电快速瞬变脉冲群耦合机理的研究.doc

辽宁科技大学毕业论文 第 i 页 电快速瞬变脉冲群耦合机理的研究 摘 要 我国微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群的研究工作刚刚起步。为了避免电力系统 中微机保护失灵事故的发生，本文主要研究如何 eft 从电力系统一次回路耦合到微机 保护装置途径。在电快速瞬变脉冲群耦合机理方面分析了一次回路中形成的电快速瞬 变脉冲群耦合到微机保护装置的主要途径，电快速瞬变脉冲群制定的隔离措施：1）在 仿真软件 ansoft 中建立开关柜模型，通过仿真研究如何减弱电快速瞬变脉冲群引起 的瞬态电磁场在微机保护装置的外壳上感应出的干扰电压和干扰电流。2）提出应选择 转移阻抗小的二次电缆与微机保护装置相连，并且采取多层屏蔽，用增大屏蔽层阻抗 的方法减小耦合到屏蔽层的电流。3)empt-atp 中建立电力互感器的电磁单元模型， 仿真研究抑制电快速瞬变脉冲群通过电磁式电力互感器从一次回路耦合到二次侧微机 保护装置的措施。目前电磁干扰源的量化分析和耦合途径的建模分析研究还不够成熟， 本文提出用数据挖掘技术预测与分析微机保护装置所处的电磁环境 关键词：一次回路耦合到微机保护途径；电快速瞬变脉冲群；微机保护装置；电磁兼 容；耦合方式 electricity fast transient pulse coupling mechanism research 辽宁科技大学毕业论文 第 ii 页 abstract our microprocessor-based protection fight eft measurement research work is just beginning. to avoid electric power system microcomputer protection failure accident, this paper mainly studies how to eft from power system a loop coupled to the microcomputer protection dev- ice way. in eft measurement coupling mechanism analysis a loop of the formation of eft me- asurement is coupled to the main ways of microcomputer protection device, eft measurement of quarantine measures enacted: 1) establish switchgear model in ansoft through simulati- on research how to abate, eft measurement of transient electromagnetic field caused micropr- ocessor-based protection on the shell out of interfering voltage induction and disturbance cu- rrent. 2) put forward should choose the second cable transfer impedance small connected wit the microcomputer protection device, and take multi-layer shielding, by increasing the shield impedance method to reduce the current coupling shield. 3) - empt of establishing power tr- ansformer in atp electromagnetic unit model simulation research, inhibit eft measurementor through from a loop of voltage transformer assolenoid style coupled to secondary side protec protecprotectimicroprocessor-based measures. at present the electromagnetic interferenceion source of quantitative analysis and coupling channels mature enough modeling analysis, this paper proposes the use of data mining technology forecasting and analysis in microcomputer protection device electromagnetic environment keywords：loop coupled to the microcomputer protection way; eft measurement; microcomputer protection device; emc; coupling way 目录 摘 要i abstractii 辽宁科技大学毕业论文 第 iii 页 1.绪论1 1.1 变电站微机保护电磁兼容研究状况1 1.1.1 微机保护的发展.1 1.1.2 微机保护装置的电源结构2 1.1.3 微机保护的电磁兼容问题.3 1.1.4 微机保护电磁兼容的研究.5 1.2 电快速瞬变脉冲群及其耦合方式7 1.2.1 电快速瞬变脉冲群的时域和频域特7 1.2.2 电快速瞬变脉冲群的耦合方式8 1.3 本文主要研究内容10 2 电快速瞬变脉冲群的耦合机理及途径12 2.1 电快速瞬变脉冲群的耦合机理12 2.2 电快速瞬变脉冲群耦合到微机保护设备的途径.12 2.2.1 电快速瞬变脉冲群耦合到微机保护装置外壳的途径12 2.2.2 电快速瞬变脉冲群耦合到二次电缆的途径.15 2.2.3 电快速瞬变脉冲群通过电压、电流互感器耦合18 3 电快速瞬变脉冲群的电磁隔离19 3.1 电快速瞬变脉冲群耦合到微机保护装置外壳的电磁隔离措施.19 3.2 电快速瞬变脉冲群耦合到二次电缆的电磁隔离措施23 3.3 电快速瞬变脉冲群通过电压、电流互感器耦合的电磁隔离措施25 4 应用数据挖掘技术预测与微机保护装置所处的电磁环境28 4.1 数据挖掘.28 4.2 预测与分析变电站中电磁环境的数据挖掘模型28 4.3 数据挖掘技术在 emc 预测与分析中的应用29 4.4 预测与分析变电站中电磁环境的数据挖掘算法.31 4.5 应用数据挖掘技术预测与分析变电站中电磁环境的设计试验.33 结论.38 辽宁科技大学毕业论文 第 iv 页 致谢.39 参考文献40 附录.41 辽宁科技大学毕业论文 第 1 页 1.绪论 1.1 变电站微机保护电磁兼容研究状况 1.1.1 微机保护的发展 利用计算机实现继电保护的设想早在 20 世纪 60 年代就已经提出来，但是， 由于我国由于受当时的技术和经济条件的限制仅作了理论探索。20 世纪 60 年 代之前，我国的变电站继电保护设备主要是由传统的机电型继电器构成。60 年 代末以后，随着半导体制造技术和集成电路技术的发展，相继出现了晶体管式 继电保护装置、集成电路型继电保护装置和目前以计算机与微电子技术为基础 的数字式微机保护装置。典型微机型继电保护装置如图 1.1 所示。 图 1.1 微机型继电保护装置 微机保护装置的中央处理器由 8 位机、16 位机，发展到目前的 32 位机， 有些还采用了具有快速计算功能的 dsp 芯片。微机保护可用相同的硬件实现不 同原理的保护，使生产标准化、批量化、硬件可靠性高。微机保护装置具有强 大的存储、记忆和运算能力、可以实现复杂原理的保护功能，为新保护原理的 发展提供了实现条件。除了实现保护的功能外，微机保护还具有故障录波、故 障测距、事件顺序记录和与调度自动化系统通信等功能，能够为保护的运行管 理、电网事故分析以及事故后的处理提供依据。目前，微机保护已经是我国继 电保护的主要形式 1.1.2 微机保护装置的电源结构 微机保护装置的电源一般采用直流220 v 供电，输出供微处理器等数字电 辽宁科技大学毕业论文 第 2 页 路使用的5 v 电源、供交流回路数据采集系统使用的15 v 电源和驱动出口继 电器的24 v 电源。目前，微机保护装置电源主要采用集中式和分布式两种供电 方式11，见图1.2。 图1.2微机保护装置电源 微机保护装置驱动出口继电器的dc 24 v 工作电源容易受到二次回路中 继电器操作引起的eft的干扰， 而传统的分布式电源直接采用驱动出口继电器 的24 v 工作电源作为5 v 和15 v 电源模块的输入，导致5 v 和15 v 工作电 源易受eft 的干扰。笔者提出一种改进的分布式电源供电模式，见图1.2。与传 统的分布式电源相比，改进的分布式电源增加一个dc 24 v/dc 24 v 的开关电 源模块，使输入到5 v 和15 v 电源模块的24 v 电源与驱动出口继电器的24 v 工作电源隔离。 图1.3 微机保护装置电源端口进行三级eft抗扰度试验 在驱动出口继电器的工作电源上施加三级eft时，微机保护装置内5 v 工 辽宁科技大学毕业论文 第 3 页 作电源受干扰的波形见图1.3。其中，图1.3（a）是采用传统的分布式电源，图 1.3（b）是采用改进的分布式电源。比较可知，改进的分布式电源使微机保护 装置的工作电源受出口继电器操作引起的eft 的影响明显减弱12。 1.1.31.1.3 微机保护的电磁兼容问题 电力系统中，在电网容量增大、输电电压增高的同时，以计算机和微处理 器为基础的继电保护、电网控制、通信设备得到广泛采用。电力输送和通信网 络各自发展，互相交叉机会增加。城市地下网线的限制，必须形成错综复杂的 相互干扰的系统；人生活水平提高，对环境的关注更为迫切，电磁场的生态效 应，电磁场对人类生活必需的通信、广播、电视、 “信息高速公路”等的影响， 都已成为应该优先考虑的制约条件。 电磁兼容，简单的说就是一个装置在电磁干扰环境中的正常工作的适应能 力。电磁干扰在变电站微机保护测控装置中无处不在，对变电站综合自动化系 统造成不良后果。 1.）电源回路受干扰； 2.）模拟量输入通道受干扰； 3.）开关量输入，输出通道受干扰； 4.）cpu 和数字电路受干扰。 随着电子技术的发展与应用，微机保护装置在电力系统中得到广泛应用， 他是保证电网安全运行；保护电器设备的主要装置。与传统模拟式的继电保护 相比，具有无可比拟的优越性并逐步取代其他形式的保护装置，日益成为电力 系统保护的主要措施。 变电站在电力系统中是一次设备和二次设备最集中的场所，一次回路中的 开关操作主要是电力网中断路器，隔离开关等的操作，引起电容器组，空载变 压器，电抗器，电动机等生产过电压，引起的电磁干扰。 二次回路自身干扰主要是通过电磁感应而产生的。电磁干扰从干扰源传递 到敏感设备有两种方式，即川岛和辐射。传导分为电导性耦合直接耦合，电容 性耦合，电场耦合和电感性耦合。通过磁场产生的干扰，由导体间的互感引起。 当二次回路中电流发生突变时，铰链到二次回路的磁通也随之发生变化，进而 辽宁科技大学毕业论文 第 4 页 感应出干扰电压。 近年来，为了节约电缆，减小变电站占地，减少工程量，微机保护装置被 安装在电磁环境恶劣的高压开关场内或靠近高压电气设备的地方，更容易受到 各种电磁干扰。同时，随着微机保护装置的数字化水平的提高，其工作电压由 几十伏降低到几伏，信号电压也变得更小，这使得微机保护装置对外界的干扰 变得更加敏感。投入电力系统中运行的微机保护装置一旦由于受到电磁干扰而 误动或拒动，轻则造成小面积停电，重则瓦解整个电力系统，给国家和人民的 生命财产造成严重损失。因此，微机保护装置的电磁兼容问题不容忽视。 国际电工技术委员会(iec)对电磁兼容的定义是“设备或系统在其电磁环境 中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。 ” ，该 定义包含以下两个方面的含义： 1）设备对外界的电磁干扰要有一定的承受能力而不致失效； 2）设备本身在工作中对周围环境所产生的电磁干扰不应超出一定的量值， 以免对该环境中的其他设备造成不良影响。由此可见，电磁兼容就是研究设备 或系统的干扰和抗干扰问题的一门学科，包含电磁干扰和电磁敏感度两方面的 内容。 目前，为了保证电力系统正常、稳定的运行,主要考核微机保护装置抗电磁骚扰的能力， 所做的电磁兼容试验主要为电磁敏感度试验。电磁敏感度试验是通过模拟各类生产设备运 行时所产生的电磁干扰，检验连接到供电网络、控制和通信网络中的电气、电子设备对传 导骚扰和辐射骚扰的耐受能力。我国电力部标准中规定，微机保护装置必须通过的电磁敏 感度试验包括：电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、 射频场抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验和阻尼振荡波抗扰度试验等。目前，微机保护装 置抗高压、抗浪涌、防静电等设计技术已经比较成熟，而电快速瞬变脉冲群由于具有上升 时间短、持续时间短、幅值高、重复频率高等特点，其对微机保护装置的干扰长期以来难 以克服。 1.1.4 微机保护电磁兼容的研究 1）电磁干扰 电磁干扰则是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能 的电磁能量。严格地说,噪声和干扰的含义是不同的,干扰指的范围更宽了,但仍 含有噪声的原来含义9。 辽宁科技大学毕业论文 第 5 页 2）电磁兼容性 电磁兼容性是指电气、电子设备或系统在预期的电磁环境中,按设计要 求正常工作的能力。它是电气、电子设备或系统的一种重要的技术性能。按上 述定义,电磁兼容性包含以下两方面的含义: 1)设备或系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力,并且有一定的安全余量; 2)设备或系统不产生超过规定限度的电磁干扰9。 国外从 20 世纪 60 年代开始了变电站电磁环境和电磁干扰问题的研究，特 别是 70 年代以后由定性研究转为定量研究。其中，最具代表性的是美国电力研 究院自 1978 年起，历时 10 余年分两个阶段完成了变电站中瞬态电磁干扰的测 量和分析工作。 第一阶段电磁干扰源的研究工作完成于 1983 年，并提交了阶段性研究报告 17。该报告介绍了变电站中电磁环境的测量、数据分析方法以及初步研究结果。 第二阶段从 1986 年至 1993 年，测量了 7 个空气绝缘变电站和 2 个气体绝 缘变电站，共测得 800 多次事件的 3000 多个电磁干扰波形。 国外在提高微机保护设备抗瞬态电磁干扰的研究方面也做了大量工作，硬 件抗干扰措施。为了检验微机保护设备抗电磁干扰的能力，iec 制定了的电磁 抗扰度标准 iec61000-4-4 和“量度继电器和保护装置”系列产品标准 iec60255，投入电力系统中使用的微机保护设备必须通过相应的电磁敏感度试 验。 我国变电站电磁兼容问题的研究起步较晚，20 世纪 80 年代，随着基于微 电子技术的继电保护装置的应用与推广，变电站的电磁兼容问题才开始在电力 部门得到关注。由于我国的变电站在电压等级和主接线结构等方面的技术特点 与国外不同，国外的测量和分析结果仅能作为参考，必须对我国变电站的瞬态 电磁环境的实际情况进行独立的测量和分析。在此背景下，中国电力科学研究 院、南京自动化研究院、武汉高压研究所和华北电力大学等单位，以及四方公 司、清华大学和武汉大学等单位相继做了有关的研究工作。华北电力大学还在 变电站中瞬态电磁环境预测和瞬态电磁干扰在气体绝缘变电站中的干扰耦合途 径建模的方面做了大量的研究工作。南京自动化研究院和四方公司的研究工作 辽宁科技大学毕业论文 第 6 页 则主要侧重在微机保护设备抗电磁干扰问题的研究方面，已经积累了一定的工 程实践经验。 基于电快速瞬变脉冲群的耦合机理研究，可以有针对性的采取屏蔽、接地 和滤波等电磁隔离措施切断干扰耦合途径，使耦合到微机保护装置中敏感元件 的电快速瞬变脉冲群的能量最低，并有助于在硬件电路和软件程序的设计上采 取相应措施提高微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群的能力。 图 1.4 微机保护装置电磁兼容设计在各阶段的成本和可行性 微机保护装置在各阶段采取电磁兼容设计所需花费的成本及其可行性见图 1.4。从图中可以看出，若微机保护装置在设计阶段就采取电磁兼容设计，其难 度较低，较容易实现，并且所需花费的成本也较少。而微机保护装置若在安装 阶段发现问题了才采取电磁兼容措施，往往只能凭借经验采取试探性的手段对 设备进行反复修改。这样做不仅在经济上造成很大的浪费，而且费时费力，甚 至根本不能解决问题。因此，应从设计之初就考虑微机保护装置的电磁兼容问 题。然而，为保障微机保护装置能可靠、稳定工作，不仅需要提高微机保护装 置的抗扰度，还应该研究电快速瞬变脉冲群的形成机理和耦合机理，通过抑制 电磁干扰源和切断干扰耦合途径来改善微机保护装置所处的电磁环境，这能够 降低微机保护装置电磁兼容设计的难度和所需花费的成本。 因此，通过研究电快速瞬变脉冲群的形成、耦合和作用机理，对于改善微 机保护装置所处的电磁环境，增强微机保护装置的抗扰度性能，有效抑制电快 速瞬变脉冲群对微机保护装置的干扰，保证微机保护装置可靠工作，保障电力 系统安全稳定运行有重要意 辽宁科技大学毕业论文 第 7 页 1.2 电快速瞬变脉冲群及其耦合方式 1.2.1 电快速瞬变脉冲群的时域和频域特 电快速瞬变脉冲群是由断路器、隔离开关或继电器操作引起的，具有能量 小、上升时间短、持续时间短、电压幅值和重复频率高的特点。在国际标准 iec61000-4-4 和国家标准 gb/t17626.4 中，根据开关切断电感性负载所引起的 特快速暂态过电压信号的特征对电快速瞬变脉冲群电压的上升时间、持续时间 和脉冲重复频率等做了统一的描述，典型电压波形如图 1.3 所示。电快速瞬变 脉冲群电压的幅值根据不同的试验等级从 0.5kv 至 4kv，单个脉冲持续时间 50ns，脉冲重复频率为 5khz 或 100khz，脉冲群持续时间 15ms，脉冲群周期 300ms4647。 图 1.5（a）中电快速瞬变脉冲群电压的单个脉冲波形可以用双指数函数来表示， 其函数方程： 0 ( )() tt u tkv ee （1.1） 式中，k 是比例常数,v0是电压峰值，、 分别是与脉冲持续时间和脉冲上升 时间相关的时间常数2。根据电快速瞬变脉冲群电压信号的单个脉冲波形的上 升时间和持续时间，可以确定比例常数 k 为 1.26994，时间常数 、 分别为 1.7986e7 和 3.037e8。 根据公式 1.2 可求得它的带宽近似为 70mhz，其幅值密度频谱见图 1.6。从 图中可以看出：电快速瞬变脉冲群电压的能量主要集中在 40mhz 以下的频段。 40400mhz 频段内电快速瞬变脉冲群电压的幅值衰减不大，骚扰信号的能 量仍然较大，不容忽视。400mhz 以上频段的电快速瞬变脉冲群电压的幅值 衰减很快，到 1ghz 基本衰减为零，此频段内骚扰能量较小。 辽宁科技大学毕业论文 第 8 页 图 1.5 电快速瞬变脉冲群波形 r w t b 35 . 0 （1.2） 式中，bw为信号带宽，tr为脉冲的上升时间。 图 1.6 电快速瞬变脉冲群电压的幅值密度频谱 1.2.2 电快速瞬变脉冲群的耦合方式 （a）电导性耦合 在两个电路有公用导线（如电源线、输入/输出信号线、地线等）相联系的 情况下，两个电路的电流流经一个公共阻抗，于是，一个回路中的电流在该公 共阻抗上的电压降就构成了对另一个回路的干扰，等效电路如图 1.7 所示10。 辽宁科技大学毕业论文 第 9 页 rg n u rl2 rl1 r1 r2 ug + ig i2 i1 u2 u1 + _ _ _ _ + 图 1.7 公共阻抗引起的干扰 图中 u1表示电路 1 中的干扰源电压，u2表示受干扰回路的信号电压，rg为 两电路之间的公共阻抗。则干扰电压u1通过公共阻抗 rg在负载 rl2上产生的干 扰电压： 2 1 1122 ()() gl n ilil r r uu rrrr （1.3） （b）电容性耦合 处于介质的不通导体之间总存在着杂散电容（分布电容） ，当两个电路处于 不同电位时一个电路的电荷对另一个电路有感应，由于导体之间存在分布电容 10，其耦合模型及等效电路见图 1.8。 图 1.8 电容耦合模型及等效电路 图中，u 是干扰源电压，ub是敏感设备感应的干扰电压，cab、cb分别是导 辽宁科技大学毕业论文 第 10 页 体间的分布电容和 b 导线对地的分布电容，r1、rl1、rl2是线路 a、b 的负载 电阻，rl为 rl1和 rl2的并联。干扰源的频率越高，越容易对其他回路产生容 性耦合；减小对地阻抗，减小两个电路间的杂散电容 cab，可减小由电容性耦 合造成的干扰 （1.4） 1 () ab b abb l j c u u jcc r （c）电感性耦合 图 1.9 电感耦合模型及其等效电路 两个电路间存在互感，一个电路内电流的变化可通过磁通铰链影响另一个 回路进而在其他回路感应出干扰电压，其耦合模型及等效电路见图 1.9。图中， i为干扰电流，m 为两回路之间的互感，则回路 2 感应的干扰电压ub： （d）辐射耦合 辐射耦合是指电快速瞬变脉冲群能量以电磁波的形式通过空间传播到所干 扰的回路。通常约定当干扰源到被干扰物的距离 r 远大于波长 时，即 时，干扰源通过辐射耦合的方式干扰敏感设备。由前面分析可知，电/2r 快速瞬变脉冲群的主频为 70mhz，其远区界限为 0.7m 左右。 1.3 本文主要研究内容 本文论述变电站中微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群的形成，危害及意义， 介绍国内外在微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群方面研究的发展概况。如何切 断电快速瞬变脉冲群从一次回路耦合到微机保护装置的途径是本文研究的主要 任务。本文主要工作如下： 一、归纳出电快速瞬变脉冲群从一次回路耦合到微机保护装置的途径。分析 辽宁科技大学毕业论文 第 11 页 研究每一种耦合途径的耦合方式及其耦合机理. 二、在 ansoft、empt-atp 中建立相关模型，通过仿真制定有效的电磁 隔离措施，切断电快速瞬变脉冲群从一次回路耦合到微机保护装置的途径。 三、提出一种基于数据挖掘技术来预测与分析变电站中的瞬态电磁环境的算 法。 2 电快速瞬变脉冲群的耦合机理及途径 2.1 电快速瞬变脉冲群的耦合机理 电力系统中的电快速瞬变脉冲群是由一次回路中开关操作或二次回路中继 电器操作引起的，通过电导性耦合、电容性耦合、电感性耦合和辐射耦合到微 机保护装置。一次回路中开关操作形成的电快速瞬变脉冲群主要通过以下三种 途径耦合到微机保护装置：1）电快速瞬变脉冲群产生的瞬态电场和瞬态磁场使 微机保护装置的金属外壳感应出干扰电压和干扰电流；2）干扰与微机保护装置 相连的电缆，使微机保护装置的外部端口出现差模干扰电压；3）通过电压、电 流互感器直接或间接地耦合到微机保护装置的外部端口。 2.2 电快速瞬变脉冲群耦合到微机保护设备的途径 2.2.1 电快速瞬变脉冲群耦合到微机保护装置外壳的途径 辽宁科技大学毕业论文 第 12 页 图 2.1 开关柜结构 微机继电保护装置工作在电磁环境极其恶劣的变电站中，其电磁兼容水平、 可靠性等因素对电力系统的安全、稳定极其重要。一方面，微机保护装置已经 突破常规继电器的概念，正向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量 和数据通信一体化发展，使计算机硬件、软件设计越来越复杂，致使装置对电 磁骚扰具有更明显的敏感性和脆弱性；另一方面，变电站综合自动化已完成 “面向间隔(对象)设计”的重大转变， “保护下放”模式逐渐被电力系统认可并 加以推广， 快速瞬变脉冲群骚扰由于上升时间快、持续时间短、能量低、重复 频率高对微机继电保护装置的影响是显著的。 近年来，为了节约电缆，减少工程量，微机保护装置被安装在电磁环境恶 劣的高压或大电流开关柜内,如图 2.1 所示。从图中可以看出，开关柜中间有一 块隔板将其分成前后两个空间，一次回路的母线和断路器处于开关柜后面的空 间，微机保护装置被安装在距离断路器很近的开关柜前面的空间。当断路器操 作时，电快速瞬变脉冲群产生的瞬态电磁场能够在微机保护装置的外壳上感应 出干扰电压和干扰电流,从而干扰微机保护装置正常工作。 根据图 2.1 中开关柜的结构，建立开关柜的模型如图 2.2 所示。图中，开 关柜长：0.8m；宽：1.2m；高：1.2m；隔板距离开关柜的柜门 0.2m；断路器距 离隔板 0.2m；dla、dlb、dlc分别为 a、b、c 三相的导线元段；p(x,y,z)为待求的 场点；pa(xa,ya,za)、pb(xb,yb,zb)和 pc(xc,yc,zc)分别为 a、b、c 三相导线元的源点。 ra、rb、rc分别为各导线元到场点 p(x,y,z)的距离。 辽宁科技大学毕业论文 第 13 页 图 2.2 开关柜模型 本章分两种情况研究一次回路中形成的电快速瞬变脉冲群对微机保护装置 外壳的影响： 1）断路器触头两端出现电快速瞬变脉冲群电压； 2）断路器中流过电快速瞬变脉冲群电流。 当断路器触头两端出现电快速瞬变脉冲群电压时，会出现较强的瞬态电场， 附近的微机保护装置外壳能够感应出表面电流，导致微机保护装置的外壳出现 干扰电压67。微机保护装置所处的位置距离电快速瞬变脉冲群电压源小于 0.4m， 受到的电快速瞬变脉冲群电压的 干扰是近场干扰，属于电容性 耦合，其等效电路如图 2.3 所示假设电快速瞬变脉冲群电压为 ug，断路器与微 机保护装置之间的分布电容为 cab，微机保护装置外壳与地之间的分布电容为 cs，则微机保护装置外壳上感应的干扰电压 us为： （2.1） abg s abs c u u cc 辽宁科技大学毕业论文 第 14 页 图 2.3 电快速瞬变脉冲群电压干扰微机保护装置外壳的等效电路 断路器中流过电快速瞬变脉冲群电流时，会出现较强的瞬态磁场，耦合到 微机保护装置外壳的磁通的时间变化率很大，导致微机保护装置外壳出现干扰 电压。假设流过三相断路器的电快速瞬变脉冲群电流分别为 ia、ib和 ic，则在场 点 p(x,y,z)引起的矢量磁位为： 0 () 4 abc aabbcc abcccc i dli dli dl a rrr （2.2） 其中，0为真空磁导率，积分路径 ca、cb和 cc为分别为三相断路器，矢量磁位 的各分量。 0 0 0 () 4 () 4 () 4 abc x abc abc y abc abc z abc iii adx rrr iii ady rrr iii adz rrr （2.3） 式中： 222 222 222 ()()() ()()() ()()() aaaa bbbb cccc rxxyyzz rxxyyzz rxxyyzz （2.4） 由于断路器中的电快速瞬变脉冲群电流只有 z 方向的分量，所以 p 点的矢量磁 位： 0 () 4 abc z abc iii adza rrr （2.5）则电快速瞬变脉冲群电流在场点 p(x,y,z)产生的磁感应强度为： zz xy aa baaa yx （2.6） 根据法拉第电磁感应定律，微机保护装置外壳表面的感应电场： b e t （2.7） 辽宁科技大学毕业论文 第 15 页 则微机保护装置外壳感应的干扰电压： c s d ue dlb ds dt （2.8）2.2.2 电快速瞬变脉冲群耦合到二次电缆的途径电快速瞬变脉冲群耦合到二次电缆的途径 图 2.4 电缆模型 微机保护装置通过与其相连的二次电缆实现电源输入、信号采集和通信等 功能，但电快速瞬变脉冲群也会通过二次电缆耦合到微机保护装置。目前，电 力系统中常用的二次电缆都是带金属屏蔽层的电缆，可有效减弱外部电磁干扰 对电缆芯线的耦合，改善变电站的电磁兼容水平。 带屏蔽层的电缆由芯线、绝缘层、屏蔽层和外护套组成，如图 2.4 所示。 图中的电缆用铜作芯线，用聚乙烯材料绝缘，用细铜丝编织层作屏蔽，用橡胶 作外护套。为有效屏蔽电场对芯线的干扰，电缆的屏蔽层应接地。文献研究了 电缆屏蔽层的接地方式后得出应采取两点接地的方式屏蔽外界高频电磁场对电 缆芯线的干扰。因此，对于抑制电快速瞬变脉冲群这类宽频带的电磁骚扰，电 缆的屏蔽层应采取两点接地的方式。 电缆受到外部电磁场干扰时，屏蔽层会产生感应电荷和感应电流，这些感 应电荷和感应电流产生的电磁场能够抵消外界电磁场对电缆芯线的干扰，进而 达到电磁屏蔽的目的。但是，电缆屏蔽层感应的电荷和电流也能通过转移阻抗 和转移导纳对电缆芯线造成干扰，如图 2.5 所示。 图中，i0：屏蔽层的电快速瞬变脉冲群电流；zt：转移阻抗；v0：屏蔽层 的电快速瞬变脉冲群电压；yt：转移导纳，则其在电缆芯线上形成的电流干扰 源和电压干扰源为： 辽宁科技大学毕业论文 第 16 页 （2.9） 0 0 ( )( ) ( )( ) t t e xz i x j xy ux 图 2.5 转移阻抗转移导纳等效电路 而且，在多数情况下，所以屏蔽层的共模电流转化为电缆芯线( )( )j xe x= 的差模干扰电压是电快速瞬变脉冲群通过二次电缆耦合到微机保护装置端口的 主要方式。 电缆的屏蔽层和芯线之间的转移阻抗定义为电缆芯线的电流为零时，单位 电流在单位长度同轴电缆的芯线和屏蔽层间形成的差模干扰电压，其形式为52： （2.10） 0 1 t dv z idx 式中：zt：转移阻抗；i0：屏蔽层的干扰电流；干扰电流在单位长度同轴电缆 上形成的干扰电压。 二次电缆从控制室或电源室通过电缆夹层或电缆沟走向微机保护装置所处 的开关柜，再经过一段屏蔽铁管垂直下引到开关柜中与微机保护装置相连。由 前面的分析可知，当开关柜中的屏蔽隔板采取电磁隔离措施后，微机保护装置 所处的电磁环境得到极大的改善，电快速瞬变脉冲群引起的瞬态电磁场对开关 柜中二次电缆的干扰能够得到很好的抑制。因此，电快速瞬变脉冲群电流主要 从以下两个方面耦合到与微机保护装置相连的电缆的屏蔽层： 1）通过公共地阻抗耦合； 2）相邻的电缆屏蔽层之间通过电容性耦合和电感性耦合相互干扰。 当一条线路中出现电快速瞬变脉冲群时，电快速瞬变脉冲群能通过公共地 阻抗耦合到电缆的屏蔽层，其原理图如图 2.6 所示。其中，un：电快速瞬变脉冲 辽宁科技大学毕业论文 第 17 页 群电压源；in：电快速瞬变脉冲群电流源；zn：负载阻抗；zs：屏蔽层阻抗； zg：公共地阻抗；is：电缆屏蔽层耦合的电快速瞬变脉冲群电流；ig：大地流过 的电快速瞬变脉冲群电流；ug：公共地阻抗两端形成的电快速瞬变脉冲群电压。 则其网孔电流方程为： 图 2.6 电快速瞬变脉冲群电流通过公共地阻抗耦合到电缆屏蔽层的原理图 当一条线路中出现电快速瞬变脉冲群时，电快速瞬变脉冲群能通过公共地 阻抗耦合到电缆的屏蔽层，其原理图如图 2.6 所示。其中，un：电快速瞬变脉冲 群电压源；in：电快速瞬变脉冲群电流源；zn：负载阻抗；zs：屏蔽层阻抗； zg：公共地阻抗；is：电缆屏蔽层耦合的电快速瞬变脉冲群电流；ig：大地流过 的电快速瞬变脉冲群电流；ug：公共地阻抗两端形成的电快速瞬变脉冲群电压。 则其网孔电流方程为： （2.11） nnggn ggss gns i zi zu i zi z iii 则屏蔽层耦合的电快速瞬变脉冲群电流： ng s sg ng s snsgng i z i zz u z i z zz zz z 干扰源为电快速瞬变脉冲群电流 干扰源为电快速瞬变脉冲群电压 (2.12） 2.2.3 电快速瞬变脉冲群通过电压、电流互感器耦合 电力系统中的电压、电流互感器给微机保护装置提供测量信号，能够将一 辽宁科技大学毕业论文 第 18 页 次侧的高电压、大电流转换成二次侧的低电压、小电流。但是，当一次侧出现 电快速瞬变脉冲群时，骚扰信号也能够通过电压、电流互感器耦合到二次侧的 微机保护装置的交流回路端口。 3 3 电快速瞬变脉冲群的电磁隔离 3.1 电快速瞬变脉冲群耦合到微机保护装置外壳的电磁隔离措施 从公式 3.1 中可以看出，断路器与微机保护装置外壳之间的分布电容 cab越 大，微机保护装置外壳与地之间的分布电容cs越小，微机保护装置外壳感应的 干扰电压越大。因此，为了减小电快速瞬变脉冲群对微机保护装置外壳的干扰， 应该减小 cab，同时尽量增大 cs。实际在电力系统中应用的开关柜中间有一块 铁屏蔽隔板将断路器和微机保护装置隔开，相当于采取了电场屏蔽措施，其等 效电路如图 3.1 所示4。 辽宁科技大学毕业论文 第 19 页 图 3.1 电快速瞬变脉冲群电压干扰微机保护装置外壳的等效电路 图 3.1 中，j 为屏蔽隔板，cab为放置屏蔽体后断路器与微机保护装置外壳 的分布电容，caj、cbj分别为断路器和微机保护装置外壳与屏蔽体之间的分布 电容，cj为屏蔽体与地之间的分布电容。由于屏蔽体足够大，cab可以忽略不 计。则采取电场屏蔽措施后，微机保护装置外壳感应的干扰电压us为： bjj s bjs c u u cc （3.2） 其中： ajg j bjs ajj bjs c u u c c cc cc （3.3） 则干扰电压us为： ()() ajbjg s bjs bjsajj bjs c c u u c c cccc cc （3.4） 当以及时，干扰电压us： ajj cc= bjs aj bjs c c c cc = bjg s bjs c u u cc （3.5） 比较公式 3.1 和 3.5，由于，所以增加了不接地的屏蔽体后，微机 bjab cc 保护装置外壳感应的干扰电压反而变大了。因此，开关柜中的屏蔽隔板必须可 靠接地。 辽宁科技大学毕业论文 第 20 页 采用 ansoft 二维交变电场求解器研究屏蔽体可靠接地的情况下电快速瞬 变脉冲群电压对微机保护装置外壳的干扰。首先，在几何建模器中按照图 2.1 开关柜模型建立二维仿真模型；在材料管理器中，指定介质为空气，断路器的 材料为铜，开关柜外壳和屏蔽隔板的材料为铁；在边界条件管理器中，指定气 球边界条件，设定断路器触头两端出现的电快速瞬变脉冲群电压的幅值为 45kv，主频为 70mhz。然后，指定具体的求解规范开始在求解器中计算。在后 处理器中，可以得到断路器触头两端出现电快速瞬变脉冲群电压时开关柜中电 压和电场的分布如图 3.2 所示。 图 3.2 电快速瞬变脉冲群电压引起的电压和电场幅值沿 y 轴的分布 从图 3.2 中电压和电场沿 y 轴分布的情况来看，屏蔽体可靠接地后，当断 路器触头两端出现电快速瞬变脉冲群电压时，微机保护装置所处空间的电压和 电场都趋于零，铁隔板起到良好的电场屏蔽作用。 采用 ansoft 三维涡流场求解器研究流过断路器的电快速瞬变脉冲群电流 形成的瞬态磁场的分布情况。首先，在几何建模器中，按照图 2.1 建立开关柜 的仿真模型；在材料管理器中，指定介质为空气，断路器的材料为铜，开关柜 外壳和屏蔽隔板的材料为铁；在边界条件管理器中，设定电快速瞬变脉冲群电 流为 1000a、主频为 70mhz，并且考虑断路器、开关柜外壳和屏蔽隔板的涡流 效应。 辽宁科技大学毕业论文 第 21 页 图 3.3 电快速瞬变脉冲群电流引起的磁场和能量的分布 然后，指定具体的求解规范开始在求解器中计算。在后处理器中，可以得 到电快速瞬变脉冲群电流引起的磁场强度 h 在微机保护装置所处空间分布的仿 真结果，如图 3.3 和图 3.4 所示。 图 3.3 反映了电快速瞬变脉冲群电流形成的瞬态磁场及其能量在微机保护装置 所处空间沿 x、y 和 z 三个方向的分布情况。从图中可以看出，在 x 方向上， 磁场强度和能量的分布是中间最小，两边较大；在 y 方向上，磁场强度和能量 的幅值从屏蔽隔板到开关柜柜门随距离增加逐渐变大；在 z 方向上，磁场强度 辽宁科技大学毕业论文 第 22 页 和能量的分布也是中间小，两边大。 图 3.4 为电快速瞬变脉冲群电流形成的瞬态磁场在开关柜外壳上的分布情 况。图中，h：右侧开关柜柜门的磁场强度分布；h1：开关柜顶部的磁场强度 分布；h2：开关柜侧面板的磁场强度分布。可以看出，开关柜外壳上的磁场强 度 h 能够达到几十 a/m，能够在微机保护装置外壳耦合较多的电磁能量。 当采用金属铝做屏蔽材料时，根据公式，式中: ： 21 f 趋肤深度；：铝的磁导率；：铝的电导率69，电快速瞬变脉冲群电流形成 的瞬态磁场的趋肤深度约为 0.01mm。因此，可以在屏蔽隔板的表面涂一层导电 涂料来进行电磁屏蔽。图 3.5 为在屏蔽隔板的表面覆一层铝箔后，瞬态磁场在 开关柜外壳上的分布情况。从图中可以看出，开关柜柜门上的最大磁场强度 hmax已经下降到 4a/m，微机保护装置所处空间的磁场环境得到极大的改善。 从上面的分析可知，可以采取以下两种电磁隔离措施来抑制电快速瞬变脉 冲群电流对微机保护装置外壳的干扰 图 3.4 开关柜表面的磁场分布 1）根据电快速瞬变脉冲群电流形成的瞬态磁场的分布情况，将微机保护装置安 装在开关柜柜门的中间位置；2）在开关柜中屏蔽隔板的表面涂一层电导率大的 导电涂料进行电磁屏蔽 辽宁科技大学毕业论文 第 23 页 图 3.5 电磁屏蔽后开关柜表面的磁场分布 3.2 电快速瞬变脉冲群耦合到二次电缆的电磁隔离措施 （1）减小电缆的转移阻抗 电缆的屏蔽层和芯线之间的转移阻抗定义为电缆芯线的电流为零时，单位 电流在单位长度同轴电缆的芯线和屏蔽层间形成的差模干扰电压，其形式为： （3.6） 0 1 t dv z idx 式中：zt：转移阻抗；i0：屏蔽层的干扰电流；：干扰电流在单位长度 dv dx 同轴电缆上形成的干扰电压。从公式 3.6 中可以看出，转移阻抗减小后在屏蔽 层中流过相同的干扰电流时，芯线和屏蔽层间的差模干扰电压也相应减小。因 此，选择与微机保护装置相连的屏蔽电缆时应该选择转移阻抗低的电缆。 电缆的转移阻抗是表示电缆屏蔽特性的参数，它与屏蔽层的结构参数有关， 也与干扰电流的频率特性有关。由于电快速瞬变脉冲群属于宽频带的电磁干扰， 本章仅研究高频情况下屏蔽电缆的转移阻抗。 刚性、半刚性管状电缆的转移阻抗为4: （3.7） 1 2 t t ze a 式中，a：屏蔽体半径；t：管壁厚度；：趋肤深度；：电导率。从公式 3.7 中可以看出，屏蔽体的半径、厚度和屏蔽体材料的电导率越大，管状电缆的转 移阻抗越小。 编织屏蔽体电缆的转移阻抗与屏蔽层的编织覆盖率和编织角有关，编织覆 盖率越大，覆盖角越小，屏蔽层和芯线间的转移阻抗越小。并且在高频时，编 辽宁科技大学毕业论文 第 24 页 织屏蔽体电缆的转移阻抗随着频率增加不断提高，导致编织屏蔽体在高频段屏 蔽效果变差4,5。因此，为了有效抑制电快速瞬变脉冲群对微机保护装置的干 扰，应选择管状电缆或采用覆盖率高的双层屏蔽电缆。 （2）减小电缆屏蔽层中耦合的电快速瞬变脉冲群电流 屏蔽层耦合的电快速瞬变脉冲群电流： ng s sg ng s snsgng i z i zz u z i z zz zz z 干扰源为电快速瞬变脉冲群电流 干扰源为电快速瞬变脉冲群电压 （3.8） 从公式 3.8 中可以看出，为了减小通过公共地阻抗耦合到电缆屏蔽层的电 快速瞬变脉冲群电流，应尽可能减小公共地阻抗zg，增大屏蔽层阻抗zs。关于 如何减小地阻抗的措施已经在很多文献中有论述。关于增大屏蔽层阻抗zs的方 法,可以将屏蔽层两端分别通过电感接地。这样对于低频信号，屏蔽层的接地阻 抗仍然很小，不影响电场屏蔽。而对于像电快速瞬变脉冲群这样的高频信号， 屏蔽层阻抗zs变大，能够明显减弱耦合到电缆屏蔽层的干扰电流。 二次电缆在电缆夹层或电缆沟中紧凑的并排在一起，这导致当一条电缆的 屏蔽层出现电快速瞬变脉冲群时，相邻电缆的屏蔽层也会通过电容性耦合或电 感性耦合感应出电快速瞬变脉冲群。 图 3.6 相邻电缆屏蔽层间电容性耦合和电感性耦合的原理图 电快速瞬变脉冲群通过电容性耦合或电感性耦合到相连电缆的屏蔽层如图 3.6 所示。图中，un：电快速瞬变脉冲群电压；in：电快速瞬变脉冲群电流； ub：相邻电缆屏蔽层感应的干扰电压；cab：相邻电缆的屏蔽层间的分布电容； cs：受干扰电缆的屏蔽层与地之间的分布电容；m：相邻电缆的屏蔽层间的互 辽宁科技大学毕业论文 第 25 页 感。根据公式 1.4 和公式 1.5，为了抑制电容性耦合和电感性耦合，应减小相邻 电缆屏蔽层之间的分布电容和互感。从前面的分析可知，在电缆屏蔽层的外面 再加一层单端接地的高电导率的金属屏蔽层进行电磁屏蔽可以有效减弱电缆屏 蔽层之间的电容性耦合和电感性耦合。因此，与微机保护装置相连的二次电缆 至少应采取两层屏蔽措施，外屏蔽层采取单端接地方式，内屏蔽层采取两端接 地方式。 3.3 电快速瞬变脉冲群通过电压、电流互感器耦合的电磁隔离措施 流互感器和电磁式电压互感器均通过两个绕组耦合，电容式电压互感器则 由电容分压器和含有两个绕组的电磁单元组成。因此，电磁式电力互感器的核 心部分是一种特殊的变压器，它的一次绕组连接在高压电网上，二次绕组外接 微机保护装置等负荷。 电磁式电力互感器的电磁单元如图 3.7 所示。图中，lg：接地电感；m：互 感器一次绕组与二次绕组之间的互感；c1：一次绕组和屏蔽层间的分布电容； c2：二次绕组和屏蔽层间的分布电容。 一般来说，电磁式互感器是按变换工频电压、电流设计的，当互感器的一 次侧是高频信号时，铁芯损耗很大，能量主要以发热的形式耗散，而传递到二 次绕 图 3.7 电磁式电力互感器的电磁单元 组的能量很小。另一方面，电磁式互感器电磁单元的等效电路如图 3.8 所 示，其结构相当于低通滤波器63。