（电力系统及其自动化专业论文）电力二次系统接地及抗干扰方法研究.pdf

东南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e ra u x i l i a r ys y s t e mi sp a r ta n dp a r c e lo fp o w e rs y s t e m ，i n c l u d i n g ：t h ee q u i p m e n to fp r o t e c t i o n s y s t e m ，t h ec a b l el o o po fa u x i l i a r ys y s t e m ，s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) s y s t e m ，e t e t h et e c h n o l o g yo fm i c r o p r o c e s s o r sa n dc o m p u t e r si sv e r yi m p o r t a n ta n dw i d e l yu s e di nr e l a yp r o t e c t i o na n d s c a d a s y s t e mb u t ，b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ec o n t r o l l i n gc a b l ea n ds i g n a lc a b l ei np o w e rp l a n ta n d s u b s t a t i o n ，a n do ft h ec o m p l e x i t yo ft h es u r r o u n d i n g s ，t h ee q u i p m e n tu s e di np r o t e c t i o no rs c a d as y s t e mi s v e r ye a s yt ob ei n t e r f e r e d s o ，i ti sq u i t ei m p o r t a n th o wt od ot oa n t i - j a m m i n g t h et e c h n i q u eo fg r o u n d i n ga r g u e da b o u tf o ral o n gt i m ei so n l yl i m i to ft h et e c h n i q u ec o m m o ni no r d e r t op r o t e c t ，i m p r o v es y s t e mp r o t e c t i o nm i dr e l i a b i l i t ya n dp r o v i d e ss a f e t yt op e o p l es t a n d i n gb y w i t ht h ew i d e l y u s e do fm i c r o p r o c e s s o r sa n dc o m p u t e r s ，g r o u n d i n gt e c h n i q u ei sm o r ei m p o r t a n tm a dm a k i n gp r o g r e s sa so d e e f f e c t i v ew a yo fe n t i - j a m m i n g i nt h ec o u r s eo fi n s t a l l i n ga n dt e s t i n gs y s t e mp r o t e c t i o na n dr e l i a b i l i t y , if o u n dt h a tt h ew a yo fg r o u n d i n g a b o u tt h ec ta n dp tc a b l el o o pa n d ，t h e r ei sn ot h es a m em l eo fw a yo fg r o u n d i n ga b o u tt h es h i e l do f c o n t r o l l i n gc a b l e i nt h i st h e s i s ，t h ee a n s eo fd i s t u r b a n c ee n dt h ee f f e c to nt h ep o w e ra u x i l i a r ys y s t e ma r ea n a l y z e d as e r i e s o fw a y so fg r o u n d i n go ft h ep o w e ra u x i l i a r ys y s t e ma r es u m m a r i z e da n da n a l y z e dc o m p a r e da n dt h e n c o n e l u s i o n sa r ew f i r e na tt h ee n do f t h et h e s i s t h e w o r ki n c l u d i n g ： ( 1 ) as u r v e ya n dac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe l e c t r i cd i s t u r b a n c ea n di t st r a n s m i t t i n gw a ya l ei n t r o d u c e d ( 2 1t h ec o n s i s to fm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ni ss u m m a r i z e df r o m h a r d w a r em i ds o f t w a r et h e a n t i - j a m m i n gw a y o fs c a d ai se x p l o r e da n da n a l y z e d ( 3 ) t h eg m u n d i n gw a yo fp o w e ra u x i l i a r ys y s t e ma n dt h el n e a s u r e so fa n t i - j a m m i n ga r ee x p l o r e da n d a n a l y z e d k e yw o r d s ：p o w e ra u x i l i a r ys y s t e m ，p r o t e c t i o ns y s t e m ，a n t i - j a m m i n g , g r o u n d i n g ，m i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o n ，d i s t u r b a n c e i 东南大学工程硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：逝 日期：竺! 尘中 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采f l 【；影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 孔多n导师签名：n 日期：删一厂 东南大学工程硕士学位论文 第一章引言 为了工作和安全的需要，电力系统及其电气设备的某些部分与大地相连接，这就是接地。电力系 统的接地是必须的，也是必要的。 接地的种类主要有以下几种： 工作接地：工作接地是为系统正常工作而设置的接地。如为了降低电力设备的绝缘水平，在1 l o k v 及以上电力系统中采用中性点接地的运行方式，在两线一地的双极高压直流输电中也需将其中性点接 地。除主设备的接地外，在微电子电路中，根据电路性质不同，还有各种不同的工作接地：比如直流 地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。 防雷接地：为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装 置以便将雷电流引入大地。 安全接地：为了保证人身的安全，将电气设备外壳设置的接地。 任何接地极都存在着接地电阻，正因为如此，当有电流流过接地体时，在接地电阻上的压降将引 起接地极电位的升高：电流在地中扩散刚，地面会出现电位梯度。 1 1 电力二次系统接地的必要性 我国电力事业发展迅速，电力系统容量越来越大。随着继电保护技术和计算机技术的高速发展， 系统中微机型继电保护已应用的极为广泛。从系统保护、线路保护到设备的元件保护，都已从模拟型 和晶体管型更新换代为微机保护。微电子技术已成为电力继电保护和监控系统中的最重要的技术。 计算机系统和网络技术的应用，大大提高了电力系统运行的安全性和可靠性，也提高了系统的暂 态稳定和动态稳定性。但是，由于电厂和变电所的二次电缆众多且错综复杂，电力系统和设备发生故 障时其暂态过程和故障电气量的数值变化很大，伴随着极其复杂的电磁振荡过程，微机系统因为工作 电压低，极易受到干扰。_ 二次电缆和继电保护设备自身的接地和抗干扰变得极其重要。不断有因为二 次系统接地问题和干扰造成保护误动或开关误跳，甚至造成保护及控制元件损坏“1 。 电力系统中，二次系统的硬件层部分是由各种二次设备和电缆组成的，几乎所有的电气量都是通 过电缆引入二次设备的。这些电缆处于一次设备的高压电磁场中，工作条件极其复杂，同时还经受着 系统故障时各种暂态环境和各种气候条件的考验。而作为二次系统的大脑，各种保护装置和信息处理 系统，都是由计算机、通信设备等敏感的电子原器件构成，对各种诸如雷电过电压、电力系统操作过 电压、静电放电、电磁辐射等干扰非常敏感。 电力系统的接地对于一次和二次设备的正常运行是必不可少的。对于一次系统，可靠的接地有效 降低了电力设备的绝缘水平，同时可以有效避免雷电的危害。对于二次系统，可靠正确的接地能够有 一 电力二次系统接地及抗干扰方法研究 效地降低干扰水平，保证继电保护装置的正常运行和信息畅通。对于操作运行人员，可靠的安全接地 有效地减少了设备故障及系统故障时的不安全因素，保证人身安全。 随着电力的发展和容量的不断增大，故障时随地网流散的电流愈来愈大，故障时地网的电位也随 之升高，对于二次系统正常运行的影响也越来越大，次系统和二次系统的接地问题也愈来愈受到重 视。 1 2 论文的背景及意义 长期以来所讨论的二次回路接地仅限于一般的接地技术，即为了保护电气设备和人身安全。随着 电力电子技术和计算机技术在电力系统中日益广泛的应用，人们越来越清晰地发现，在发电厂和变电 站中，存在着各种各样的电磁干扰源，它们会干扰电子设备正常的_ 作，造成电力系统故障。因此， 电子设备在这些电磁空间中必须具有一定的抗干扰能力，才能安全正常工作。最近几年，微机保护的 抗干扰问题随之越来越受到重视。接地技术作为抗干扰的有效手段之一，取得了很大的发展。 在电力工程的实际施工中，对于二次系统设备的接地存在较多的误区和错误接法，如电流电压二 次回路和继电保设备的接地方式及接地点位置做法不统一，也无相应的强制性标准规范，这就造成设 备厂家、设计院和施工单位经常做法不一致，给施工和调试带来难度，也给安全可靠运行带来隐患。 目前，全国继电保护还有2 左右的不正确动作率，有些不正确动作仍不断熏复发生，如t v 、c t 二次 回路需一点接地，全今仍有囚其在升压站、继电保护小室多点接地，造成不正确的动作友生。 另外，二次电缆的屏蔽层和钢铠的接地方式做法也无统一的标准和规定“1 ，对于继电保护及测控 系统的抗干扰及正常工作都造成一定的隐患。 二次系统的接地作为继电保护电磁防护的霓要有效手段，必须加以足够地重视。电磁防护水平需 要正确理解屏蔽层的作用以及屏蔽层正确接地的方式。不正确的屏蔽层接地方式可能达不到良好的屏 蔽效果，甚至比不带屏蔽层更差。 鉴丁上述情况，有必要从二次系统和继电保护的工作要求及电磁抗t 扰的角度分析二次同路的接 地，从而总结出发电厂、变电所不同场合下二次系统的接地方法和要求，保证系统的安全稳定运行。 1 3 论文的主要工作 本文的主要工作是分析电力系统的各种干扰的作用机理和对二次系统的影响，进行理论分析、横 向比较。以总结出二次系统各种接地方法的优劣，得出结论。 主要内容为： ( 1 ) 探索分析电力系统的干扰传播路径； 一2 一 东南大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 探索分析微机保护的抗干扰措施 ( 3 ) 探索分析监控系统的抗干扰措施 ( 4 ) 探索总结_ = 次系统设各的接地方法及抗干扰措施。 电力二次系统接地及抗干扰方法许究 第二章电力系统干扰的分类及形成分析 在火电厂和变电站中存在的各种电磁干扰源所产生的各种干扰，对电子设备和继电保护的正常工 作造成的干扰正变得愈来愈突出，有必要对电力系统中的干扰源和干扰类型作分析和总结。 2 1 干扰源 处于同一电力系统中的各种电气设备，由于运行方式的改变、故障、开关操作等引起的电磁振荡 会波及很多电气设备，使其工作发到性能受到影响甚至遭到破坏。电力系统电磁t 扰主要表现在一次 与1 次设备之间、一次和二次设备之间、二次和二次设备之间，包括工频、谐波、冲击和高频振荡。 变电站和发电厂本身是一个强大的电磁干扰源，在正常和故障情况下都会产生各种电磁干扰。干 扰源大致可分为以f 儿类： ( 1 ) 电磁耦合干扰：电力系统一次设备和二次之间几乎都是通过电磁耦合进行工作的，同时，电 场效应和磁场效应也无处不在，因此，次设备本身的高压电场可通过电容耦合到二次设备；大电流 产生的磁场也可通过电感耦合到二次设备。 ( 2 ) 射频干扰：由于天线效应，大型变压器、大型发电机和电动机、高压导线等都会发射出工频 和谐波频率的电磁辐射。 ( 3 ) 雷电干扰：雷电流平均2 0 k a ，最高可达2 0 0 k a ，其发生时间处于u s 级，雷电流对二次的影 响主要是在二次电缆上的干扰。雷电流经避雷器入地，使得地网上的电位分布极不均匀，另外引起地 电位升高，将对屏蔽层接地的电缆上产生干扰。 ( 4 ) 操作引起的干扰： 次系统中的开关操作，断路器、隔离开关的操作会引起电气回路状态变 化，特别是隔离开关动作时，没有灭弧装置，产生多次电弧重燃引起的电磁能量振荡。一般认为开关 操作是引起干扰和过电压的重要原网。 ( 5 ) 短路电流：短路产生的大 l l 流通过耦台对二次设备造成干扰，且短路入地电流会引起地电位 升高，形成地电位差。 ( 6 ) _ 次回路操作干扰：如继电器回路，当断开直流回路电感线圈时会产生高频过电压，每次开 关触点都要在回路中产生次波过程，连串的暂态过程直接影响着同一电源t 的回路，同时通过电 磁耦合到其它回路。 ( 7 ) 局部放电：高压导线表面及绝缘子金具尖端部位的电晕放电，接触不良产生的火花放电以及 污秽绝缘子表面的局部火花等都会产生电磁辐射，形成辐射干扰源。 ( 8 ) 对讲机和通侍设备：通信设备、高频载波机、对讲机都会产生不可忽视的辐射干扰。 ( 9 ) 装置内部电子干扰：如电子设备的电子线路产生各种杂音干扰等。 4 东南大学工程硕士学位论文 由上分析可见，在电力系统中的电磁干扰形成的原因和类型复杂，不仅强度大，而且频谱范围极 宽，可以从几十到数百m t l z ，这给电磁防护造成很大困难。 2 2 干扰的耦合和传播 电磁干扰按其传播方式可分为传导干扰和辐射干扰。沿着导线传播的电磁干扰为传导干扰，其传 播形式有电场耦合( 电容耦合) 、磁场耦合( 电感耦合) 、电磁场耦合和直接电路间耦合。电力系统的 干扰大多是以此种方式传播的。通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰为辐射干扰，例如，输电线路 电晕产生的无线电干扰或电视干扰等。 电磁干扰总是以电磁场的形式存在，严格地来说，电场耦台和磁场耦合也属于电磁场辐射耦合， 现场不可能存在完全的电场和磁场。不过在近场的范围内( 离干扰源的距离小于最高干扰波长的0 1 6 7 倍) ，可以认为高电压对应电场，大电流对应磁场。这样的简化足够精确，而在远场范围内，干扰源的 发射应看成是电磁波传播。 在分析电磁干扰问题时，通常以线缆为讨论对象，分析线缆在场中的作用和线缆之间的作用时， 作以下假定“： ( 1 ) 线缆的屏蔽层由非导磁物质组成，其厚度小于所讨论频率的穿透深度。 ( 2 ) 被干扰回路与干扰回路之间的耦合比较松散。 ( 3 ) 被干扰回路中感应电流足够小，它产生的磁场不会影响原来的磁场。 ( 4 ) 线缆的长度比波长短，所以回路之间的耦台可以用集总参数( 电感和电容) 表示。 2 2 1 干扰传播途径 ( 1 ) 电场耦合( 电容耦合) 。 任何电子设备之间都存在分布电容，变电站中还有补偿电容、耦合电容、电容式电压互感器等电 容元件。某一导体上的电压通过这些电容影响其它导体上的电位，形成传导型干扰。 ( 2 ) 磁场耦合( 电感耦合) 任何载流导体都会在周围空间中产生磁场，若磁场是交变的，则会在周围闭合电路中产生感应电 势。 ( 3 ) 电磁辐射干扰 电磁辐射干扰是指强电系统产生的高频电磁干扰辐射，干扰能量通过空间电磁波的形式传播到弱 电系统中产生干扰，随弱电系统电缆的接地方式不同形成共模或差模干扰。 ( 4 ) 公共阻抗耦台 电力二次系统接地及抗干扰方法研究 这是噪声源和信号源具有公共阻抗时的传导耦合，如雷击电流和短路电流流入地网，尽管接地网 电阻很小，但毕竟不为零，这将使地电位升高，且接地网上不同点将出现地电位差。接在地网不同点 的设备地电压将不同，为，防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗( 接地网阻抗) 趋于零，则地电位差也将 趋干零，干扰电压将消失。由于地网电流的扩散性，远离电流入地点处的电流较小，地电位差也较小。 实际上干扰源对二次回路的耦合是非常复杂的，通常同一干扰源会以几种干扰途径对二次回路产生干 扰。 2 2 2 传导型干扰 ( 1 ) 电容性耦台 任何电子元器件间之间都存在分布电容，干扰源和被干扰设备问就会发生耦合，形成电容耦合。 下面以两条导线间的电容耦合为例说明。如图2 1 。 r ( a ) 不意图( b ) 等效电路图 图2 - 1 两导线问电容耦合 图2 1 中c 。为导线间分布电容，c ，c 为导线l 对地的分布电容，c ：。为导线2 对地的分布电容，包括 导线的分布电容和接在导线2j ：的电路输入电容；r 为导线2 对地的电阻，这个电阻是真正接在导线上 电路的输入电阻，而不是分布参数。v ，为等效的信号电压，设导线2 上因耦合形成的噪声电压为v n ， 则由图1 ( b ) 等效电路可得： v n 一面瓦j o 丽c t 2 k归f 1 2 + c 2 g ) + r l 1 ( 2 1 ) 如果r 很大，则式( 21 ) 可简化为： 弧= = ；三一k ( 22 ) c 1 2 + c 2 【j 从式( 22 ) 中可以看出，在无屏蔽层条件( 相当于r 很大) ，降低c 。的值就可以减小干扰电压v 。值， 而降低c 。值应在布线时尽量增大导线间的距离，并使导线尽量不平行。 如果r 很小，则式( 21 ) 可简化为： 6 东南大学工程硕士学位论文 v n = j c o r c , 2 k ( 2 3 ) 由式( 23 ) 可以看出，如果在被干扰导线外加上金属屏蔽层，情况就变化。如果导线2 全部被屏 蔽体包围，且屏蔽体接地电阻为。时，在屏蔽体上受到的干扰电压v w 为0 ，亦即导线上没有干扰。从 电磁场的角度看，可以认为如屏蔽体良好接地则电场终止于屏蔽体直接耦合到地。 ( 2 ) 磁场耦合 电流流过闭合回路时，产生一正比于电流的磁通： m = l 1( 24 ) l 的数值取决于回路的几何尺寸和磁介质的特性。由于互感现象，一个回路的电流会在另一个回路 产生磁通中，。，由法拉第定理，一个闭合回路里的感应电压表示为： = 一鲁p j s ， 式中a 为闭合回路的面积，b 为磁通密度。如果磁通密度按正弦规律随时间变化，且整个面积上 是均匀分布的话，式( 2 - 5 ) 可简化为： n = j o b a c o s 0 ( 2 - 6 ) 或： v u ： c o m l l ：m d i t ( 2 7 ) “ 也 v n _ j t o b a c o s e a ) 公式26 肯义小削( b ) 公_ j _ i = 2 7 音义_ i i 铡 图2 2 被干扰的闭合回路中感应电压示意图 式( 26 ) 约含义可用图22 ( a ) 说明。由此可以看出，两电路间的磁场耦合( 电感耦台) 正比 于频率。要想减小由于磁耦合引起的干扰电压，必须减小磁场强度b 、面积a 和c o s e 。 减小磁场强度b ：把两个电路在几何位置上分开；或者把干扰源的双线进行扭绞。 减小面积a ：把被干扰回路的双线扭绞起来并尽量靠近“地”。 减小夹角c o so ：适当调整两个电路之间的几何位置。 式( 2 - 7 ) 的含义为两电路间的磁场耦合可用图2 - 2 ( b ) 表示。电感耦合产生的干扰电压与被干 扰导体串联，电容耦合产生的干扰电流接在被干扰导体与“地”之间。根据这一特性，可在被干扰回 路的一端测量电压，减少另一端的负载阻抗，如果测量到的干扰电压下降，则表明干扰是由于电容耦 新 ， r y 九y一i哥号 沁 彳守 电力一次系统接地及抗十扰方法研究 台所致；如果测量到的干扰电压上升，则表明干扰是由于电感耦台所致。 被干扰导体外部的非导磁性屏蔽层如果不接地或一点接地时，在互感作用下，屏蔽层上会产生感 应电压。由于屏蔽层上无电流流过，且未改变导体间的几何耦台面积，所以对该导体上的干扰电压几 乎无影响。当屏蔽层两端接地时，在磁场干扰下，屏蔽层上会产生感应电流，此电流在被屏蔽导线上 会产生出另一个干扰电压。经过分析“1 ：在低频时，屏蔽层两端接地对于电感耦台的效果并不明显。 ( 3 ) 关于电容耦合和电感耦合 电容耦台与电感耦合产生的干扰电压都与频率成正比，所以频率低时它们的作用不明显，可以忽 略不计。这种忽略是由于频率低，而不是由于分布电容或分布电感小。分布电容和分布电感都是空间 关系位置的函数，与频率的关系很不明显。 电容耦合引起的干扰与干扰源的电压成正比，与干扰源的电流没有直接关系，电感耦合引起的干 扰与干扰源的电流成一比，与干扰源的电压没有直接关系，这是区别电容耦合和电感耦合的重要标志。 ( 4 ) 公共阻抗耦合 主干扰和被干扰回路往往会通过公共阻抗在电路上直接连接在一起，例如由于设计疏忽，把不对 称网络两处以上接地时，主干扰信号的一部分会直接注入被干扰回路而引起干扰。这是直接电流耦台 干扰。此种干扰的作用机理简荤，也最易理解，但却又常被忽视，因为人们往往把干扰原因设想得过 于复杂。如电流电压回路中不同地点的多点接地产生的干扰即属于此类干扰。 构成公共电阻的因素很多，除了分布电容电感以外，还有电源内阻、电源引线的电阻、接地环路 等等。 2 2 2 辐射型干扰 辐射干扰通过自由空间电磁波辐射引起。干扰的能量由干扰源辐射出来，以波的形式向周围传播， 被敏感设备所接收而形成干扰。可分为近场和远场两种：大于l 6 波长者为远场，源附近的为近场， l 6 波长附近为过渡区。对于近场来说，其电场和磁场强度与距激励源的距离甲方成反比，而远场的 电磁场强度则与距离的一次方成反比”1 。 辐射干扰的途径很多，常见的有( 1 ) 、通过设备的天线辐射，( 2 ) 、通过设备的机壳向外辐射， ( 3 ) 、穿过机壳的缝隙向外辐射，( 4 ) 、通过连接电缆辐射，( 5 ) 其它途径。 在电力系统中，辐射干扰没有传导和耦合干扰普遍。常见的如高压变电站中的局部放电( 电晕、 沿面放电等) 、雷击臂雷针( 线) 、开关操作以及直流换流站中换流阀导通和关断时产生的高频振荡干 扰等，有时也不容忽视。 一般地，辐射下扰能量较小，住住对敏感度高的二次设备产生影响，且和其他类型干扰相伴，会 8 东南大学工程硕士学位论文 加强干扰作用。 2 3 二次回路干扰的形成分析 电力系统的二次系统是由二次电缆和二次设备组成的。电力系统二次设备的种类和型号很多，所 处的运行环境异常复杂。二次回路干扰形成的主要原因有下列几种： ( 1 ) 雷电流注入接地网所造成的干扰； ( 2 ) 工频短路电流注入接地网所造成的干扰； ( 3 ) 一次、二次设备的操作引起的干扰。 ( 4 ) 强电场环境下由于电磁场作用引起的十扰。 这些干扰可能对电力系统的正常运行产生影响，轻则引起二次系统及设备的运行稳定性，重则会 导致保护误动作，造成停电，甚至会形成更大的事故。 2 3 1 雷电流对二次回路的干扰 电厂、变电所或输电线路遭受雷击，会有雷电流经由避雷针、避雷器或避雷线的接地引下线流入 地网。由于地网接地体阻抗，特别是感抗的作用，使得在雷电流f 的地网电位分布极不均匀。同时由 于地网接地体上的电流随时间的变化率( d i d t ) 很大，使地网附近的二次线上产生较高的感应电势。 计算机和其它微电子设备对这种幅值高、变化抉、持续时间短的暂态干扰极为敏感，常常会因此而影 响其正常工作，甚至会使其损坏和造成其它事故。 分析雷电流在接地网上的分布，可采用n 型分布参数电路，单根单元接地体的n 型等效电路如图 23 。 c o i 硐2 3 尊根单“接地体犁等效电路 其中电阻r o 、l o cg 。为接地体的电阻、电感、电容和电导参数。 接地体的材料一般为扁钢，其电阻率p 。= 1 0 1 0 1 q m ，设其等值半径a = o m m ，其l o = 17 uh m ，取雷电流波头时间t t = 2 6us ，其等值角频率= ( n 2 6 ) x 1 o es 。由此可得： l o = ( 2 6 ) x 1 0 6 x 1 7 1 0 = 2 0 5 q m( 2 8 ) = p 。s = 4 9 7 1 0 1 0 m( 2 9 ) 9 电力二次系统接地及抗干扰方法研究 由两式可知，r 0 ( u k ，因此，在雷电流下接地体电阻r o 可以忽略不计。 对单元水平接地体： ( q 埘) ( 21 0 ) c 。= 印g 。( f m ) ( 21 1 ) 式中，p 上壤电阻宰；s 土壤介电常数：l 接地体长度( m ) ；r 一。接地体等值半径 ( m ) ；h 接地体地埋深度( m ) 。 在雷电流作用下，地网电流分布以电感起决定作用。 卜可一 图2 - 4 分段互感回路 对于一个闭合回路，其自感包括内自感和外自感，在雷电流作用f ，由于钢的磁导率很大，趋肤 效应很强，使其内自感下降到原来的1 以下，为外自感的2 以下，所以内自感可以忽略不计。对如 图2 - 4 的分段互感回路，进一步简化，认为两段和的积分长度1 ：f l 。f l ，等效半径为r ，则自感 为： 础“等( i n 了2 l - 1 ) ( 2 _ 1 2 ) 对整个接地网，每段接地体都可以用l g c 组成的n 型电路表示，同时还要考虑平行接地体之间的互 感m 。，对交叉平行的接地体之间的互感可忽略不计，相互垂直的接地体之间的互感为0 。 以接地网的自然风格所形成的网格为计算刚络，根据接地体参数，可以列出接地网的状态方程， 利用龙格一库塔法进行求解。 通过咀上建模和求解分析“1 ，町以得到雷电流在地网上的分布特点，根据这些特点，采取适当的 方法可以降低干扰： ( 1 ) 地网冲击接地电阻随时间f 降，且土壤电阻率越p 越大，曲线下降越快。冲击接地电阻基本 与万成比例。 ( 2 ) 当土壤电阻率较低h , j ( 如p 1 0 0 q i i i 时) ，分布到离雷电流流入点较远的接地体上的电流 可能为负值，即还没有接地间由互感产生的感应电流大，这时地网只被利用了一部分。土壤电阻率较 高时( 如p7 2 0 0 0 q m 时) ，由于不易散流，地网接地体上电流增大，使地网各部分电流均为正值( 相 东南大学工程硕士学位论文 当于雷电流的分流) ，造成地网电位抬高，此时地网电位分布趋于均匀。 ( 3 ) 雷电流波头时间增大，接地体感抗的作用减少，接地体上的电流增大，地网所有导体几乎全 部参与散流，波头陡度减小，电流流入点的地电位和冲击接地电阻随之降低。 ( 4 ) 土壤介电常数e 基本小影响地网电流分布和电位分布的趋势。但接地体的对地电容增大时， 地网电位会有所降低。 ( 5 ) 在雷电流作用下，地网电位和接地体上的电流分布极不均匀。在雷电流入地点电位最高，附 近接地体上的电流也最大。因此，对二次线路产生的干扰也最大，_ _ = 次线应尽量避开雷电流的入地点， 如避雷器的接地点等。如果二次回路和接地网的连接点，如二次电缆外皮、互感器二次绕组的中性点 等靠近大电流入地点，这些连接点电位也随之升高，在二次回路造成共模干扰过电压。如数值过大会 引起二次设备绝缘击穿。如二次电缆外皮两端接地，通过电磁耦合在芯线上会感应纵向电势，叠加在 信号上形成干扰，外皮电流过大时，甚至会烧毁电缆。 ( 6 ) 在雷电流的入地点加装垂直接地体可以减小其它接地体上的电流和降低地电位，而且垂直接 地体上的电流不会对二次回路产生感应电压。 ( 7 ) 雷电流从接地网的中心入地，可使入地点地电位减半。同时接地体上的电流也减半，且由于 各对称部分的电流方向相反，所以在二次线的感应电势相抵消，因此，雷电流入地点应尽可能选在靠 近地网中心的位置。 ( 8 ) 地网雷电流对二次线的感应电势远大于地网工频电流对二次线的感应电势。雷电流感应的这 种暂态脉冲电压更易于对二次回路造成干扰。 除了避雷针和避雷线，良好的接地网和采用性能照好的屏蔽电缆也是预防二次暂态电磁干扰的有 效措施。 2 3 2 工频短路电流对二次回路的干扰 在变电站和电厂中，一次回路是最大的暂态干扰源，其中尤以工频短路对二次回路造成的干扰电 压最高。当系统发生短路时，强大的短路电流进入地中，在接地电阻上产生很高的电压降，使接地网 上的二次设备上也出现很高的电位，造成二次电缆和二次设备的绝缘击穿或烧毁，同时，强大的短路 电流在地网( 包括= 次电缆的外皮) 上的流散使电缆的芯线上产生感应电压，严重地干扰二次设备的 正常运行，甚至造成事故。 工频短路电流在地网中的流散与雷电流的类似，但工频短路电流的持续时间和衰减周期要长得多。 同时，由于系统的故障，保护正处于判断处理故障阶段，任何外来干扰都可能造成保护的误判断。 地网接地体上的工频电流会在附近的二次线上产生感应电势e ，其大小与接地体上的电流大小、二 皇查三盗至竺垫些墨垫三垫互鲨里壅 一一 次线的长度和布置方式以及= 次线的屏蔽情况等因素有关。用类似2 3 1 中地网建模方法分析可知“ ，感应电势基本上不随土壤电阻率p 而改变，当地网面积一定、网孔增加时，由于地网电位趋于均匀， 感应电势变小。二次线与地网接地体的平行段愈长，感应电势亦愈大，两者平行间距愈大，感应电势 愈小。 考虑到工频短路电流瞬间短路电流的非周期分量，则二次线上可能达到的感应电势的最大值为： e 。m x = , , 2 k q e ( 2 一1 3 ) 式中，k c j 短路电流的冲击系数。 当短路发生在变电站( 发电厂) 内时，由于短路电流要经过地网接地体流回电源，所以对二次线 的感应电势远大于站外短路对二次线的感应电势。 作用于二次回路的干扰电压一般分为差模干扰电压和共模干扰电压两种。前者作用于二次线且与 被测信号叠加在一起直接输入二次设备，后者则作用于二次线与地之间，使二次设备处于高电位。但 由于二次回路的阻抗的不平衡，共模干扰最终仍会转化成差模干扰电压而影响二次设备的正常工作。 如图2 - 5 所示： z 1m r r 二 一广1 z 2 nz l l j 卜一二二 t 一1 o 上j _上 l ：乡e 。_ _ 2 3u z 4 二 如果z 1 = z 2 ，z 3 = z 4 ，则e “w ：o 图2 5 ，0 模干扰等效电路 如果z 1 z 2 ，z 3 z 4 ，则在负载z 。上就会形成电位差： 8 w ：r l 一2 1 幽 ( 2 1 4 ) 洲2 【i 瓦一瓦瓦胁 憎一 地网接地体上的电流对二次线的感应电势是一个沿着二次线方向的纵向电势，其数值一般不足阻 危及二次回路的绝缘，但是，由工频短路电流产生的共模电压仍是工频信号，当它以差模干扰电压串 八二次回路中时，很难使其与被测信号进行分离。因此对此种干扰必须采取防护措施二次线应该采 用性能良好的屏蔽电缆，并将屏蔽层正确接地。 2 3 3 电气操作对二次回路的干扰 电力系统巾的操作，不管是一次设备如断路器、隔离开关的操作，还是二次设备如继电器、控制 开关的操作，都会对二次回路产生定的干扰。 东南大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 隔离开关操作产生的干扰 一次开关电器的操作，特别是隔离开关的分合闸操作，在燃弧和熄弧过程中，由于能量的急剧转 换，电弧重燃产生过电压和频率很高的各种谐波。在操作过程中会出现连续多次的断口电弧重燃过电 压和充放电涌流。 随着系统电压的提高，隔离开关合闸操作中断口电压的上升速度也在增加，断口电弧必然出现多 次重燃。并且由于感应电压本身就存在2n 3 的相位差以及断口允许的同期误差，因此各相断口必然 是依次击穿或重燃，具有零序的性质。重燃过电压的幅值小于三倍，仅在超高压系统需采取抑制措施， 但这种过电压会引起母线避雷器的连续动作。 断口重燃的特征6 1 是： 1 ) 、重燃过电压最严重的情况是出现在断口反相击穿重燃，其值为u 3 u 。 2 ) 、系统一般尺 专，由于隔离开关两侧的电容和在电弧重燃瞬间弧道电阻都很小，必有一 电荷再分配的暂态过程，故重燃过电压的波头较陡，称之为拟雷电波。 3 ) 、过电压波形实际为一振荡衰减波，幅值大小除决定于系统参数外还与断口重燃瞬间的相位角 和残留电压e 。有关。 三相断口的电弧重燃是相继出现的，电弧电流具有零序性质，充放电涌流将经过空载母线、线路、 电缆的零序电容流入接地网、大地和电源( 主变) 构成回路。重燃次数既和系统电压、刀刃断口的电 极形式有关，也和闸刀的运动速度有关。如5 0 0 k v 隔离开关的一次操作中就会对地网发出三百余次的 涌流脉冲，对接地系统和弱电设备的干扰很大。 重燃涌流的特征“1 是： 1 ) 、电流波形是振荡衰减波，衰减速率决定于系统的参数，持续时间约l s m s 。 2 ) 、其幅值既决定于系统的参数，也取决于系统的振荡频率u 。单位长度电容量大的设各如高压 电缆、g i s 、s f 6 管母等，幅值随之增大。 3 ) 、涌流最大值的出现时间一般应在t 略大于0 而当振荡频率u 。的正弦值趋近于1 时。 隔离开关的分合操作对二次设备的干扰信号的传播方式是多样的，主要为阻性耦合、电容耦合和 电感耦合。阻性耦合中，如果地网设计不理想，就地泄流能力差均压措施不力时，干扰电压可达1 1 1 6 k v ，频率约2 8 3 2 k h z ，每次脉冲可达3 m s 。电容耦合中，得来重燃过电压沿母线传播，如有高 频阻波器，则形成高频通路经母线p t 一二次线圈间的电容耦合到二次回路，干扰信号可高达6 2 8 6 ( 2 ) g i s 设备操作产生的干扰 一次系统操作在g i s 设备中，下扰作用尤为明显。由于s f 6 气体的绝缘强度为空气的2 3 倍，在 电力二次系统接地及抗干扰方法研究 开关操作时产生的暂态波形更陡，根据国外运行经验，g t s 开关操作及接地故障( 接地闪络和耐压试 验中对外壳放电) 时，产生幅值高达l o l o o k v ，上升沿8 2 0us ，持续时间约1 0us 的快速脉冲。 在g i s 母线中，由于母线是同轴圆筒式结构，当母线上流过前沿很陡的暂态电流，遇到波阻抗变化时 ( 如终端套管，互感器等处发生折射和反射) ，外壳外表面会流过电流，造成暂态的地电位升高。暂态 脉冲可使g i s 的外壳瞬间电位升高，当脉冲沿和外壳相连的电缆外皮传播时，对电缆同样造成严重的 降低母线外壳暂态电位升高的幅值的方法：降低母线筒高度；沿母线长度方向增加接地引下线的 数量；采用扁而宽的接地引下线，减少接地引f 线的波阻抗；在母线外壳和地之间安装金属板以屏蔽 在二次回路中由于分布电容电磁感应等因素，常常还会形成一些寄生回路，同样可能对二次设备 造成干扰”1 。但寄生回路要造成危害往往需要具备多个条件，具有随机性和隐蔽性。 压或干扰信号，具有幅值大、频率高的特点，常对电路中的半导体器件产生干扰或破坏作用。这种干 元件的绝缘水平高，且电磁元件的动作过程有一定的惰性，干扰电压很难造成其误动作或影响其正常 工作性能“1 。但随着微机保护和监控系统在电力系统的广泛应用，必须采取相应措施消除这种干扰。 将分布电容用一个等值集中电容c 代替，可得到如图26 等效电路。 o 一蔓 一 ，一摹 )o 对于一般的继电器，其分布电容c 很小，为几十至几百p f 。通常有月 c 吾，等值电路所构成的 r l c 电路为衰减振荡电路。当k 断开时，电容两端电压l k 变化规律为 u c 一孥沪s i n 妒圆 ( 2 _ 1 5 ) 1 4 东南大学工程硕士学位论文 式中，t = l r 回路时间常数 回路角频率 6 初始相角。 该电压是个正弦衰减振荡电压，这类电压和电流不受电源控制，为自由分量电压电流，约经1 4 周期的 时间达到最大值。当电阻较小时，电容两端的最大电压可用式( 2 - 1 6 ) 近似计算。 u m a x ：f f l cu(2-16) 尺 此电压往往比电源电压高出几倍、十一几倍甚至更高。对此种干扰，除了线圈回路采取措施( 如并 联二极管和电阻或阻容吸收回路) 降低干扰外，还要在二次回路采取相应的措施( 如屏蔽等) 以减弱 通道上的干扰。 2 3 4 强电磁场下的干扰 在发电厂的条件下，电磁干扰是显而易见的。发电设备是处于高电压、大电流下运行的，各种高 低压配电装置和各种用电设备非常多，对微机系统形成了一个复杂的干扰源。这些干扰可以归纳为以 下几类： ( 1 ) 稳态运行r 的发电、输电设备和各种高低压电器，如大型发电机、变压器、高压输电线路和 大型电动机等。 ( 2 ) 正常运行时产生火花或弧光放电的设备，如励磁机、电焊机、充电机和直流电机等。 ( 3 ) 电气设备过渡过程造成的干扰，如发电机的并网，变压器的投切，大型电动机的启动等。 ( 4 ) 电力系统故障情况f 或雷电造成的干扰。 这些干扰通过2 1 节中各种干扰路径对微机系统的电源系统、信号输入输出系统侵入发电厂或变 电站的微机系统，造成干扰。 2 3 5 电压互感器对暂态干扰电压的作用 电压互感器通过感性耦合和容性耦合两种方式将一次回路产生的干扰电压传入二次回路，随着二 次设备向微电子化发展，对干扰电压的敏感性增强，来自电压互感器方面的干扰也是必须考虑的。 作用在电压互感器一次侧的干扰电压主要是系统短路、雷电波入侵以及开关操作产生的。一次干 扰电压基本上可分为衰减的直流部分和高频振荡部分。下面分别以电磁式电压互感器和电容式电压互 感器对暂态干扰电压的响应进行分析。 一15 电力二次系统接地及抗干扰方法研究 2 3 5 1 电磁式电压互感器 ( 1 ) 、对衰减的直流电压的响应分析 设一次干扰电压为按指数衰减的电压波形为： f ”】( f ) = u 。p 。 ( 21 7 ) 式中时间常数t 。一般为几个周波。相对于这样的衰减速度，互感器内部的分布电容可以互略不计 其等效电路如图2 7 。 图2 - 7 电磁式电压互感器等效电路 图中r 。、r ：为一次绕组和二次绕组电阻的折算值： l 。、l ：为一次绕组的漏抗和二二次绕组的漏抗折算值； l 为励磁电感； r b 、l b ，为负载电阻和电感的折算值。 根据等值电路图可以写出方程： 甜1 ) = i l ( p ) ( r 1 + p l l ) + i o ( p ) p l m i o ( p ) p l m = i 2 i p ) ( r 2 + p l 2 ) + u 2 n ( p ) = i 2 ( p ) + ，o ( p ) 【u 2 ( p ) = i 2 ( p ) ( r b 十p l b 式中p 为挣普拉斯算子。 解此联立方程中经拉氏变换和反变换可得“。 甜2 ( f ) = u 1 st 1 。+ 塾塑型。一； r b ( 砌一r ) 式中丁：兰生兰型：r = l + l m ，为电压互感器的时间常数。 尺1 + 尺2 + m r i k k 。， l b ， ( 2 一i s ) ( 21 9 ) 对于1 1 0 k v 3 3 0 k v 的电压互感器，由于l 7 ，同时t 也较小，式2 1 9 中的二次侧响应电压 l 1 ：( t ) 基本上由第一项决定。由此可见，一次侧衰减的直流干扰电压可以充分得到响应，相当真实的 、，“川，j 印 上孤 叩 上嗉 东南大学工程硕士学位论文 f 甜：( p ) = 坼( p ) 一j ( p ) ( 尺w + p l w ) 1 沁净c 去j 幢。2 r w l w r ( a ) 等值电路 ( b ) 简化的等值电路 c 一：一次绕组对地电容：ce 二次绕组对地电容；c k ：一次、二次绕组间耦 合电容：c s ：电压互感器二次侧军负载间连接线剥地电容：z b 负载阻抗 图2 - 8 计及绕组分布电容的电压互感器等效电路 解之可得电压互感器对高频干扰电压的传输系数为 ( 护搿 v 卜p 川r c ) + 等j 对一般的电压互感器，r w 三4 睁上r c 2 厶c i 厶，j 同时令衰减系数口= 三(