（高电压与绝缘技术专业论文）变电所地电位干扰及防护措施研究.pdf

摘要 近年来，由于地网局部电位不均导致二次电缆烧毁、二次设备误动作的事故 频繁发生，其本质的原因是二次设备的绝缘水平和抗干扰能力都比较弱，若防护 措施不当，就容易引发事故。由雷电流和工频短路电流入地造成的地电位干扰已 成为困扰变电所二次设备安全稳定运行的主要问题之一，因此有必要对变电所的 地电位干扰进行研究，提出有效的防护措施。 为了系统地阐述地电位干扰对变电所二次系统的危害，分析了雷电流和工频 短路电流造成地电位干扰的途径、耦合方式，并对长沙、信阳多个变电所的一次、 二次系统的接地方式及已采取的防护措施进行了现场调研，结合信阳2 2 0 k v 沙港 变设备接触电压、地网电位分布和导通性试验等现场试验数据，分析目前变电所 在抗干扰措施上存在的问题是地网均压效果不好，屏蔽电缆、二次设备的接地方 式选择不当，对电源系统的保护不够。 针对抗干扰措施的不足，对消弱干扰的措施进行论述。分析了雷电流、工频 短路电流在地网上分布，和地网电流对二次电缆的影响，通过实验室试验论证了 理论计算的正确性，并结合a t p 仿真寻求抑制地网电流对二次电压影响的最佳措 施。讨论了屏蔽电缆及二次设备的几种不同接地方式对抑制干扰的作用，并用实 验验证了屏蔽电缆在控制设备处接地，二次设备采用等电位连接是最有效的方式。 针对二次系统中电源系统的抗干扰，提出采用含压敏电阻的低通滤波器能很好地 消除干扰。 对于变电所的地电位干扰是一个综合防护的问题，通常需要采取均压、接地 和屏蔽等各种措施进行综合防护，以提高变电所的抗干扰性能，保证二次设备的 安全可靠运行。 关键词：变电所；接地网；屏蔽电缆；二次设备；地电位干扰；电源系统 a b s t r a c t t h e s ey e a r s ，a c c i d e n t so fs e c o n d a r yc a b l eo v e r b u r n i n g ，s e c o n d a r ye q u i p m e n t m i s o p e r a t i o nd u et oi n h o m o g e n e o u sp a r t i a lp o t e n t i a l o fe a r t h i n gn e t w o r kh a p p e n f r e q u e n l y t h ee s s e n t i a lr e a s o n i si n s u l a t i o nl e v e la n da n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo f s e c o n d a r ys y s t e mi sw e a k ，w h i c hi sp r o n et o c a u s ea c c i d e n t si nc a s eo fi m p r o p e r p r o t e c t i o nm e a s u r e m e n t t h ee a r t hp o t e n t i a li n t e r f e r e n c ed u et ol i g h t n i n gc u r r e n ta n d s h o r tc i r c u i th a sa l r e a d yb e e nam a jo rp r o b l e mt h a tt r o u b l e ss a f e t ya n ds t a b l eo p e r a t i o n o fs e c o n d a r ye q u i p m e n ti ns u b s t a t i o n ，t h u si ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho ne a r t hp o t e n t i a l i n t e r f e r e n c ei ns u b s t a t i o n ，p r o p o s ee f f e c t i v ep r o t e c t i o nm e a s u r e m e n t i no r d e rt od e m o n s t r a t ed a m a g eb ye a r t hp o t e n t i a li n t e r f e r e n c et os u b s t a t i o n s e c o n d a r ys y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y z ep a t h ，c o u p l i n g m o d eo fe a r t hp o t e n t i a l i n t e r f e r e n c ed u et ol i g h t n i n gc u r r e n ta n ds h o r tc i r c u i t f i e l dt e s ti sd o n eo ns e v e r a l s u b s t a t i o ni nc h a n g s h aa n dx i n y a n g ，f o c u so ne a r t h i n gm o d eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r y s y s t e ma n da d o p t e dp r o t e c t i o n m e a s u r e m e n t s c o m b i n e dw i t hf i e l dt e s td a t ao n e q u i p m e n tt o u c hv o l t a g e ，p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no fn e t w o r k a n dg u i d ec i r c u i to f 2 2 0 k v s h a g a n gs u b s t a i o ni nx i n y a n g ，a n a l y z et h em a j o rp r o b l e mo na n t i - i n t e r f e r e n c ei s v o l t a g e s h a r i n go fn e t w o r k i s i m p e r f e c t ，e a r t h i n gm o d e o fs h i e l d e dc a b l ea n d s e c o n d a r ys y s t e mi si m p r o p e r , p r o t e c t i o nf o rp o w e rs u p p l yi sn o te n o u g h f o c u so nw e a k n e s so fa n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n t ，t h i sp a p e ra n a l y z eo n m e t h o d st h a tc o u l dr e d u c ei n t e r f e r e n c e d i s t r i b u t i o no fe a r t hp o t e n t i a ld u et ol i g h t n i n g c u r r e n ta n ds h o r tc i r c u i t ，t o g e t h e rw i t hi n f l u e n c eo ns e c o n d a r yc a b l eb yn e t w o r k c u r r e n t p r o o ft h ev a l i d i t yo ft h e o r yc a l c u l a t i o nb yl a be x p e r i m e n t ，s e a r c hf o rb e s t m e a s u r e m e n tt h a tc o u l dr e d u c et h ei n f l u e n c eo ns e c o n d a r yv o l t a g ed u et on e t w o r k c u r r e n tw i t ha t ps i m u l a t i o n d i s c u s sd i f f e r e n c ee a r t h i n gm o d e so fs h i e l d e dc a b l ea n d s e c o n d a r ys y s t e m ，t o g e t h e rw i t ht h ee f f e c t so na n t i i n t e r f e r e n c e b e s i d e s ，e x p e r i m e n ti s d o n et oa r g u et h a tt h es h i e l d e dc a b l es h o u l db ee a r t h i n go nc o n t r o le q u i p m e n t ， s e c o n d a r ye q u i p m e n ts h o u l da d o p te q u i p o t e n t i a lb o n d i n g i nv i e wo fa n t i i n t e r f e r e n c e i np o w e rs u p p l yi ns e c o n d a r ys y s t e m ，l o w p a s sf i l t e rw i t hp i e z o t r a n s i s t o ri sp r o p o s e d t oe l i m i n a t ei n t e r f e r e n c e i ti sac o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o nf o re a r t hp o t e n t i a li ns u b s t a t i o n ，n o r m a l l y , p r o t e c t i o nm e t h o d ss h o u l db es e t t l e df r o mt h e s ea s p e c t s ：v o l t a g es h a r i n g ，e a r t h i n ga n d s h i e l d i n g ，s oa st oi m p r o v et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo fs u b s t a t i o n ，e n s u r et h es a f e t y i i a n ds t a b l eo p e r a t i o no fs e c o n d a r ye q u i p m e n t k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ；e a r t h i n gn e t w o r k ；s h i e l d i n ge a b l e ；s e c o n d a r ye q u i p m e n t ； e a r t hp o t e n t i a li n t e r f e r e n c e ；p o w e r s u p p l ys y s t e m i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：陶菇 日期：口8 年，月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 阀。誊 导师签名稼参纵 u r 、们il m 、 日期：汐矛年r 月肜日 日期：0 萨f 月7 e l 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 变电所的各类保护和控制系统目前均为计算机控制的综合自动化系统，这与 过去传统的保护和控制装置相比，是一次技术上的革命。但是计算机综合自动化 系统现在面临的一个问题，就是各种干扰的问题。因为计算机综合自动化系统在 运行中面对的是高电压、强电场、电磁环境非常复杂，特别是当系统接地短路时， 大电流流经接地装置时由地网局部电位差引起的地电位干扰，电网中一些非线性 铁磁原件和整流设备产生的谐波干扰，还有在雷击时由雷电流入地时，引起的冲 击电位升高所造成的干扰，和过渡过程干扰以及电网中各种内过电压干扰。这些 干扰会通过各种耦合方式在二次系统内产生相应的干扰电压。二次系统中的设备， 包括继电保护、控制、信号、通信、监测等仪器和仪表都属于弱电设备，其耐压 水平和抗干扰能力都比较弱，如不采取措施，这些干扰会对计算机监控设备的取 样回路、控制回路、电源和通信回路造成影响，如果某一环节出现问题，这种干 扰就会对综合自动化系统造成较大的危害，比如会使逻辑混乱，计算机死机，芯 片损坏，保护“失灵 等，严重时会危及发电机、变压器等一些主设备。由各类 干扰造成微机保护或综合自动化系统“失灵 的事故在最近几年可以说曾多次出 现，有的还发展成主设备烧毁事故，甚至将导致系统停止工作，造成巨大的经济 损失。 因而，研究雷电流入地、工频接地短路造成的变电所接地网局部电位升高， 分析地网局部电位升高对微机保护、综合自动化系统、调度自动化系统的干扰和 影响，弄清这些干扰的形式、幅值和对微机保护、综合自动化装置的危害程度， 找出现有抗干扰措施的不足并对其进行完善和修正，从而提高微机保护综合自动 化系统和调度自动化系统的抗干扰水平，对于确保电力系统的安全稳定运行和可 靠性有着重要的作用。这些研究不仅具有很强的应用背景，同时也具有较大的理 论意义。 1 2 国内外研究现状水平综述 变电所是强电设备和弱电二次设备最为集中的场所，电磁环境也极为复杂。 电源系统、控制设备等二次设备通过测量、控制、通信线路及其它电缆与一次设 备和其它变电所相连，极易受到雷电冲击和工频接地短路造成的局部电位升高形 成的地电位干扰的影响，因而造成测量和控制的误差及错误。严重情况下还会产 生过电压而损坏二次设备。特别在发生雷击时，强大的雷电流会在低压供电系统 及弱电系统产生很强的感应过电压，同时使变电所的地电位升高，因地电位升高 造成对线路及设备的反击而损坏线路及设备的事件时有发生，尽管变电所的外部 防雷系统( 避雷针、引下线及接地装置) 符合国家及部颁标准的要求，且其综合自动 化和通信自动化等二次弱电系统也采取了诸如屏蔽、接地、隔离、滤波等措施， 但却不能完全避免强大的雷电过电压及电压反击对系统造成的干扰和破坏。因此， 变电所内的抗干扰问题显得异常重要。 最早研究变电所电磁兼容的是上世纪6 0 年美国电力工程技术人员，认识到变 电所中的电磁干扰问题是主要对从电子电路到电缆的电磁干扰耦合过程进行了研 究，其成果后来形成了美国国家标准协会( a n s i a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d s i n s t i t u t e ) 的a n s ic 3 7 9 0 标准中的一部分内容瞳，。 自1 9 7 0 年开始，主要对变电所高压开关场内的电磁干扰进行了研究。但由于 记录仪器的触发信号不易控制，因此所测得的信号难以代表最严重的干扰情况。 1 9 7 8 年美国电力科学研究院( e p r i e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 启动了编号为 r p l 3 5 9 的研究项目，建立了一套新的变电所保护和控制系统，对变电所开关柜的 电磁干扰进行了研究，但并未研究二次设备所处的电磁环境。通过研究表明，开 关操作产生的电弧并非主要的电磁干扰源，电磁干扰主要通过母线与二次设备间 的辐射性电磁耦合产生口，。 上世纪8 0 年代初到9 0 年代末，美国和加拿大及其它国家的电力科学工作者 对变电所内开关操作、瞬时故障和雷电冲击时的电磁环境进行了合理而有效的预 测，收集了一些变电所内瞬态电磁干扰数据，讨论了高压母线上干扰源耦合至屏 蔽控制线各芯线上的电磁干扰特性，为继续深入研究进行了有益的尝试州。 近年来，国际上对电力系统的电磁兼容环境问题非常关注。2 0 0 1 年8 月在印 度召开的第1 2 届国际高电压会议( i s h ) 上将电力系统的电磁环境问题列为会议的 一个主要议题；在2 0 0 3 年8 月在荷兰召开的第1 3 届国际高电压会议( i s h ) 上已经 将电磁环境列为会议的优先议题。许多国家在致力于研究工作及加强技术生产领 域里的法规外，有的甚至还以法令的形式去贯彻执行标准。例如欧洲共同体委员 会于1 9 8 9 年颁发了8 9 3 3 6 e e c 指令，明确规定从1 9 9 6 年1 月1 日起，所有电子、 电气产品必须通过e m c 性能的认证，否则，禁止进入欧洲共同体市场r 。，。 在我国，随着生产、技术的发展，虽然也早已开展了电磁干扰方面的研究及 标准化工作，但在工作的深度、广度以及研究试验工作的技术装备方面，还远不 能满足需要。目前，国家电力公司非常重视研究变电所瞬态电磁环境问题，并将 电力系统电磁兼容问题列为今后电力系统发展中必须解决的关键问题之一。同时 在武汉高压研究所、南京自动化研究院和华北电力大学建立了电磁兼容实验室， 除了装备符合国际电工委员会( i e c i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 电磁 2 兼容标准( a pi e c 6 1 0 0 0 4 系列的标准) 的电磁兼容性实验系统外，还引进了空间瞬 态电磁场测量系统和电力系统电磁干扰预测分析软件。 变电所内的电磁兼容问题现已受到世界各国的普遍重视，各国学者对此进行 了大量的理论研究和试验研究。通过分析各种参考文献，针对国内外对变电所电 磁兼容问题所作的研究，概括起来主要包括以下几方面： 1 干扰源的分析 国内外对干扰源的研究涉及各种干扰的来源( 例如核爆、雷电、开关操作、各 种无线电发射、静电放电等) ，干扰产生的原因、机理及其特性( 如波形、幅值、频 率、持续时间等) 【1 。 干扰的起因很多，干扰可以起源于自然界( 如雷电、磁暴) ，也可以是人为产生 的( 如开关操作，各种带电导体的开合引起的放电、电晕、各种无线电发射等) ，。 总之，一切电磁能量的发射者，都可能成为干扰源。而接受此能量且影响到自身 性能者即成为受干扰者。国内外对电磁干扰现象的大量分析表明，电磁干扰源主 要包括n 1 ： ( 1 ) 正常运行的空间电磁场的分布； ( 2 ) 操作、短路或雷电时在不同位置产生的空间电磁场； ( 3 ) 开关操作或雷电时经互感器传递到二次系统的电磁干扰； ( 4 ) 短路电流或雷电流经接地系统流入大地，经二次电缆传到二次系统的电 磁干扰； ( 5 ) 空间电磁场在二次系统产生的电磁干扰。 干扰的特性可按其频带或波形来分类。按频带宽度可分为宽带干扰和窄带干 扰。一般认为窄带干扰的带宽只有几十赫，最高几百千赫；宽带干扰的带宽则为 几十到几百兆赫甚至更宽。知道干扰的带宽及其中心频率，对采用滤波的办法抑 制干扰有重要意义。按波形分类干扰波可分为周期性的、非周期性的和随机的三 种类型。波形是决定干扰占有带宽的一个重要因素，脉冲波形的前沿上升速度和 下降速度越快，其频谱覆盖范围就越宽。通常，脉冲波形包络的面积决定其频谱 中的低频含量，而脉冲沿的陡度则决定其高频成分。 2 千扰的耦合途径 上述各种途径产生的干扰进入二次电缆的耦合方式可归为两种：共模耦合和 差模耦合。共模耦合( 也称纵态干扰c m i c o m m o nm o d ei n t e r f e r e n c e ) 是指出现于导 线和地之间的干扰。差模耦合( 也称横态干扰d m i d i f f e r e n t i a lm o d ei n t e r f e r e n c e ) 是指出现于信号回路内的与正常信号电压相串联的一种干扰。干扰源对二次电缆 线路的耦合途径有电导性耦合、电容性耦合、电感性耦合等n ”，具体方式主要有： ( 1 ) 干扰电压通过回路空间的电容耦合在二次电缆外皮及弱电回路感应出干 扰电流，形成干扰。 ( 2 ) 高频电流产生的交变磁链和二次回路交链，在二次电缆外皮及弱电回路 感应出干扰电势。 ( 3 ) 雷击或系统短路等原因引起的暂态大电流注入地网时，由于二次电缆外 皮两端与地网相连，由于地点位升高，相当于在该点和地之间接入一个电压源， 它作用在回路中所有的端子和地之间，称之为共模干扰。此外，两端接地点电位 不相等，从而形成电缆外皮电流，由于电磁耦合的作用，会在电缆芯线上产生差 模干扰电压。 3 二次系统的防护措施 对于电力系统二次部分的电磁干扰防护控制，要从控制干扰源、降低干扰源 与敏感设备的耦合程度和提高受影响设备的抗干扰能力三个方面协调地采取措 施。对于变电所二次设备的抗干扰性就是要针对二次回路中始端，传输端和终端 仪器引入的干扰分别采取不同的抗干扰措施。 采用屏蔽电缆是抑制二次线路系统高频暂态电压的主要措施之一，也是研究 较多的防护电磁干扰的方法。屏蔽不仅能防止外界电磁场对信号线的干扰，同时 也能防止信号产生的电磁场对外界的干扰，也即主动屏蔽和被动屏蔽。对于屏蔽 电缆而言，屏蔽层电流、屏蔽层两端的接地类型和电缆的转移阻抗决定了耦合到 电缆芯线上的干扰值。国外从6 0 年代以来不断开展关于如何限制二次线路系统高 频暂态电压的试验研究工作，但这些算法和测试技术集中于高压开关动作和电网 故障时的e m i 问题【l l j 。对于冲击电流进入地网后的电磁暂态过程，国内的文献 也是浅尝则止。1 9 9 1 年左右有一些单位联合研究雷电流在接地网上的分布及对二 次回路的影响，对雷电流在接地网上的分布采用龙格一库塔法对网络状态方程求 解，也曾得出一些结论，但只对电缆两端接地，平铺于地网正上方时的情况进行 分析 | 3 - 1 4 】。对电缆不同接地方式时所受电磁干扰的变化，也曾经有人做过一些工作 i ”l 。该文献同时从抗干扰和防止过电压的角度分析了屏蔽层的作用，认为两点接 地后屏蔽层中流过的电流主要是外界电磁场感应产生的，实际作用是抵消外界电 磁场的干扰，因此两端接地提高了电磁兼容水平且减少了电缆在各种情况下产生 的过电压，屏蔽层中流过电流对芯线干扰很小。而文献 1 6 】从定性上分析了采用带 屏蔽层的控制电缆作为有效减小耦合电压的措施，以及利用电缆屏蔽层多点接地 减弱干扰。文献 1 7 】中提出一种同时考虑感性耦合和阻性耦合的地下导体电磁屏蔽 的计算模型，利用该模型进行了地下金属管道对其内通信电缆和屏蔽线对其附近 通信电缆的电磁屏蔽计算。早在1 9 6 0 年前后，日本就在配电线路上采用地线来抑 制感应电压。文献 1 8 】中作者就用实验的方法探讨了采用地线防止感应电压的效 果，特别对于多导线系统，而且仅将在一个点上产生的静电场作为雷电感应的感 应源，同时在计算地线的实际效果时，需考虑整个雷电通道的静电场和磁场。 目前，对于电力系统二次部分的研究主要有：1 ) 输电线路过电压引起的二次 4 部分电磁兼容问题【1 9 渤1 ；2 ) 操作过电压引起的电磁兼容问题【2 l - 2 2 】；3 ) 有限长线路耦 合电磁场算法问题研究 2 3 - 2 4 1 ；4 ) 建筑物内雷电感应过电压研究等 2 4 - 2 5 1 。却鲜有文献 提出整个发变电所在遭受雷击或发生工频短路后，各种控制、信号、通讯电缆如 何采取具体措施防护经二次电缆传到二次系统的地电位干扰，以达到保护设备， 减少损失之目的。因此有必要对于工频短路电流或雷电流入地引起的地电位干扰 以及其防护措施的研究进行系统的研究。 1 3 本课题的具体工作 本课题来源于与湖南省超高压公司、河南省信阳电力公司合作项目变电所 地电位干扰及防护措施研究，主要针对雷电入地和工频大电流入地造成的地电位 干扰对微机自动化系统的影响及对干扰应采取的防护措施进行研究。本文的主要 工作如下： ( 1 ) 分析变电所发生地电位干扰的途径、方式和耦合机理及其干扰的危害。 ( 2 ) 对长沙和信阳地区的变电所进行现场调研，通过现场实验对变电所的地 网结构进行剖析，找出变电所在防护地电位干扰存在的薄弱环节。 ( 3 ) 实验室模拟现场环境，定性的分析各种防护措施抗干扰的效果。 ( 4 ) 针对雷电流沿地网散流引起的地电位干扰，建立相应a t p 仿真模型，进 行仿真分析。根据引起雷电引起地电位干扰的原因，提出有效措施抑制地电位的 干扰的措施。 第二章变电所地电位干扰的途径、耦合机理及危害分析 变电所的一次系统是变电所最大的暂态干扰源，一次系统中发生的任何形式 的暂态过程都会通过不同的耦合途径传入二次系统中形成暂态干扰。暂态过程产 生的原因有雷击、一次系统短路等等。变电所二次系统地电位干扰是短路电流或 雷电流经接地系统流入大地，经二次电缆传n - - 次系统的电磁干扰。研究干扰的 途径和耦合方式有利于找出控制干扰的措施。对于各种干扰源的存在，首先要弄 清楚干扰源的性质和主要传播途径，才能采取相应的抗干扰措施。如对于测量、 控制和信号系统都采用屏蔽电缆，把暂态和高频扰动限制在可接受水平之下。 为了研究问题的方便，可将干扰系统作为单输入的情况处理。将二次设备接 收的瞬态干扰量是否超出其抗扰度作为衡量标准，那么也可以将干扰系统作为单 输出情况处理。这样，干扰系统耦合模型的总体框图可由下图2 1 描述。 图2 1 干扰系统耦合模型的总体框图 2 1 雷电流入地时引起的地电位干扰 雷击是变电所二次设备及其相应回路受干扰的主要来源。变电所可能直接遭 受雷击( 直击雷) ，而更多的情况是线路遭受直击雷或感应雷( 雷击线路附近，在线 路上产生感应过电压) ，雷电波沿线路侵入变电所【z s 】。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，使得在雷电流下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。二次设备对这种幅值高、变化快、持续时间短的暂态干扰极为敏 感，若该干扰电压幅值超过二次设备入口端可以承受的干扰的最大值，就会影响 保护装置正常工作，甚至会使其损坏，造成地电位干扰事故。 2 1 1 雷电流入地引起地电位干扰的途径 高频雷电流入地后之所以会在变电所地网系统内产生暂态地电位升，使得地 网不同点存在电位差，引起地电位干扰的原因有： ( 1 ) 地网在高频下表现出来的高阻抗； ( 2 ) 从设备到地网的接地线的高阻抗，其值约为1uh m 6 ( 3 ) 短的电流上升时间和0 3 m n s 的传波速度，在短的传波距离内产生很高 的电位差。 而雷电流入地的途径主要是通过避雷针、避雷线和避雷器的接地引下线。 2 1 1 1 雷击独立避雷针引起的反击电压 当雷击中避雷针时，雷电流经过独立避雷针的支柱或引流线和接地体流入地 中时，在支柱和接地体会上产生很高的冲击电位【：，1 。取雷电流的平均陡度为 o 3 3 3 i 。h k a us 避雷针高h 处的高压( k v ) 可用下式计算 u c h = i c h ( r 。h + 0 3 3 l h ) ( 2 1 ) 式中l 一一支持构筑物单位长度的电感，m u m ； h 计算高度，m ； h 冲击接地电阻，k a ： i 。h 雷电流幅直，k a 。 在避雷针的入地点的冲击电位= l 如，是与雷电流幅值相关的一个很大的 值，这将造成变电所的地电位的升高，地网电位分布不均，在引下线周围会产生 很强的瞬变电磁场，从而引起地电位干扰。 另外，雷电通过避雷针泄放到电缆沟中的地线上，地线上的雷电流通过电磁 感应会在电缆沟中的各种动力电缆、信号电缆、控制电缆上产生感应过电压，造 成与电缆相连的设备中的微电子部分损坏。 2 1 1 2 雷电流通过避雷线入地造成的地电位干扰 电力系统中，对于1 1 0 k v 的线路一般全线架设避雷线，而3 5 1 1 0 k v 未全线 架设避雷线线路的变电所的一段进线上必须架设避雷线限制流经避雷器的雷电流 和限制侵入波的陡度。当有雷电流流经避雷线时，雷电波在传播过程中将在阻抗 的不连续点产生折反射现象，若为末端接地的线路，即为末端短路的情况，z = 0 ， 折射系数口= 0 ，反射系数= 一1 【2 8 1 ，故经避雷线接地引下线入地的雷电波，电压u 变为o ，电流i 增至原来的2 倍( 如图2 2 ) ，于是在入地点有变化很强的电磁场， 导线等的自感和互感不能忽略，正常情况下可视为等电位的各部分，此时将产生 较高的电位差。 7 - - 1u f , i r u f = 叩e1 l i b = - 卜u 一，铃一。一，分一。一，分一。 士士士 ( a )( b )( c ) 图2 2 雷电波沿避雷线接地引下线入地 ( a ) 雷电波流经避雷线( b ) 电压波( c ) 电流波 2 1 1 3 避雷器接地线引起的反击过电压 雷击波除了经避雷线、避雷针的接地引下线注入地网外，也可能是当雷击在 变电所内或输电线路上时，雷电冲击波将经变电所内母线传导经避雷器流入大地， 注入变电所的地网，在地网中传播最终流向大地远方。此时，由于电与磁的耦合， 在二次回路导线与地间产生了干扰电压e t 2 9 1 e = r r i + k 鲁 ( 2 2 ) 式中，r k 耦合电阻； l k 一一流通雷电流的回路与二次导线回路( 包括地回路) 之间的互感。上 式中，一般右侧第二项远大于第一项。 2 1 2 雷电流引起的干扰对二次回路的耦合方式 雷击变电所引起地网电位升高且分布不均匀，对二次电缆产生干扰侵入变电 所自动化系统的耦合可归为两种：共模耦合和差模耦合1 3 0 】。 2 1 2 1 共模耦合 考虑干扰源影响，并将干扰源等值以e ( t ) 表示，且考虑末端接地阻抗，共模电 压同时作用于电缆的芯线和屏蔽层，然后在电缆末端形成共模干扰电压，以单芯 电缆为例，最终的等值电路如图2 3 所示。 图2 3 共模耦合等值电路 8 t ) 图中，z l 一电缆首端元件的等效阻抗，z 2 一电缆末端设备的输入阻抗，z 3 一电 缆末端接地阻抗，u ( t ) 即电缆芯线与外皮间干扰电压。 雷击变电所地网时，由于地电位升高产生的干扰e ( t ) ，容易以共模信号的形式 耦合到地网周围的二次电缆的外皮和芯线上，从而在电缆末端产生干扰。 2 1 2 2 差模耦合 当电缆屏蔽层流过感应电流，通过转移阻抗耦合至芯线，最终在电缆末端产 生干扰电压u ( t ) ，将电缆屏蔽层电流流动看作是回路中有驱动电势存在，并视为等 值电压源e ( t ) ，计算时，只考虑等值电压源e ( t ) ，将有用信号视为电流源开路。由 此得到差模耦合时的等值电路，如图2 4 所示。 t ) 图2 4 差模耦合等值电路 在电缆的屏蔽层出现感应电压e ( t ) 与电缆传输的有用信号相串联，共同作用于 电缆的输入端，以差模耦合的形式在电缆的末端产生干扰。由于二次电缆直接与 二次设备相连，雷击变电所地网通过共模差模耦合在电缆末端产生的干扰将对电 力系统的自动化系统造成影响。严重时会危及发电机、变压器等一些主设备。 2 。2 工频短路电流引起的地电位干扰 引起地电位干扰的另一个重要原因是工频短路对二次回路造成的干扰。当系 统发生短路时，强大的短路电流进入地中在地网的接地电阻上产生很高的电压降， 使接在地网上的二次电缆和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( 包括二次电缆的外皮) 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，甚至于 造成事故。 工频短路时，虽然短路电流值比雷电流小，但短路电流的作用时间长，雷电 流的幅值主要在波头，其作用时间为1 4 微秒，短路电流的作用时间最快也需o 2 秒左右时间，故短路电流作用时间至少要比雷电流作用时间长5 0 0 0 0 倍，因此能量 大于雷电流能量。电流产生的热量q = 1 2 r t ，在同一电流通过中，r 相等( 不考虑频 率因素) 。假设短路电流i l = l k a ，作用时间t l = 0 2 s ：雷电流幅值1 2 = 5 k a ，作用时间 t 2 = 4 9 s 分析比较如下： 9 q 1 q 2 = i i z r f f1 2 z r t = ( 1 z 0 2 1 0 6 ) ( 5 z 4 ) = 2 0 0 0 ( 2 3 ) 在同一电流通过中，l k a - v 频短路电流所产生的热量比5 k a 雷电流产生的热量 大2 0 0 0 倍。当工频短路电流为1 6 k a 时，其产生的热量将比5 k a 雷电流产生的热量 大5 1 2 0 0 0 倍。因此，由于系统发生短路抬高地电位造成的干扰也不容忽视。 2 2 1 工频短路电流入地引起地电位干扰的途径 2 2 1 1 影响地电位升高的因素 由短路引起的工频电压升高属于内过电压的范畴，主要表现为在站内设备发 生接地故障时短路电流在变电所接地电阻上产生的电位升高。对于变电所内可能 出现的地电位升高及其幅值主要取决于以下几种因素：( 1 ) 电力系统结构及运行方 式；( 2 ) 设备所在变电所接地网状况；( 3 ) 变电所出线回数；( 4 ) 系统单相接地故障电 流的大小。 2 2 1 2 地电位升高的两种途径 i t u k 1 1 建议中指出“电力系统的接地故障在土壤中所产生的电流会使故障 点和电源接地电极附近的电位升高，这种地电位可通过两个途径影响设备。一 3 h 通 常系统发生单相接地故障时，故障点在变电所内接地短路电流最大。此时，短路 电流分成两个途径；一是经本变电所变压器接地中性点构成回路；二是经系统中 其他变压器接地中性点构成回路。如果接地故障点在变电所内，则第一个途径的 故障电流经接地网流向变压器接地中性点，不在接地网接地电阻上形成压降；第 二个途径的故障电流，除站内架空地线分流一部分外，其余全部流过接地网接地 电阻( 该部分电流称为入地短路电流) ，形成接地网地电位升高。 如果单相接地发生在变电所外，则上述第二个途径的故障电流不流过变电所 接地装置的接地电阻，当然，也不会形成接地网的地电位升高：上述第一个途径 的故障电流除所外架空地线的分流作用外，其余全部流过接地网的接地电阻，形 成接地网地电位升高。 2 2 1 3 工频短路电流的影响过程 短路电流通过接地网向大地散流。此时，如果地网均压不好，接地电阻过高， 就会在接地电阻上产生压降，在短路接地点与接地网中离接地点较远的点之间产 生电位差，造成地网局部电位升高。当接地体中有较大的短路电流流动时，如果 二次电缆的屏蔽层、互感器二次绕组中性点接地点靠近大电流的入地点，则这些 接地点的电位也会随之升高而造成干扰。当变电所的微机测控系统的被控设备处 有工频接地短路电流流入大地时，这时在被控设备的接地电阻上将产生压降，这 个压降同时加在屏蔽电缆的屏蔽层对芯线电容和芯线与计算机各器件对地的杂散 电容上，屏蔽层对芯线的电容量远远大于计算机器件对地的杂散电容，此时升高 l o 的电位通过电容的耦合，几乎全部加到计算机的内部器件对地之间，对计算机控 制系统造成了很大的干扰。 由于在低频下，地网导体的自阻抗非常小，而土壤对电流的阻碍作用远大于 金属对电流的阻碍作用，电流能均匀的从整个地网向土壤中泄漏，使得地网不同 点的电位差非常小，因此，这种情况下的地电位升影响相对雷电流来说比较小。 但是，当频率增大，上升到数百k h z 时，由于电磁波在土壤中的波长比较小，同时 集肤效应带来的金属导体的自阻抗增加，对电流在金属导体中流动的阻碍加大， 因此在距离电流注入点较近的导体泄漏的电流较多，导致在距离电流注入点较近 的地表的地电位升增大，相位也逐渐超前于距离电流注入点较远的地表的地电位 升增大值，地电位升的影响才会得以体现。 地电位升是多根导体泄漏电流共同作用的结果，从整个地网的角度来看，不 在地网边缘的点的地电位升会大于处在地网边缘的点，而边上的地电位升又会大 于角上的点；从网格的角度来看，当网格面积较大时，在非地网边缘处，由于网 格中心的点距离所有导体都比较远，所以会大于处于导体正上方的点的地电位升。 2 2 2 工频短路电流引起的干扰对二次回路的耦合方式 工频短路电流引起地电位干扰时，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，干扰设备的正常工作，或者使其误动作，或者使其元器件损坏。 后者则作用于二次线与地之间常常使二次设备处于高电位，危及二次设备的绝缘 及人身安全。但须指出，共模干扰电压虽然不直接影响二次回路的输入信号，但 由于二次回路的阻抗可能不平衡，最终仍会转化成差模干扰电压以影响二次设备 的正常工作【3 2 1 。如图2 5 所示e c m 对二次回路的影响是以共模干扰电压出现的，如 果二次回路中阻抗：z l = z 2 ，z 3 = z 4 则其差模电压 e v m = 0 ( 2 4 ) 如果z l z 2 ，z 3 z 4 ，则电流分别流过z l 、z 4 和z 2 、z 3 ，从而形成电位差e n m 作 用于二次回路的负载z l 上： 77 焘一云e c m q 5 ) z t 图2 5 共模干扰等效电路 地网接地体上的电流对二次线的感应电势是一个沿二次线方向的纵向电势， 如图2 6 ( a ) 。将它变换成图2 6 ( b ) ，地网接地体电流对二次线的感应电势对二次回 路的影响仍属于共模干扰电压，如果二次回路中阻抗z l = 乙，乙= z 4 ，乙= z 6 ，同样 会出现电位差e n m ，以差模电压形式作用于二次回路的负载z l 上。因此，虽然由前 面的计算已知，地网电流对二次线的感应电势数值一般还不足以危及二次回路的 绝缘，但是由它转化成的差模干扰电压却能引起二次设备，特别是电子计算机及 其它微电子设备的误动作，甚至还会造成微电子元件的损坏。而且，由工频短路 电流产生的共模干扰电压仍是工频信号，当它以差模干扰电压串入二次回路中时， 一般很难使其与被测信号进行分离。因此，对于这种感应的共模干扰必须采取防 护措施，比如二次线采用性能良好的屏蔽电缆等。 ( a ) 2 3 地电位干扰的危害 图2 6 二次线的感应电势 由雷电流和工频短路电流入地产生的地电位升高对附近设备和人员的危险影 响是不容忽视的。 1 2 mne ， iz 眦e ， 孔嘲 ， a 2 3 1 高压线接地故障使通信中断 当高压变电所附近通过的通信电缆处于地电位影响范围内时，由于阻性耦合， 电缆的芯线与外皮、芯线与大地之间会出现电位差，严重时会烧坏通信电缆，人 员也很不安全。例如，1 9 7 5 年1 月广东电网某变电所高压线发生单相短路接地故障， 地电位升高，变电所侧电缆头烧熔，接在电缆上的电话全部中断。 2 3 2 高电位引出使通信中断 当发生单相或三相接地故障时，进入变电所通信电缆一端的电位随地电位升 高而升高，同时导致在地电位影响范围以外电缆另一端通信局站接地部分的电位 也升高，如不采取防护措施则很容易烧坏通信设备，通信局站维护人员也很不安 全。例如1 9 8 0 年3 月，华东电网某电站因误合2 2 0 k v 接地刀闸而发生接地短路故障， 地电位升高致使高电位引出，烧坏通信设备，影响通信正常进行。 2 3 3 低电位引入使通信中断 如果进入变电所的通信线为架空明线，由于导线上的电压远低于短路接地故 障时的地电位升高，使导线与变电所的地网间产生很大的电位差。因为通信设备 接地一般都连接在变电所的地网上，这种很高的电位差加在通信设备上会使通信 设备烧坏，维护人员接触到导线时也有遭电击的危险阳】。 2 4 本章小结 本章对电力系统中产生地电位升高的干扰源进行简介，并针对电力系统的特 点对干扰的主要传播方式进行了阐述。对二次系统中存在的主要干扰，归纳分析 了其形成的原因，及对二次系统产生的影响。从而说明二次系统抗干扰的重要性。 电力系统中产生地电位干扰的干扰源主要有雷电流和短路电流。雷电流和短 路电流入地，使得地网上的电位分布极不均匀，另外引起地电位升高。在地网中 产生的干扰电压又会通过共模和差模耦合的形式，在对屏蔽层接地的电缆末端( 二 次设备的入口处) 产生干扰。这些干扰对电力系统的正常运行危害很大，轻则引 起二次系统及设备的运行稳定性，使通信中断；重则会导致保护误动作，造成停 电，甚至会形成更大的事故。 第三章现场调研及试验 近几年来，我国电力事业发展迅速，大中型超高压变电所越来越多。这些大 中型发电厂和变电所，在遭受雷击或发生系统接地故障时，雷电流和短路电流高 达几十千安，地电位升高可达几千伏，这个电位对设备和人身造成的危险性影响 已成为不可忽视的问题。为了研究地电位干扰，必须了解变电所的实际情况，结 合实验分析和理论分析，提出切实可行的抗干扰措施。 为展开该课题的研究，我们分别对长沙2 2 0 k v 树木岭变电所、2 2 0 k v 榔梨变 电所和信阳2 2 0 k v 沙港变电所进行了现场调研，并对沙港变进行了试验，通过分 析现场情况和试验数据找出目前在抗干扰方