是断路器，产生的暂态磁场的主波形基本相同，基本上是阻尼振荡过程，但主频率不同。南昌变的磁场主波形的频率在150～800kHz的频率范围内，磁场的幅值在10A/m以内。其它四个变电所的磁场波形的频率在100～300kHz的频率范围内，磁场的幅值(峰-峰值)在数百A/m范围内，比南昌变的测量值明显增大。如新乡变隔离刀闸合空载母线时，地面上2米处磁场峰-峰值：300A/m，频率：100～200kHz。孝感变隔离刀闸合空载母线时地面2米高度处磁场峰-峰值：225A/m，频率：100～200kHz。
(b)操作刀闸与断路器时，母线上的操作暂态电流产生的辐射场会在电缆上感应共模脉冲骚扰电压。其中，刀闸操作时，产生的共模脉冲电压较大，断路器操作时较小。电缆上的共模脉冲干扰电压可达几百伏。南昌变测量的电压在400V左右；
(c)220V电源线上产生的共模干扰电压的幅值较大，并以脉冲的形式出现。几个站测量的干扰正脉冲的幅值最大为1.76kV，负脉冲的幅值最大为1.3kV。
(d)操作刀闸和断路器时，在CT二次侧产生的干扰暂态电流的波形为阻尼衰减振荡波。南昌变电流波形的频率在0.8～1.5MHz之间，幅值从几十安培到几百安培，暂态干扰电流最大为334A。其它四个变电所的电流波形的频率在100～300kHz之间，幅值约几十安。
以上电磁骚扰测试所得到的关于变电所骚扰的参数，与表2的抗扰度试验的标准相比，虽然阻尼振荡磁场在幅值上有所超出，但其它的测量量值与表2所列相当或低于标准的抗扰度水平，如振荡波抗扰度、电快速瞬变脉冲群。磁场的超出，也未达到翻倍的程度，而据美国EPRI的报告，500kV变是电所的离开关操作时，暂态磁场(母线长度为8m)的最大值：磁场强度212A/m(仅记录到1次的小概率事件)，所以要采取屏蔽的话，仅需6dB的屏蔽效能就可使磁场衰减到表2的水平。
另外测试中，刀闸和断路器操作时保护小室的门都是敞开的，所有的设备均处于正常工作的状态，没有任何设备的运行受到干扰影响，而隔离刀闸离保护小室的距离不过5～10m。由此可见，针对此类变电所的操作，目前所采用的保护小室的屏蔽效能是可以降低的。
4.2保护小室屏蔽效能现场测试
下放到500kV配电装置中的保护小室所采用的建筑形式基本上有三种：①南昌变的砖混结构内衬钢板小室；②百色变的轻钢结构双层复合压型钢板小室；③天生桥换流站交流场扩建的砖混结构加内衬铜丝网小室。
测试结果中，南昌变的小室除个别门缝及结合部达不到20dB外，屏蔽效能一般均可达到20～40dB。百色500kV开关站无论在低频还是高频段，屏蔽效能均可达到20～40dB。天生桥换流站交流场500kV扩建继电器自然屏蔽效能相对较差，但由于未设屏蔽门，除个别门缝及结合部在10dB以下外，其它处也可达到10～30dB。
5结论
为了节约用地、节省电缆、减少建筑面积、降低工程造价，把继电保护设备直接安装在500kV的配电装置中，成为变电所建设的新思路和一种发展趋势。目前全国采用保护下放到就地保护小室安装的已投运变电所有几十个，尚未因干扰问题引起重大事故。另外，通过对国内主要的保护设备厂家的有关设备进行试验，结果表明，部分国产设备是可以达到规定的抗干扰水平的。如果保护小室内的就地控制保护等设备的防干扰能力不能完全满足要求，可考虑采用砖混结构内衬钢丝网或轻钢结构双层复合压型钢板的保护小室。
参考文献
［1］宋继成.变电所二次接线设计，中国电力出版社.
［2］王幸之，王雷.单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社.
［3］(法)米切尔.麦迪惠安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术，机械工业出版社.
［4］刘帆，陈柏超.变电站二次电缆屏蔽层接地方式探讨.电网技术，2003(2)：63-67.
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