（电力系统及其自动化专业论文）微机继电保护抗干扰研究.pdf

摘要 随着变电站自动化技术的发展和控制设备的分散就地布置，二次设备的工作环 境更加恶劣。本文针对这种情况下微机保护的电磁兼容问题进行了研究。首先探讨 了骚扰源的形成、特征及其传播到二次回路的途径，然后从敏感设备入手对保护的 各个端口的抗扰度进行了研究。另外，为解决浪涌问题探讨了微机保护的系统地的 接地方式， 并以c s l - 1 0 1 和 c s c - 1 6 3 保护装置为试验对象进行实际验证，得出了一 些有益的结论。最后，根据集中供电方式的缺陷，提出了分布供电方案，并用试验 验证了其实际效果。 关键词:微机保护，电磁兼容性，电快速瞬变，浪涌，分布供电 abs tract wi t h t h e d e v e l o p m e n t s o f s u b s t a t i o n a u t o ma t i o n a n d l o c a l i n s t a l l a t i o n o f c o n t r o l d e v i c e s , t h e e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t s o f s u b s t a t i o n b e c o m e m o r e s e v e r e t h a n b e f o r e . f i r s t , t h e t y p i c a l f e a t u r e a n d c o u p l i n g c h a n n e l o f d i s t u r b a n c e s o u r c e a r e c o n s i d e r e d . a n d t h e n , t h e p r o m i n e n t p r o b l e m s a b o u t u n c o r r e c t a b l e a c t i o n o f p r o t e c t i v e r e l a y s f o r d i s t u r b a n c e a r e d i s c u s s e d . f u r t h e r m o r e , i n o r d e r t o s o l v e s u r g e p r o b l e m , t h e v a r i o u s e a r t h i n g m o d e s o f s y s t e m e a r t h i n p r o t e c t i o n d e v i c e s a r e a n a l y z e d . a n d s o m e u s e f u l c o n c l u s i o n s h a d b e e n g o t t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a t i o n s w i t h c s l - 1 0 1 1 3 a n d c s c - 1 6 3 , t y p i c a l u h v t r a n s mi s s i o n l i n e p r o t e c t i o n s . i n t h e e n d , a c c o r d i n g t o t h e l i mi t a t i o n o f c e n t r a l p o w e r s u p p l y s y s t e m, t h e d i s t r i b u t e d p o w e r s u p p l y s y s t e m w a s p u t f o r w a r d , a n d i t s e f f e c t h a d a l s o b e e n p r o v e d b y e x p e r i me n t a t i o n s . z h u ma ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d a u t o m a t i o n ) di r e c t e d b y p r o f . hu a n g s h a o f e n g k e y wo r d s : mi c r o c o mp u t e r - b a s e d p r o t e c t i v e r e l a y s , e mc , e l e c t r i c a l f a s t t r a n s i e n t , s u r g e , d i s t r i b u t e d p o we r s u p p l y s y s t e m 侧匕o口 厂 口h 月 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取 得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内 容。 对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均 己在文中以明确方式标明。 特此申明。 签 名 : 解匕- 日 期 : wl - ) 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保 管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复 制手段复制并保存学位论文: 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交 流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 必密的学位论文 在解密后遵守此规定 ) 作 者 签 名 : 衷 ; i j导师签名: 羚 日期: wv s . ) 期: 。 土 1 ， 。 一一-一j 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 . 1电磁兼容概述 电磁兼容是一门新兴的综合性学科。国标g b i t 4 3 6 5 -1 9 9 5 电磁兼容术语 对电 磁兼容 ( e m c - e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) 所下的 定义为: “ 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” 。 从上述定义看， 电磁兼容应包括两方面的内容。 一方面指设备不受干扰的影响， 另一方面指设备不对周围的其它设备形成不能承受的骚扰。文中主要研究的是前 者 。 电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成干扰的三要素进行的，即电磁骚扰 源、传播途径和敏感设备。 其主要内容有以 下 7 . 电磁骚扰源 骚扰源可分为自 然骚扰源和人为骚扰源。骚扰源的研究包括其发 生的机理、时域和频域的定量描迷，以便从源端来抑制骚扰的发射。 传播途径 骚扰的传播途径有两条，通过空间辐射和通过导线传导。对它的研 究主要是为了从传播途径上来阻断骚扰向敏感设备的传播。 敏感设备 对于敏感设备主要是研究电磁骚扰如何使其产生性能降低或产生不 希望的响应，如何提高设备的抗干扰能力。 电磁兼容的研究已有近八十年，其间发表了大量的文章，涉及自然界的电磁干 扰 ( e m u源及其模型的研究、e m i . e m c的测量及评估、实现 e m c的技术及技 巧。具统计，在过去的三十年中，世界范围内的电磁兼容的论文超过 ， 0 0 , 0 0 0篇。 这些论文阐述了电磁兼容领域具有重大的理论成果及重大实现方法、测量及结果， 它们涉及到以下几个领域: ( 1 )自然界及人为的电磁干扰源及其模型的研究，闪电及静电放电是两个自 然界的电磁千扰源。 ( 2 ) e mi . e m c的测量 开阔场地的测量;辐射干扰的测量;传导干扰的测量;脉冲干扰的测量 ( 静电 放电、电快速瞬变脉冲群、电浪涌) 。 c 3 )实现 e m c的技术及技巧 屏蔽;接地;绑接;滤波;适当的频率规划及实现;采用特殊设计的电缆及连 接器来抑制干扰。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2变电站电磁兼容环境 变电站是一个具有高强度电磁场环境的特殊地域，其中既有高电压、大电流的 一次强电设备，又有低电压、小电流的二次弱电设备。一次强电设备产生的强烈的 电磁骚扰对弱电设备的正常工作构成极大的威胁，此外供电系统中的骚扰、大气骚 扰等都会对弱电设备产生影响。 变电站可能存在的骚扰源主要有一下几种3 1 1 )高压回路中操作断路器或隔离开关引起的电气暂态; 2 )高压回路中绝缘击穿或避雷器和火花间隙放电引起的电气暂态; 3 )高压装置产生的工频电场和磁场; 4 )接地系统中的短路电流引起的地电位升; 5 )雷电引起的电气暂态; 6 )由于低压设备开合操作引起的电快速瞬变暂态; 7 )静电放电; 8 )由于设施内部或外部的无线电发射装置产生的高频场; 9 )由于设施内其他电气或电子设备产生的高频传导和辐射骚扰; 1 0 )由供电线路传来的低频传导骚扰; 1 1 )直流电源的中断与恢复引起的骚扰。 我国5 0 0 k v超高压电网建设正处于一个快速发展的新时期， 变电站自 动化技术 也随之有了较大的发展，在功能上已由监测向测控发展，在布置上由集中向分散发 展。国家电力公司 2 0 0 0年工作会议精神要求实现电网技术跨世纪的飞跃，尽快与 国际上先进的电网建设、运行管理水平接轨，减少工程造价、降低运行成本、提高 经济效益，建设紧凑型变电站。这些都要求将各种保护和控制设备分散下放就地布 置。但随着技术的发展，变电站二次设备广泛采用超大规模集成电路，二次设备微 型化，数字化，智能化也增加了二次设备对瞬态骚扰的敏感性和脆弱性。将保护和 控制设备下放开关场， 可节约大量电缆， 降低工程造价和施工量， 提高运行可靠性。 但也使一次和二次设备间的距离更近，更容易受到高压电气设备运行过程中的开关 操作、短路故障等暂态过程产生的强电磁骚扰。在这种情况下装置的抗干扰措施应 由设备本身实现。 国内对电磁兼容问题还处于初步研究和认识阶段。工程应用标准还没有形成， 从而采用了防不胜防的措施，力求全方位、面面俱到。为提高系统安全性，目前绝 大多数新建变电站都对继电保护小室进行特殊的抗千扰设计，如采用全封闭金属结 构。这当然起到了降低电磁骚扰程度，但带来一些造价高、建设难度大等问题。而 且为确保继电 器小室屏蔽能力达到预期的目 标，还要在现场进行多次指标测试，给 工程带来很大难度。提高抗电磁干扰能力应从设备自身做起，不应过多依赖于辅助 2 华北电力大学硕士学位论文 设备。因此应对变电站骚扰的产生机理、藕合途径和二次设备的抗干扰问题进行深 入的研究和分析，对可能存在的骚扰源及其对二次设备运行可能造成的影响尽快形 成结论，并制定相应的标准和规范，在此基础上采取针对性措施，重点解决二次设 备本身的抗千扰问题，避免当前工程建设中采取的抗千扰措施过多、实施繁杂的问 题，进一步降低工程造价。这也是本课题的意义所在。 1 . 3微机保护电磁兼容现状 微机保护是应用数字技术构成的数字式保护，具有模拟型保护所不能实现的一 系列优点，且调试和运行维护简便，目前广泛应用于电力系统。但如前所述，保护 装置工作的环境干扰相当严重，雷击、系统故障、系统设备的操作以及控制、保护 装置的动作等一系列原因产生的过电压、过电流和浪涌干扰，经电压、电流互感器 的二次电缆或低压控制电缆侵入保护装置;保护装置内部，由于辅助继电器的动作 或直流转换器转换过程中的高频信号，也会产生干扰。这些干扰的特点是频率高、 幅值大，而且持续时间短，能通过各种途径侵入微机保护中的电子电路，干扰微机 保护的正常工作，而且不能采用通常设备简单延时电路来防止。 在近几届的国际大电网会议上，变电站电磁兼容问题，一直被列为干扰组的优 先课题。wg 3 6 .0 4工作组 1 9 9 7年发布了 发电厂和变电站电磁兼容导则 。2 0 0 2 年会议发表了两篇关于变电站电磁兼容的论文，一篇是介绍俄罗斯在变电站电磁兼 容领域的研究活动成果，另一篇是以 wg 3 6 . 0 4工作组名义提出的电磁兼容专题报 告。报告提出两个需要进一步研究的问题:其一是对安装在高压开关场内的分布电 子设备和系统进行抗扰度评估;其二是如何对变电站的二次系统进行抗扰度的现场 试验和评估，以 补充目 前仅在实验室内对单件设备进行抗扰度试验的不足 1 0 1 我国从七十年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起 着先导的作用， 相继研制出不同原理、 不同型式的微机保护装置。 1 9 8 4年原华北电 力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在电力系统中获得应用，揭 开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。此后，各种 保护原理方案、算法的微机线路保护和微机主设备保护相继问世，为电力系统提供 了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的微机继电保护装置，同时积累了丰富的运 行经验。随着微机保护装置的深入研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很 多理论成果。 社会的需求成就了事物的发展。随着我国特高压输电线路的建设，特高压输电 线路必将成为联合系统和全国统一电网的骨架，其安全可靠运行对于系统的安全可 靠运行起着决定性的作用，故对其继电保护的性能和可靠性要求极高。这些都将极 大推动微机保护电磁兼容的研究。 华北电力大学硕士学位论文 设备。因此应对变电站骚扰的产生机理、藕合途径和二次设备的抗干扰问题进行深 入的研究和分析，对可能存在的骚扰源及其对二次设备运行可能造成的影响尽快形 成结论，并制定相应的标准和规范，在此基础上采取针对性措施，重点解决二次设 备本身的抗千扰问题，避免当前工程建设中采取的抗千扰措施过多、实施繁杂的问 题，进一步降低工程造价。这也是本课题的意义所在。 1 . 3微机保护电磁兼容现状 微机保护是应用数字技术构成的数字式保护，具有模拟型保护所不能实现的一 系列优点，且调试和运行维护简便，目前广泛应用于电力系统。但如前所述，保护 装置工作的环境干扰相当严重，雷击、系统故障、系统设备的操作以及控制、保护 装置的动作等一系列原因产生的过电压、过电流和浪涌干扰，经电压、电流互感器 的二次电缆或低压控制电缆侵入保护装置;保护装置内部，由于辅助继电器的动作 或直流转换器转换过程中的高频信号，也会产生干扰。这些干扰的特点是频率高、 幅值大，而且持续时间短，能通过各种途径侵入微机保护中的电子电路，干扰微机 保护的正常工作，而且不能采用通常设备简单延时电路来防止。 在近几届的国际大电网会议上，变电站电磁兼容问题，一直被列为干扰组的优 先课题。wg 3 6 .0 4工作组 1 9 9 7年发布了 发电厂和变电站电磁兼容导则 。2 0 0 2 年会议发表了两篇关于变电站电磁兼容的论文，一篇是介绍俄罗斯在变电站电磁兼 容领域的研究活动成果，另一篇是以 wg 3 6 . 0 4工作组名义提出的电磁兼容专题报 告。报告提出两个需要进一步研究的问题:其一是对安装在高压开关场内的分布电 子设备和系统进行抗扰度评估;其二是如何对变电站的二次系统进行抗扰度的现场 试验和评估，以 补充目 前仅在实验室内对单件设备进行抗扰度试验的不足 1 0 1 我国从七十年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起 着先导的作用， 相继研制出不同原理、 不同型式的微机保护装置。 1 9 8 4年原华北电 力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在电力系统中获得应用，揭 开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。此后，各种 保护原理方案、算法的微机线路保护和微机主设备保护相继问世，为电力系统提供 了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的微机继电保护装置，同时积累了丰富的运 行经验。随着微机保护装置的深入研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很 多理论成果。 社会的需求成就了事物的发展。随着我国特高压输电线路的建设，特高压输电 线路必将成为联合系统和全国统一电网的骨架，其安全可靠运行对于系统的安全可 靠运行起着决定性的作用，故对其继电保护的性能和可靠性要求极高。这些都将极 大推动微机保护电磁兼容的研究。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 4 本论文的主要工作 电力系统继电保护装置向微机化、数字化、小型化的方向发展，装置的集成度 越来越高，其工作电压和电流越来越低，而承受电磁干扰的能力也越来越差。微机 保护如何适应更严酷的变电站电磁环境成为一个重要的研究课题。 本论文从微机保护装置自身的抗干扰能力出发，以典型的超高压线路保护装置 c s l - 1 0 1 和新型的数字线路保护装置c s c - 1 6 3 为研究对象， 以试验结论为重要依据， 对装置的接地方式和电源供电方式提出新的改进方案，大大提高了装置对浪涌和电 j决速瞬变的抗扰性。具体内容如下: ( 1 )分析了当前微机保护装置工作的电磁环境，以及装置在电磁兼容技术方 面的难点。 ( 2 )分析了目前广泛采用的系统浮地方式在防浪涌干扰方面的局限性，提出 了以系统接地减小浪涌干扰的方法。然后比较了接地和浮地方式下干扰在装置各端 口回路的传输途径，为实现系统接地方式提供了理论基础。 ( 3 )提出了具体的系统接地方案，针对 c s l - 1 0 1 和 c s c - 1 6 3 线路保护装置， 进行改造，将其变为系统直接接地系统，对系统接地和浮地方式下装置的抗扰性进 行了比对试验，并对试验中出现的一些问题做出了分析，提出了改进措施。 ( 4 )为解决传统的集中供电方式所带来的电磁兼容问题，提出了分布供电方 案， 并在c s l - 1 0 1 保护装置上实现了部分分布供电方式， 对其进行了电磁兼容测试， 以此为依据，并考虑到装置的成本问题，提出了采用部分集中供电，部分分布供电 的供电模式和在接地系统中实现分布供电方式的方法。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电磁骚扰的机理 2 .1 变电站的典型骚扰源 形成电磁千扰必须同时具备三个因素:电磁骚扰源;对此种类型的干扰能量敏 感的接受器 ( 敏感设备) ;将能量从干扰源藕合到敏感设备的媒质，即祸合通道。 以下对凡种典型的骚扰源进行详细的分析。 2 . 1 . 1 雷击引起的暂态骚扰 雷电是来自大气层中的频繁且强烈的电磁骚扰源。雷击分直接雷击和间接雷击 ( 又称感应雷击) 。直接雷击是指雷击于输电线路或电气设备。由于避雷针的保护， 雷击变电站电气设备的情况较少发生。间接雷击是指雷击附近的物体，例如雷击于 输电线路杆塔塔顶、雷击于避雷线以 及雷击大地。雷电放电电流是强烈的骚扰源， 在周围空间辐射电磁场，从而使地面上的金属导体感应出很高的电压。系统中的信 号线，电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲。它可能会造成一次 设备绝缘的破坏，即使不破坏绝缘如此高的雷电压和雷电流通过容性祸合、感性藕 合或阻性祸合而传到二次设备上，也可能造成二次设备的不正确动作。一般用脉冲 电磁场试验来模拟直接雷击产生的过电压。间接雷击一般用浪涌试验来模拟。 2 . 1 . 2 开关操作引起的暂态骚扰 一次回路中，当开关进行切合操作时，引起回路的状态发生变化，从一种稳定 状态经过振荡达到新的稳定状态，从而产生暂态过电压。此电压将在电路中产生一 个电流和电压衰减振荡波， 且峰值电流和系统电压成正比。 下图为简化的等值电路: 产卜 介入长 口几一- 1户了 开关操作等值电路图 当闭合开关时的振荡频率为 厂 一 生 ，阵一 阵 丫 二 上 ，匡 hr v l c 又 2 l 少2 r v l c 如果回路参数l 和c的数值都比较小，如切合小电容负载等，则产生频率很高 华北电力大学硕士学位论文 第二章电磁骚扰的机理 2 .1 变电站的典型骚扰源 形成电磁千扰必须同时具备三个因素:电磁骚扰源;对此种类型的干扰能量敏 感的接受器 ( 敏感设备) ;将能量从干扰源藕合到敏感设备的媒质，即祸合通道。 以下对凡种典型的骚扰源进行详细的分析。 2 . 1 . 1 雷击引起的暂态骚扰 雷电是来自大气层中的频繁且强烈的电磁骚扰源。雷击分直接雷击和间接雷击 ( 又称感应雷击) 。直接雷击是指雷击于输电线路或电气设备。由于避雷针的保护， 雷击变电站电气设备的情况较少发生。间接雷击是指雷击附近的物体，例如雷击于 输电线路杆塔塔顶、雷击于避雷线以 及雷击大地。雷电放电电流是强烈的骚扰源， 在周围空间辐射电磁场，从而使地面上的金属导体感应出很高的电压。系统中的信 号线，电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲。它可能会造成一次 设备绝缘的破坏，即使不破坏绝缘如此高的雷电压和雷电流通过容性祸合、感性藕 合或阻性祸合而传到二次设备上，也可能造成二次设备的不正确动作。一般用脉冲 电磁场试验来模拟直接雷击产生的过电压。间接雷击一般用浪涌试验来模拟。 2 . 1 . 2 开关操作引起的暂态骚扰 一次回路中，当开关进行切合操作时，引起回路的状态发生变化，从一种稳定 状态经过振荡达到新的稳定状态，从而产生暂态过电压。此电压将在电路中产生一 个电流和电压衰减振荡波， 且峰值电流和系统电压成正比。 下图为简化的等值电路: 产卜 介入长 口几一- 1户了 开关操作等值电路图 当闭合开关时的振荡频率为 厂 一 生 ，阵一 阵 丫 二 上 ，匡 hr v l c 又 2 l 少2 r v l c 如果回路参数l 和c的数值都比较小，如切合小电容负载等，则产生频率很高 华北电力大学硕士学位论文 的振荡。 典型的振荡频率对于a i s 是几十k h z 到几mh z 。 对于 g i s 可达几十mh z . 试验结果表明，用隔离开关切合空载母线时，开关触头间将产生电弧重燃，在回路 中形成一系列高频振荡。分闸操作时，振荡幅值随着重燃次数的增加而增大;合闸 操作时则相反，振幅随着电弧重燃次数的增加而降低。 一般来讲，由于断路器的断口之间有灭弧介质，而且动触头的运动速度比隔离 开关快，所以操作时电弧重燃的概率很小，所产生的骚扰较之隔离开关操作时低得 多。当断口间有抑制操作过电压的并联电阻时，对二次回路的骚扰就更小。这种骚 扰多见于切除空载线路或电容器组、分闸空载线路、拉合空母等。一般用阻尼振荡 波抗扰度试验来模拟。 2 . 1 . 3 直流回路操作产生的暂态骚扰 直流操作回路中具有大电感的线圈，如开关的跳合闸线圈 线圈等。当直流回路断开时，由于电感内储存的磁能 产生几千伏的过电压 。这种过电压可以通过连接导线 、电磁式继电器的工作 的释放， 线圈两端可能 导骚扰和辐射骚扰，直 接或间接地影响有直流电源供电的二次设备。 图为中间继 电器和断路器跳闸线圈断开时线圈两端的过电压波形。 一 一 门 二 千 c c _ _ n o 八户一 图 2 . 2切断直流回路等值电路图和线圈两端过电压波形图 波形的前面部分为锯齿形，后面部分则为衰减振荡。锯齿波的形成是因为线圈 电 路断 开时， 线圈中的 磁能向 分布电 容c d 反向 充电 ， 电 容上的电 压和电 源电 压相加， 共同加在触点的间隙上。当间隙上的电压上升到足以使断口击穿时，断口间产生电 弧。分布电容通过电弧放电，断口两端的电压下降，由于放电回路的时间常数非常 小，断口电压迅速下降至零，断口的绝缘恢复，分布电容又一次被充电，这个过程 反复进行下去，电弧多次重燃。每次电弧重燃，分布电容即完成一次充放电过程， 形成一个锯齿波。电弧的多次重燃形成一系列锯齿形波。由于每次放电都要消耗一 部分磁能，同时随着开关断口距离拉长，绝缘强度恢复速度加快，所以，断口距离 增加到某一限度以后，电弧不再重燃。此后，线圈中剩余的能量和分布电容中的电 场能量互相交换形成衰减振荡的波形，一直持续到能量全部耗尽为止。 在分布电容c 、 每次通过电弧向电 源回路反向 放电时， 电 源回路上出 现很大的 瞬 华北电力大学硕士学位论文 的振荡。 典型的振荡频率对于a i s 是几十k h z 到几mh z 。 对于 g i s 可达几十mh z . 试验结果表明，用隔离开关切合空载母线时，开关触头间将产生电弧重燃，在回路 中形成一系列高频振荡。分闸操作时，振荡幅值随着重燃次数的增加而增大;合闸 操作时则相反，振幅随着电弧重燃次数的增加而降低。 一般来讲，由于断路器的断口之间有灭弧介质，而且动触头的运动速度比隔离 开关快，所以操作时电弧重燃的概率很小，所产生的骚扰较之隔离开关操作时低得 多。当断口间有抑制操作过电压的并联电阻时，对二次回路的骚扰就更小。这种骚 扰多见于切除空载线路或电容器组、分闸空载线路、拉合空母等。一般用阻尼振荡 波抗扰度试验来模拟。 2 . 1 . 3 直流回路操作产生的暂态骚扰 直流操作回路中具有大电感的线圈，如开关的跳合闸线圈 线圈等。当直流回路断开时，由于电感内储存的磁能 产生几千伏的过电压 。这种过电压可以通过连接导线 、电磁式继电器的工作 的释放， 线圈两端可能 导骚扰和辐射骚扰，直 接或间接地影响有直流电源供电的二次设备。 图为中间继 电器和断路器跳闸线圈断开时线圈两端的过电压波形。 一 一 门 二 千 c c _ _ n o 八户一 图 2 . 2切断直流回路等值电路图和线圈两端过电压波形图 波形的前面部分为锯齿形，后面部分则为衰减振荡。锯齿波的形成是因为线圈 电 路断 开时， 线圈中的 磁能向 分布电 容c d 反向 充电 ， 电 容上的电 压和电 源电 压相加， 共同加在触点的间隙上。当间隙上的电压上升到足以使断口击穿时，断口间产生电 弧。分布电容通过电弧放电，断口两端的电压下降，由于放电回路的时间常数非常 小，断口电压迅速下降至零，断口的绝缘恢复，分布电容又一次被充电，这个过程 反复进行下去，电弧多次重燃。每次电弧重燃，分布电容即完成一次充放电过程， 形成一个锯齿波。电弧的多次重燃形成一系列锯齿形波。由于每次放电都要消耗一 部分磁能，同时随着开关断口距离拉长，绝缘强度恢复速度加快，所以，断口距离 增加到某一限度以后，电弧不再重燃。此后，线圈中剩余的能量和分布电容中的电 场能量互相交换形成衰减振荡的波形，一直持续到能量全部耗尽为止。 在分布电容c 、 每次通过电弧向电 源回路反向 放电时， 电 源回路上出 现很大的 瞬 华北电力大学硕士学位论文 变脉冲电流，这是产生千扰的根本原因。一般电源回路总是存在着一定的阻抗，这 些瞬变脉冲电流在回路阻抗上产生相应的瞬变脉冲电压。如果回路中的分布电感较 大则瞬变电压可能变成衰减振荡波形。对于使用同一电源的其他设备，这些叠加在 电源上的脉冲或振荡就构成了传导干扰。另一方面瞬变脉冲电流产生的电磁场也可 以通过空间辐射或藕合方式干扰其他设备正常工作，同时电弧本身也是辐射源。 过电压产生的脉冲重复率大体上是几 k h z 到几百 k h z ，因此在 e mc中成为电 快速瞬变脉冲。若用频谱分析仪观察，这些波形包含的频谱非常宽，达几百mh z . 但在射频范围内，能量较小，因此瞬变电压主要会引起传导骚扰。 在触点打开的过程中可能会出现触点的弹跳和抖动，这就使得上述过程重复出 现而形成干扰脉冲群。 一般用电快速瞬变脉冲群抗扰度试验来评估e u t对来自操作 瞬态过程 ( 如断开电感性负荷、继电器接点弹跳等)中所产生的干扰。 2 . 1 . 4 直流电源的瞬时中断与恢复引起的骚扰 这是一种在运行中对微机设备产生干扰的情况。直流供电电源的突变和渐变实 验，应是对微机保护装置的一个重要实验内容，包括直流电源的突然断开和投入和 直流供电电源的逐渐上升和逐渐下降。前者对应于保护装置本身直流电源的断开和 投入，而后者则对应于直流供电系统的远方短路故障。在大型的变电站中，直流控 制系统有很大的对地电容，由于远端短路故障的发生和切除而产生的保护装置端子 上的直流供电电压变化，都可能是渐变而非突变的。设计的继电保护装置，必须保 证在整个直流供电电压变化的过程中，不误发跳闸命令，同时也不误发跳闸信号。 对应的试验是直流电压暂降、短时中断和电压变化。 2 . 2电磁干扰的祸合方式 ( 1 )导藕合 8 传导藕合在发生干扰源与敏感设备相连的公共阻抗上。传导是指经过金属线路 的传输，其途径可分为电阻传输、电感传输和电容传输。传导干扰的传输要求在干 扰源及敏感设备之间有完整的电路连接，包括导线、供电电源、公共阻抗、设备机 架、金属支架、接地平面、互感或电容等。即使共用一个返回通路，将两个电路直 接连接起来，也会发生传导性传输祸合。 传导藕合的解决方法是在两个电路之间尽量取消公共通路，也就没有公共阻 抗。这个方法可用于任何包含公共阻抗的电路，例如电源汇流条连接。 2 )磁场感应 交流电流在导体中流动会产生磁场，这个磁场将与相邻的导体藕合，在其上感 应出电压，磁场藕合用两个环路之间的互感表示。这样感应的电压由公式计算。 华北电力大学硕士学位论文 变脉冲电流，这是产生千扰的根本原因。一般电源回路总是存在着一定的阻抗，这 些瞬变脉冲电流在回路阻抗上产生相应的瞬变脉冲电压。如果回路中的分布电感较 大则瞬变电压可能变成衰减振荡波形。对于使用同一电源的其他设备，这些叠加在 电源上的脉冲或振荡就构成了传导干扰。另一方面瞬变脉冲电流产生的电磁场也可 以通过空间辐射或藕合方式干扰其他设备正常工作，同时电弧本身也是辐射源。 过电压产生的脉冲重复率大体上是几 k h z 到几百 k h z ，因此在 e mc中成为电 快速瞬变脉冲。若用频谱分析仪观察，这些波形包含的频谱非常宽，达几百mh z . 但在射频范围内，能量较小，因此瞬变电压主要会引起传导骚扰。 在触点打开的过程中可能会出现触点的弹跳和抖动，这就使得上述过程重复出 现而形成干扰脉冲群。 一般用电快速瞬变脉冲群抗扰度试验来评估e u t对来自操作 瞬态过程 ( 如断开电感性负荷、继电器接点弹跳等)中所产生的干扰。 2 . 1 . 4 直流电源的瞬时中断与恢复引起的骚扰 这是一种在运行中对微机设备产生干扰的情况。直流供电电源的突变和渐变实 验，应是对微机保护装置的一个重要实验内容，包括直流电源的突然断开和投入和 直流供电电源的逐渐上升和逐渐下降。前者对应于保护装置本身直流电源的断开和 投入，而后者则对应于直流供电系统的远方短路故障。在大型的变电站中，直流控 制系统有很大的对地电容，由于远端短路故障的发生和切除而产生的保护装置端子 上的直流供电电压变化，都可能是渐变而非突变的。设计的继电保护装置，必须保 证在整个直流供电电压变化的过程中，不误发跳闸命令，同时也不误发跳闸信号。 对应的试验是直流电压暂降、短时中断和电压变化。 2 . 2电磁干扰的祸合方式 ( 1 )导藕合 8 传导藕合在发生干扰源与敏感设备相连的公共阻抗上。传导是指经过金属线路 的传输，其途径可分为电阻传输、电感传输和电容传输。传导干扰的传输要求在干 扰源及敏感设备之间有完整的电路连接，包括导线、供电电源、公共阻抗、设备机 架、金属支架、接地平面、互感或电容等。即使共用一个返回通路，将两个电路直 接连接起来，也会发生传导性传输祸合。 传导藕合的解决方法是在两个电路之间尽量取消公共通路，也就没有公共阻 抗。这个方法可用于任何包含公共阻抗的电路，例如电源汇流条连接。 2 )磁场感应 交流电流在导体中流动会产生磁场，这个磁场将与相邻的导体藕合，在其上感 应出电压，磁场藕合用两个环路之间的互感表示。这样感应的电压由公式计算。 华北电力大学硕士学位论文 变脉冲电流，这是产生千扰的根本原因。一般电源回路总是存在着一定的阻抗，这 些瞬变脉冲电流在回路阻抗上产生相应的瞬变脉冲电压。如果回路中的分布电感较 大则瞬变电压可能变成衰减振荡波形。对于使用同一电源的其他设备，这些叠加在 电源上的脉冲或振荡就构成了传导干扰。另一方面瞬变脉冲电流产生的电磁场也可 以通过空间辐射或藕合方式干扰其他设备正常工作，同时电弧本身也是辐射源。 过电压产生的脉冲重复率大体上是几 k h z 到几百 k h z ，因此在 e mc中成为电 快速瞬变脉冲。若用频谱分析仪观察，这些波形包含的频谱非常宽，达几百mh z . 但在射频范围内，能量较小，因此瞬变电压主要会引起传导骚扰。 在触点打开的过程中可能会出现触点的弹跳和抖动，这就使得上述过程重复出 现而形成干扰脉冲群。 一般用电快速瞬变脉冲群抗扰度试验来评估e u t对来自操作 瞬态过程 ( 如断开电感性负荷、继电器接点弹跳等)中所产生的干扰。 2 . 1 . 4 直流电源的瞬时中断与恢复引起的骚扰 这是一种在运行中对微机设备产生干扰的情况。直流供电电源的突变和渐变实 验，应是对微机保护装置的一个重要实验内容，包括直流电源的突然断开和投入和 直流供电电源的逐渐上升和逐渐下降。前者对应于保护装置本身直流电源的断开和 投入，而后者则对应于直流供电系统的远方短路故障。在大型的变电站中，直流控 制系统有很大的对地电容，由于远端短路故障的发生和切除而产生的保护装置端子 上的直流供电电压变化，都可能是渐变而非突变的。设计的继电保护装置，必须保 证在整个直流供电电压变化的过程中，不误发跳闸命令，同时也不误发跳闸信号。 对应的试验是直流电压暂降、短时中断和电压变化。 2 . 2电磁干扰的祸合方式 ( 1 )导藕合 8 传导藕合在发生干扰源与敏感设备相连的公共阻抗上。传导是指经过金属线路 的传输，其途径可分为电阻传输、电感传输和电容传输。传导干扰的传输要求在干 扰源及敏感设备之间有完整的电路连接，包括导线、供电电源、公共阻抗、设备机 架、金属支架、接地平面、互感或电容等。即使共用一个返回通路，将两个电路直 接连接起来，也会发生传导性传输祸合。 传导藕合的解决方法是在两个电路之间尽量取消公共通路，也就没有公共阻 抗。这个方法可用于任何包含公共阻抗的电路，例如电源汇流条连接。 g ，| 弓v 自 闪1 l c 3中 ， 1土宁| 图3 . 3开入回路电路图 在系统浮地情况下，浪涌能量在进入开入端口后沿信号线传输， 传输回路如图 中 工 1 、工 2所示。其中一部分进入装置后将通过传输线对地的分布电容流入大地如 n所示。虽然在此过程中由于线路的不平衡会产生一些差模千扰，但只要差模电流 不足以使光电二级管导通就不会对装置产生什么影响。 另一部分将通过光祸中的分布电容进入系统内部。其中由c 1 直接祸合到三级 管集电极的干扰直接进入内部系统。而由 c 2藕合到三级管基极的千扰则有可能产 生光藕的瞬态饱和现象，这部分干扰通过:光藕原方一原方与副方三极管基极之间 的电容 c 2 副方三极管的基极一集电极5 v g对地电容泄放入地，这样光祸将 出现短时导通现象，如果程序中没有足够的延时可以躲过这段电压跌落将有可能使 装置产生误动。 与电源回路类似， 在浮地系统下仅靠传输线对地的分布电容不足以泄放浪涌千 扰的能量，而且由于光棍的耐压性较差，当浪涌能量较大时光祸很有可能被击穿， 华北电力大学硕士学位论文 而使强大的浪涌直接进入弱电系统，这样的情况对装置的破坏是相当严重的。 在2 4 v 系统接地后， 对两个输入端施加的共模干扰中对地打的浪涌能量在进入 端口之初就从接地线泄放掉，因此此时对装置施加的共模干扰实际上相当于差模千 扰。而 d 工 n1 1端子上的浪涌能量在从地线泄放的过程中不可避免的要流经二极管 v 2 9 和光藕的光电二级管。由于地线阻抗并不是单纯的电阻，而是有一定的感抗存 在，所以浪涌的泄放回路实际上是一个由电阻和电抗组成的震荡回路，因此，无论 是正、负极性的浪涌干扰，在流向大地的过程中都将产生正、负两个方向的电流。 这样，无论施加正、负极浪涌千扰，光祸二级管都会有干扰电流流过，一直到浪涌 能量泄放完，这样的浪涌电流可能产生光祸短时导通。虽然这样将对装置产生一定 的负面影响，但它至少保证了浪涌在进入光祸之前已经泄放了极大部分能量，确保 了光藕元件的安全。 在5 v系统接地后， 由c 1 直接辊合到三级管集电极的浪涌干扰将可以通过 5 v g 直接泄放，这保证了浪涌能量不会进入系统内部而对弱电部分的元器件造成危害。 但由 c 2祸合到三级管基极的千扰仍有可能使光祸产生瞬态饱和现象，这种现象在 2 4 v接地后将会有所减弱，由于2 4 v的泄放作用， 剩余的浪涌能量己经不多，能进 祸合进光藕副边的干扰也将大为减小，这样将使光祸的瞬态饱和现象得以控制。 3 . 3 . 3 开出回路分析 微机保护的开出量主要有保护的跳闸出口、本地和中央信号等。开出量一般都 是由继电器动作来给出的，有一定的干扰隔离能力。为了提高装置的抗干扰能力， 开关量输出回路同样经过光祸隔离。开出端口的电路模型如图3 . 4 所示，其中d1 7 是自检光祸，d 1 9 是开出光藕。 nn 一 门 图3 . 4开出端口电路模型 在浮地时，浪涌干扰通过继电器触点和线圈间的分布电容祸合进装置内部，其 中一部分沿信号回路传播， 并通过开出光祸的分布电容影响c p u系统; 另一部分通 华北电力大学硕士学位论文 而使强大的浪涌直接进入弱电系统，这样的情况对装置的破坏是相当严重的。 在2 4 v 系统接地后， 对两个输入端施加的共模干扰中对地打的浪涌能量在进入 端口之初就从接地线泄放掉，因此此时对装置施加的共模干扰实际上相当于差模千 扰。而 d 工 n1 1端子上的浪涌能量在从地线泄放的过程中不可避免的要流经二极管 v 2 9 和光藕的光电二级管。由于地线阻抗并不是单纯的电阻，而是有一定的感抗存 在，所以浪涌的泄放回路实际上是一个由电阻和电抗组成的震荡回路，因此，无论 是正、负极性的浪涌干扰，在流向大地的过程中都将产生正、负两个方向的电流。 这样，无论施加正、负极浪涌千扰，光祸二级管都会有干扰电流流过，一直到浪涌 能量泄放完，这样的浪涌电流可能产生光祸短时导通。虽然这样将对装置产生一定 的负面影响，但它至少保证了浪涌在进入光祸之前已经泄放了极大部分能量，确保 了光藕元件的安全。 在5 v系统接地后， 由c 1 直接辊合到三级管集电极的浪涌干扰将可以通过 5 v g 直接泄放，这保证了浪涌能量不会进入系统内部而对弱电部分的元器件造成危害。 但由 c 2祸合到三级管基极的千扰仍有可能使光祸产生瞬态饱和现象，这种现象在 2 4 v接地后将会有所减弱，由于2 4 v的泄放作用， 剩余的浪涌能量己经不多，能进 祸合进光藕副边的干扰也将大为减小，这样将使光祸的瞬态饱和现象得以控制。 3 . 3 . 3 开出回路分析 微机保护的开出量主要有保护的跳闸出口、本地和中央信号等。开出量一般都 是由继电器动作来给出的，有一定的干扰隔离能力。为了提高装置的抗干扰能力， 开关量输出回路同样经过光祸隔离。开出端口的电路模型如图3 . 4 所示，其中d1 7 是自检光祸，d 1 9 是开出光藕。 nn 一 门 图3 . 4开出端口电路模型 在浮地时，浪涌干扰通过继电器触点和线圈间的分布电容祸合进装置内部，其 中一部分沿信号回路传播， 并通过开出光祸的分布电容影响c p u系统; 另一部分通 华北电力大学硕士学位论文 过回路与地之间的分布电容流入大地，由于回路各点对地的分布电容并不相同，因 此共模千扰转换成差模干扰，当干扰超过一定限度将使 c p u读写出错。 在 2 4 v g接地后，从继电器触点侧引入装置内部的干扰一部分通过地线泄放入 地，但是由于继电器线圈在高频情况下将呈现高阻抗特性，致使泄放回路的阻抗增 大，干扰能量不能顺畅的泄放入地，其中一部分千扰仍将通过二极管 v 2进入内部 回路，并最终通过光祸中的分布电容进入5 v系统。 在5 v系统接地后，沿信号线传播过来的剩余浪涌能量在通过光祸间分布电 容进入 5 v侧后将从地线泄放。由 于有了继电器和光祸的两次隔离，进入系统内部的千扰能量 大大减弱，因此 5 v系统比2 4 v系统的干扰要小的多。同时，由于浪涌干扰是通过继电 器触点和线圈间以及光祸的原、 副边间的分布电容进入装置内部的，因此高频率的共模 干扰对装置的影响要比差模干扰强的多。 3 . 3 . 4 交流回路分析 交流回路连接着高压设备和二次设备， 一次系统的高频千扰很容易通过交流回 路进入保护装置，因此对交流回路的抗千扰处理对保护的影响重大。为了减少来自 t a二次回路产生的磁场祸合千扰和来自t v二次线上的电场干扰， 它们的初级引线 要尽量短，并且不能相互交叉，以减少它们彼此之间的干扰。交流插件中的互感器 的作用是将二次电流和电压变换成保护系统所能识别的电压，同时起到干扰隔离的 作用。它能实现电路与电路之间的电气隔离，从而解决地环路电流带来的设备与设 备之间的干扰。互感器屏蔽层接地虽然不属于系统接地的范畴，但由于它对装置的 抗干扰性有很大影响，所以在此一并分析。 差模干扰是串联在信号回路中的干扰，它通过互感器原、副边线圈的电磁感应 进入装置内部，对此滤波器就能起到较好的作用。共模干扰是一种相对于大地的干 扰，它不会通过变压器传递，所以一般的中间变压器对共模干扰也有一定的屏蔽作 用，但由于变压器一次和二次绕组靠得很近，很多部位存在分布电容，于是一些干 扰尤其是高频千扰很容易通过这些杂散电容祸合到二次侧。所以这种普通的中间变 压器对干扰尤其是对高频的共模干扰的抑制效果不是很好。为了改进普通中间变压 器的干扰衰减特性，可在一次和二次绕组间加静电屏蔽层并接地。带屏蔽层的互感 器在高 频 下的电 路图 如图3 .5 所示， 其中u， 为共模干 扰电 压，u n 2 为变压器二次 侧 祸合到的干扰电压，由图中可得: u n 2 “ u z c 2 0 匕+ z c 20 + c i a ) c i o 华北电力大学硕士学位论文 过回路与地之间的分布电容流入大地，由于回路各点对地的分布电容并不相同，因 此共模千扰转换成差模干扰，当干扰超过一定限度将使 c p u读写出错。 在 2 4 v g接地后，从继电器触点侧引入装置内部的干扰一部分通过地线泄放入 地，但是由于继电器线圈在高频情况下将呈现高阻抗特性，致使泄放回路的阻抗增 大，干扰能量不能顺畅的泄放入地，其中一部分千扰仍将通过二极管 v 2进入内部 回路，并最终通过光祸中的分布电容进入5 v系统。 在5 v系统接地后，沿信号线传播过来的剩余浪涌能量在通过光祸间分布电 容进入 5 v侧后将从地线泄放。由 于有了继电器和光祸的两次隔离，进入系统内部的千扰能量 大大减