（电力系统及其自动化专业论文）变电站二次回路抗干扰问题研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e c o n d a r yc i r c u i to fs u b s t a t i o n si si nas t r o n ge l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t b e c a u s eo ft h es e c o n d a r yc i r c u i ti nd cs y s t e mb e i n gi n t e r f e r e d ，t h e r ea r em a n yt r i p a c c i d e n t sh a p p e n e di np o w e rg r i dw i t h o u ta n yf a u l ti nr e c e n ty e a r s t h i sp h e n o m e n o n h a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h es a f e t ya n dt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m t h u s ，i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ea n t i - i n t e r f e r e n c eo fs e c o n d a r yc i r c u i ti ns u b s t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o u p l i n gm o d e ，i n t e r f e r e n c ei sc l a s s i f i e di n t of i v ek i n d s ：t h e c a p a c i t i v ec o u p l i n g i n t e r f e r e n c e ，t h ei n d u c t i v e c o u p l i n g i n t e r f e r e n c e ，t h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a n ti n t e r f e r e n c e ，t h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h eg r o u n dp o t e n t i a l d i f f e r e n c ea n dt h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h es e c o n d a r yc i r c u i ti t s e l f a n a l y z i n gt h e s o u r c ea n dt h ei n t e r f e r ep r o c e s so ft h e s ef i v ei n t e r f e r e n c ea n dd i s c u s s i n gi t ，i ti se a s y t of i n dt h a tt h ei n t e r f e r e n c em a i n l yh a sa ne f f e c to nt h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n d i n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e rc o n t r o l l e ri nd i g i t a ls u b s t a t i o n t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h ef a u l tm a k i n gs e c o n d a r yc i r c u i ti ss i m u l a t e do nt h e b a s i so ft h ea n a l y s i so ft h et r i pa c c i d e n t sw i t h o u ta n yf a u l te s p e c i a l l yt h ef a u l td a t ao f t h e5 0 0 k vl i a o c h e n gs t a t i o n a c c o r d i n gt oa n a l y z et h es i m u l a t i o no ft h ed cs y s t e m g r o u n d i n g ，d cs y s t e mc o n n e c tt oa c 2 2 0 va n da cc o n n e c tt od cs y s t e mf a u l t ，t h e p r o b a b i l i t yo ft r i pa c c i d e n tt h a tw i t ht h el a r g e rs t r a yc a p a c i t a n c e ，t h ep r o b a b i l i t yg e t l a r g e ri so b t a i n e d a n a l y z et h es u b s t a t i o n ss t r a yc a p a c i t a n c ea n di t si n f l u e n c eo nt h es e c o n d a r y c i r c u i ta n do b t a i nt h ea c t i o ns c o p eo ft h es t r a yc a p a c i t y t h es t r a yc a p a c i t yi sr e l a t e d t oc a b l e sl e n g t h ，t e m p e r a t u r e ，f r e q u e n c ea n dh u m i d i t yi ns u b s t a t i o n se n v i r o n m e n t w i t hh a r d e n e dc e m e n t ，s o i l ，a t m o s p h e r ed i e l e c t r i c w i t hl o n g e rc a b l e ，l a r g e rh u m i d i t y a n dl o w e rf r e q u e n c e ，t h es t r a yc a p a c i t yg e tl a r g e r a n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d sa r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ei n t e r f e r e n c eo f f e r e d a b o v e ，i n c l u d i n gt h er e s t r a i n to fe v e r yc o u p l i n g ，s u b s t a t i o ng r o u n d i n ga n dt h e o p t i m i z a t i o no fc a b l e s s t u d yt h ei n t e r m e d i a t er e l a y i n ga c t i o ne x p e r i m e n t so fd i f f e r e n t p r o t e c t i n gm a n u f a c t u r e r s c i r c u i tb r e a k e rc o n t r o l l e r t h er e l i a b i l i t yo ft h et r i pr e l a y i n g a c t i o ni si m p r o v e db ya d d i n gar e s i s t a n c ep a r a l l e lt ot r i pc i r c u i t k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ；a n t i i n t e r f e r e n c e ；s e c o n d a r yc i r c u i t ；s t r a yc a p a c i t a n c e n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘磊 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翌超导师签名：纽日期： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着电力系统自动化水平的提高，变电站内采用的弱电设备及系统越来越 多，如数据采集系统、通信系统、控制和继电保护系统等。变电站中的二次系统 处在一个强电磁环境中，工频电流、电压和系统短路故障、开关操作、雷电侵扰、 交直流混联以及多种放电现象等的通过不同途径引发的各种干扰，将不可避免地 影响二次系统的正常工作。随着变电站一次系统电压的升高、容量的增大，电磁 干扰更加严重如果不采取有效措施防御，容易造成继电保护装置的误动或拒动， 造成监控系统的混乱、死机等现象，对电网安全构成严重的威胁。国家电力调度 通信中心主编的电力系统继电保护典型故障分析中2 1 5 个事故案例中，因二 次系统问题引起的保护不正确动作有9 2 次，占4 2 8 ，二次电缆实际上构成了变 电站安全运行的主要隐患【1 - 6 1 。 近年来电网内发生了多起由于变电站及电厂的2 2 0 v ( 或11 0v ) 直流系统二 次回路受到干扰导致开关无故障跳闸事故，已有不少发电厂、变电站已经出现过 若干次在设备一次系统无故障、保护未动作、监控没有操作的情况下开关跳闸的 事故，严重影响了电力系统的安全可靠运行。例如，潍坊发电厂撑l 机组，在过去 的两年内曾经跳闸5 次；聊城热电厂群4 机组，在2 0 0 4 年内曾经跳闸5 次；2 0 0 7 年上 半年淄博热电公司2 2 0 k v 南付线2 1 l 开关及桥联2 0 0 开关跳闸，引起拌3 、4 机组停 机等。 5 0 0 k v 彤p 城站的3 次多台开关误跳导致全站停电事故，对电网构成严重威胁。 2 0 0 4 年6 月2 6 日1 2 时5 0 分，5 0 0 k v 聊城站i 号主变5 0 0 k v 侧5 0 1 l 及5 0 1 2 开关，2 2 0 k v 堂聊i 线2 1 4 开关，2 2 0 k v 分段2 1 f 开关跳闸。6 月2 8 日1 0 时4 1 分，同样的跳闸事故 再次发生。2 0 0 4 年1 0 月3 0 日l o 时5 4 分，聊城站i 号主变5 0 0 k v 侧5 0 1 l 开关( 5 0 1 2 开关在分) ，2 号主变5 0 0 k v 倾u 5 0 3 2 及5 0 3 3 开关，2 2 0 k v 母线分段2 1 f 及2 2 f 开关跳 闸。3 次故障，故障录波器均为开关量启动，没能录下任何有价值的跳闸信息， 保护装置本身没有任何动作信号，在监控系统i 0 装置中未发现跳闸命令出口的 事件记录，在监控系统s o e 报文和绝缘监测仪事件列表中发现每次事故跳闸前， 山东大学硕士学位论文 均发出“直流系统瞬间接地”、“直流绝缘异常”等信号p 1 。 由于以上事故的发生，山东电力集团公司下决心解决变电站以及发电厂的开 关误跳的问题，成立了课题研究组。研究组以5 0 0 k v 聊城站开关大面积无故障跳 闸导致全站停电事故为研究对象，在分析了变电站三次故障以及其他厂站类似故 障资料的基础上，通过大量的试验研究确定了导致开关误动跳闸的三种因素：干 扰信号存在、杂散电容太大、出口继电器动作功率太低，当干扰信号存在时杂散 电容为干扰信号提供了通道，使干扰信号跨过了接点直接起动了跳闸继电器。本 文旨在此基础上继续进行更深入的理论和试验研究工作。 本文研究的成果可以应用到运行部门、设计部门以及制造部门；可以应用到 5 0 0 k v 及以下变电站、各种类型的发电厂升压站、继电保护、自动控制专职的制 造厂，从而能更进一步优化设备的电磁兼容环境，增强设备的抗干扰能力，提高 系统运行的可靠性，减少电网的不稳定因素的影响；可以为现代变电站的优化设 计、为变电站的二次系统合理布局、为全盘自动化产品的理想指标提供依据。 1 2 现有课题的研究现状 目前，对于变电站的干扰的探究已经有很多，主要是对从变电站电磁兼容方 面展开的，在变电站电磁兼容方面最具代表性的是美国电力科学研究院( e p r i ) 自1 9 7 8 年开展的以变电站电磁暂态为课题的专项研究工作，他们分别对 l1 5 5 0 0 k v 不同电压等级的变电站进行开关操作、一次系统短路故障、雷击等试 验，并对波形进行测量及比较【8 ，9 】。围绕着变电站电磁兼容问题展开了很多变电 站干扰源干扰方式的研究。 在变电站中，最恶劣影响最大的干扰为高压开关操作干扰、一次系统短路故 障干扰、雷电干扰等。变电站内断路器、隔离开关等一次设备在操作时，会产生 一系列的电磁干扰，这些干扰会通过各种耦合进入到二次回路【1 0 , 1 1 】；一次系统短 路故障时，在站内架空导线和接地网上会流过很大的短路电流，并在二次电缆周 围产生很强的空间磁场，会对二次设备造成较大的干扰【1 2 】；雷电可以以耦合、 传导、辐射等形式侵a - - 次设备【1 3 1 15 1 。 而在变电站正常运行时也会有相对较小的干扰的存在。例如工频电流电压干 扰等电磁耦合干扰，这些稳态情况下的干扰会通过杂散电容以及电缆间的互感耦 合至二次回路，在一定的情况下会引起保护装置的误动。因此，对于变电站二次 2 山东大学硕士学位论文 回路抗干扰的研究需要的工作还有： ( 1 ) 电力系统运行过程中出现的开关无故障跳闸、机组无故障停机、设备 无故障停电的发生，需要更深入的分析其发生故障的根本原因。 ( 2 ) 当保护跳闸回路受到干扰时，其出口中间继电器容易误动，其干扰入 侵的根源及入侵途径还不明确，仍需找出提高二次回路的可靠性的方法。 ( 3 ) 研究开关控制系统的综合性能、预防开关无故障跳闸导致的大面积停 电、减少电网不稳定因素等方面的工作需要开展。 ( 4 ) 通过研究开关控制系统的杂散电容、出口继电器动作功率的动作指标， 来确定开关抗干扰能力的工作也需要开展。 1 3 本文的主要工作 本文主要研究变电站二次回路的抗干扰问题。本文将在寻找干扰信号的根 源、量化干扰信号的作用、拟制干扰信号的强度、改善电磁兼容环境等方面；在 确定不同的变电站参数下杂散电容与环境的关系方面；在研究跳闸继电器动作功 率、提高跳闸可靠性方面开展有效的工作。本文还对数字化变电站的干扰问题进 行了分析。 本文具体工作包括： ( 1 ) 详细分析变电站中存在的各种干扰信号并对干扰信号进行分类，找出 干扰信号产生的根源，量化干扰信号的作用，拟制干扰信号的强度。 ( 2 ) 对近年来发生的变电站无故障跳闸进行分析，并对变电站二次跳闸回 路进行分析，找出各种二次系统故障造成的开关偷跳机理。 ( 3 ) 确定不同的变电站参数下杂散电容与环境的关系。 ( 4 ) 对不同保护厂家生产的操作箱的中间继电器动作功率进行试验研究， 提出提高跳闸可靠性的方法。 ( 5 ) 结合变电站内的干扰，给出抑制变电站干扰的措施及改善电磁兼容环 境的方法。 3 山东大学硕士学位论文 第二章变电站干扰信号的分类及干扰机理 变电站二次回路的干扰信号主要来源于两个方面：即一次回路和二次回路本 身引发的系统内部干扰；雷电流、无线电信号等引发的系统外部干扰。在正常运 行情况下，一次系统电压、电流都是对称的，对二次回路的干扰很小。一次回路 对二次回路的干扰主要产生在一次系统的暂态过程中和不对称运行时。其中包 括：一次系统受到雷击时在高压母线上产生的高频行波；雷击避雷线引起的地电 位差；一次系统发生的各种短路；断路器和隔离开关操作引起的暂态过程。二次 回路自身的干扰，主要是由于继电器或接触器的触点开断电感元件引起的暂态干 扰电压。此外3 8 0 v 2 2 0 v 交流、无线电干扰等也会在二次回路中产生干扰电压。 2 1 千扰信号的分类 不同的干扰会对二次回路造成不同的影响，为了更好的对干扰信号进行研 究，需对干扰信号进行分类【1 1 。 干扰按照发源地来分可以分为内部干扰和外部干扰。 干扰信号的按照频率进行分类，可分为低频干扰和高频干扰。低频干扰主要 包括工频与其谐波以及频率在几千赫兹的振荡。高频干扰则有高频振荡、无线电 信号，还包括频谱含量丰富的快速瞬变干扰。 干扰按其作用方式不同，可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是出现于导 线与地之间的干扰，通常是因地电位升高所引起的。差模信号通常是出现在信号 回路内的与正常信号相串联的干扰，通常是由磁耦合引起的。如图2 1 所示，二 4 图2 1 共模干扰与差模干扰 山东大学硕士学位论文 次装置m ，其输入阻抗为，正常信号源瓦，当共模干扰信号存在时，即 信号源接地电位升高时，随着频率的升高连线阻抗z 1 和z 2 以及杂散电容z i 和z 2 的作用就会越来越大，只要两连线阻抗和两杂散电容稍有不同，则由共模电压 存引起的电流厶和l 便不同，在乙两端产生的共模干扰电压就不同，在乙上 就会出现干扰信号，即共模干扰电压。当差模干扰信号存在时，则在信号回 路内与b 串联共同作用于毛的两端，即差模干扰电压。 对不是由电直接接触引起的干扰可分为三种：电场的，磁场的及电、磁场共 同作用的。此外接地网中的地电位差会对接地导体及设备造成干扰。综合起来有 五种干扰模式：容性耦合产生的干扰、感性耦合产生的干扰、辐射耦合产生的干 扰、地电位差引起的干扰以及二次回路自身产生的干扰。本文将从以上五种干扰 模式对干扰机理进行分析。 2 2 容性耦合产生的干扰 容性耦合又称静电耦合，也叫电场耦合，所产生的干扰是近距离电场经耦合 电容加到二次回路引起的。处于介质中的不同导体之间总存在着杂散电容，在变 电站中还有补偿电容、耦合电容、电容式电压互感器等电容性元件，导体上的电 压可通过这些电容耦合到其周边的导体上。 当两个电路处于不同电位时，一个电路的电荷对另一电路有感应【2 1 。在变电 站中，由于一次设备载流体与二次回路间存在杂散电容，因此一次设备上的电压 对二次电缆产生容性( 电场) 耦合，在二次设备上产生干扰电压。另外，在变电 站内还存在导线之间的相互耦合、电源线与系统的相互耦合。这些电场耦合是干 扰二次设备正常工作的主要原因之一。图2 2 为平行导线间的容性耦合示意图。 图2 2 ( a ) 中，高压线1 和其附近的一条二次电缆2 是两条平行线，g 和c ：分别是 各线对地的分布电容，g ：是两线间分布的耦合电容，u 是导线1 对地电压，r 是 导线2 对地电阻。图2 2 ( b ) 为其等效电路。 山东大学硕士学位论文 2 u 1 ( a ) ( b ) 图2 2 平行导线容性耦合示意图 由图2 2 b 等效电路可得导线1 电压耦合到导线2 上产生的电压： u ： 竺! z 垒堡 ( 2 1 ) 。 l + j o ( c 1 2 + c 2 ) 尺 在5 0 0 k v 聊城站在实施事故反措之前，实测二次电缆对地电容值在1 0 0 2 3 0 n f 之间，此时尺1 j e o ( c , ：+ c 2 ) ，因此，可简化为： 玑刍2 坠( 2 2 ) 。 q 2 + ( ，2 式( 2 2 ) 中卫生相当于c 1 ，和c ，所组成的电容分压其分压比，在导体2 与地 c | ，+ c 之间产生的电容性耦合干扰电压与频率无关，【，按电容分压，这种耦合情况是 严重的，在一定情况下可造成变电站开关偷跳。 当杂散电容的电容值在p f 数量级时，即当r 1 j c a c c , ：+ c 2 ) 时，以可简化为 = j a i l 2 r u i ( 2 3 ) 从式( 2 3 ) 中可以看出：电容性耦合的骚扰作用相当于在导体2 与地之间连 接了一个幅度为厶= j o , c 1 ：u i 的电流源，干扰源的频率越大，越容易对其他回路产 生容性耦合。假设干扰源的电压u 和工作频率不能改变，只有c l ：和r 可以改 变，那么减小耦合电容的方法就是减小导体的平行度、屏蔽导体和分隔导体( 增 加导体间的距离) 【1 6 】。 由以上可知，容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大，对地阻抗( r ) 大 的电路容易受到电场干扰，因此减小对地阻抗，减小两个电路间的杂散电容，可 减小电容性耦合造成的干扰。如果在被干扰导线外加上金属屏蔽层，情况就会发 6 tl土 山东大学硕士学位论文 生变化。如果导线2 全部被屏蔽体包围，且屏蔽体接地电阻为零时，在屏蔽体上 受到的干扰电压以为零，亦即导线上没有干扰。从电磁场的角度看，可以认为 若屏蔽体良好接地则电场终止于屏蔽体直接耦合到地。 容性耦合干扰主要包括： ( 1 ) 雷电干扰。变电站附近的雷击和雷电放电时能产生极强的脉冲电场和 磁场，会通过测量用的互感器( c t 、p t 、c v t ) 传递到二次回路。 ( 2 ) 开关操作干扰。变电站内断路器、隔离开关等一次设备在投切操作或 开断故障电流时，由于感性负载的存在，触头间产生一系列电弧过程，即电弧的 熄灭和重燃。电弧的熄灭和重燃，在被断开或充电的母线上将引起一系列高频电 流波和电压波。这种情况下，母线上的暂态过程将通过连接在母线上的电流、电 压互感器或其它设备直接耦合至二次回路。下图2 3 为某5 0 0 k v 变电站隔离开关断 开时，二次回路的电压电流暂态波形n 7 1 。 毒 3 噜 口 。 芒l - h 。n 一| 2 一3 。 0 1 o o2 鼢3 0 0 ，洮5 6 t 啤 客- 1 纨 一蠢- 一毫 一1 2 嗡 q 矗投裁缝中托暂态墩缀 b 毪割缝t 吩餐签屯蹴 图2 3 开关断开时二次回路电压电流暂态波形 ( 3 ) 一次设备对二次设备的静电耦合。母线上的干扰可通过与母线连接的 c t 、p t 、c v t 等直接耦合至二次回路。 2 2 1 暂态电压通过c ，t 对二次电缆的干扰原理 当高压丌关操作时，在高压母线上将产生高频暂态电压，有可能通过c v t 对二次电缆的末端产生干扰。图2 4 所示为干扰产生的路径和机理，当暂态电压 u 占作用时，通过c v t 的分压电容、接地引线电感及接地网的作用产生干扰电位， 此电位对于c v t 的二次侧相当于干扰源。该干扰源通过地阻抗、接地引线电感k 和c v t 二次绕组与c v t 屏蔽层之间的寄生电容c ：，将在二次电缆的一次端产生 干扰电压。二次电缆需要接到控制室作为继电保护、控制的输入信号，其长 7 山东大学硕士学位论文 度在几十米到近千米之间。干扰电压波通过它传播至二次电缆术端，在监控系统 产生干扰电流及电压。图2 4 ( b ) 为图2 4 ( a ) 的等值电路【1 8 】。 ：线茎一、己 u 电盍、i j 负 载 图2 4 通过c v t 的分压电容及接地引线对二次电缆产生的干扰及其等值电路 图2 4 ( b ) 中，g 、q 为分压电容，u 口为c v t 在母线引入点的暂态电压，k 为引线电感，z 6 为接地网阻抗，c 2 为c v t 二次绕组与屏蔽层之间的寄生电容，z 0 为长度为，的二次电缆的波阻抗，z ，为二次电缆的末端负载阻抗( 即保护或控制 电路的输入阻抗) 。干扰源u ；可表示为： 2 i 忑丢i 砑( z a 云+ j c o l o 聂) z m 瓦五百 韩= z o ( 等 n = 甄g - z o ，见= 丽z t - z o ，7 = 厨。 基于传输线线理论，二次电缆干扰电压u ，和，干扰电流分别为： 丘= 笼 拶 ，饥= 字 裂 ( 2 剐 二次电缆上的干扰电压u ：与干扰电流，：可根据等值电路计算出来。 文献 1 8 】中对c 3 、c 4 、c 2 、k 分别取为1 6 7 0 p f 、8 0 0 0 0 p f 、5 0 0 p f 和1 p h ： 控制电缆以k v v p 2 型为例，芯线外半径为o 0 0 3 3 8 m ，电阻率成为1 8 4 x 1 0 - 8 q m ， 绝缘层相对介电常数s ，为3 2 ，外半径为o 0 0 5 0 7 m ，乙取为大电阻1 0 0 0 q ，u 占幅 值为5 0 0 k v ，暂态电压主频为1 m h z 。通过计算得到电缆输出端随长度变化的干 扰电压，如图2 5 和图2 6 所示。 8 山东大学硕士学位论文 0 4 芒 s 0 2 t ；m 图2 5 地f - - 次电缆末端干扰电压随电缆图2 6 地上二次电缆末端干扰电压随长 度的变化电缆长度的变化 从图2 5 和图2 6 可以看出，在电缆长度较小时，地下二次电缆术端干扰电压 随电缆长度的衰减比地上电缆要快。地下二次电缆末端干扰电压最大值为0 5 k v 、 而地上二次电缆末端干扰电压最大值达到近l k v 。但随着电缆长度的增加，地下 和地上二次电缆末端干扰电压均有减小到零的趋势。由于开关暂态通过c v t 对二 次电缆的传导干扰峰值大，而且不能通过二次电缆屏蔽的措施来减小，因此只能 用滤波器或氧化锌避雷器等装置来限制。文献 1 9 】中通过实验对有无屏蔽及滤波 电容不同取值进行比较，得出结果如表2 1 所示。 表2 1有无屏蔽和不同滤波电容情况下的二次电缆末端干扰电压值 滤波电容 二次电缆末端干扰电压值( k v ) ( 心)无屏蔽电缆有屏蔽电缆 无3 21 2 8 o o l3 9 l1 6 5 0 0 5 1 7 70 3 9 7 o 5 0 0 9 80 0 4 2 由表2 1 中屏蔽和滤波电容对抑n - - 次电缆末端干扰的效果比较可知，屏蔽 对抑制传导干扰作用不明显，在有屏蔽的情况下，滤波电容只需o 0 5 1 x f 就可将此 种干扰减小到l k v 以下；在无屏蔽的情况下，滤波电容取0 5 9 f i ! i 可。 2 2 2 暂态电流通过c t 对二次电缆的干扰原理 变电站中，常用的电流互感器是套管式电流互感器。套管的导电芯棒即是一 次绕组。环状的铁心用带状硅钢片卷制而成，二次绕组用绝缘线绕在铁芯上，其 通常具备不同变比的抽头供测量和保护装置选用。当高频暂态电流从母线上流过 时，有可能通过c t 套管电容及接地引线电感的作用对二次电缆的末端产生干扰。 由2 2 1 中的分析方法我们可得到，暂态电流通过c t 对二次电缆的干扰图，图 9 山东大学硕士学位论文 2 7 ( b ) 为图2 7 ( a ) 的等值电路图。 ，j = g 苇、l 债 厶电缆、j j 载 ( a ) 干扰原理图( b ) 等值电路 图2 7 通过c t 的套管电容及接地引线对二次电缆产生的干扰及其等值电路 g 为c t 套管电容；，r 为流过g 的暂态电流；c l 为c t 一次侧与其法拉第 屏蔽层之间的寄生电容；c ：为c t 二次侧与其法拉第屏蔽层之间的寄生电容； 为接地引线电感；z d 为接地阻抗；屹为暂态电流通过如、z d 产生的干扰电压 源；z 删为二次电缆输入端等效阻抗；乙为二次电缆末端负载阻抗( 即保护或控 制电路的输入阻抗) ；z o 为长为l 的二次电缆波阻抗。 当暂态电流，流过c t 时，通过接地引线注入变电站地网。地阻抗的存在使 接地点电位升高并引起引线电感的电位变化，在c t 的一次端产生干扰电压圪。 二次电缆接到控制室为测量、保护及控制所用，长度通常在几十米到近千米之间。 在信号频率很高且二次电缆屏蔽层未接地或单端接地时，可将其芯线及大地视为 传输线，这样干扰电压波通过它传播至二次电缆术端，产生干扰电压及电流。 图2 7 ( b ) 为干扰途径等值电路图。高频暂态电流进入变电站时，除从母线 上流过的一部分外，大部分会通过套管电容及引线电感在c t 及其接地引线上流 过。当，r 在c t 上流过时将通过厶和地阻抗z d ，在其上产生干扰电压源圪，可 表示为： ( 1 + ) ( z d + j c o l d ) z ， 圪= i _ t 一 ( 2 6 ) 乙+ j 砒d + 亩钕，缈l ， 鼽z , - - - z o ( p 2 旷e2 r l - ，尼= 丽z s - z o ，岛= 缓， l o 山东大学硕士学位论文 y = 、j 西，z o = 一z o 同样，二次电缆末端干扰电压圪和干扰电流，。可分别由式( 2 - 5 ) 计算。 2 3 感性耦合产生的干扰 感性耦合又称磁场耦合，所产生的干扰电压是由于干扰源与二次回路之间存 在互感而引起的。载流导体产生的交变磁场会在其周围闭合电路中产生感应电 势。此种干扰主要包括： ( 1 ) 当隔离开关操作产生的高频电流或雷电流通过高压母线时，在高压母 线周围产生了磁场，其中的一部分将二次电缆包围。二次电缆、c v t 的中间变压 器的高低压线圈层间电容、互感器的接地线、变电站地网和二次电缆的工作接地 点形成了一个闭合回路。 ( 2 ) 变电站发生接地故障时，在站内架空导线和接地网上会流过很大的短 路电流，并在二次电缆周围产生很强的空间磁场，这一空间磁场将在双端接地的 二次电缆和接地网构成的回路中产生感应电流。 ( 3 ) 雷击高压线以及接地架构。雷击高压线所产生的行波，最大斜率可达 5 0 m v p , s ，波尾可达数十微秒。由于电晕原因，在行波传输过程中，波头斜率可 降1 m v l t t s p a - f ，这种情况会导致绝缘击穿及行波对二次电缆的感应。雷击接 地构架时，通过金属构架上的电流分布产生强电磁场干扰二次线路【2 0 1 。 i = 厶s i n ( a ) t + 0 ) 干扰源 ba 1 r 几 r 图2 8 平行导线间的感性耦合 平行导线自j 的感性耦合如图2 8 所示。若五为干扰源电流，m 为干扰源与二 次回路之间的互感值，则在二次回路上产生的干扰电压吹为：玩= j c o m ：五。当 干扰源流过电流f = i , s i n ( c o t + o ) 时，两者之间的互感可以下式计算： 山东大学硕士学位论文 m ：譬l n ( 鱼) c 。s 缈 ( 2 7 ) 式中，风为空气的导磁系数，l 为平行电缆芯长度，a 、b 为两根导线分别与 干扰源的距离，p 为干扰源与导线间的夹角。 此时负载上产生的干扰电压可按下式计算 坼：ma _ ，i ：1 x 。l l c 。1 n ( 鱼) c 。s ( 彩f + 口) c 。s 伊 ( 2 8 ) l d t2 n n j 从式( 2 - 8 ) 可以看出，干扰源通过电磁干扰加到负载上的干扰电压的大小， 与导线的长度、干扰源电流大小及频率成正比，还与两者之间的平行度有关( 当 两者平行时，干扰电压最大，当两根导线与干扰源的距离相等时，干扰电压最小， 反之则增大) 。 对于2 2 0 k v 及以上电压等级变电站，二次电缆接地方式一般为两点接地，即 一端在开关场接地，另一端在控制室内直接接地。如图2 9 所示。 图2 - 9 二次屏蔽电缆两端接地的感性祸合不恿图 图2 9 中，干扰电流回路为回路l 、屏蔽层回路为回路s 、电缆芯线为回路2 。 干扰电流在屏蔽线上产生的感应电压为吼。= j c o m 。s 五；屏蔽层电流为 j 。：生一；而电缆芯线上的感应电压为： 。 风+ i c o l 。 吹地也咖蚶巾毗咖m i ：五l l 上j # + & k i z , s ( 2 - 9 ) 当( d 较低时，公式( 2 9 ) 方括号内约等于1 ，即屏蔽电缆对磁场没有屏蔽效 果；当很大时，公式( 2 9 ) 变为吹= m ：五尽岛。因屏蔽层的b 很小，l s 很 大，因此高频干扰在芯线中的感应电压很小，屏蔽效果好【5 , 2 1 - 2 3 】。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 4 辐射耦合产生的干扰 辐射耦合是指强电系统产生的高频电磁辐射能量通过空间电磁波的形式传 播n - - 次回路而产生的干扰，并随二次回路的接地方式不同而形成共模干扰或差 模干扰。一般地，辐射干扰能量较小，往往对敏感度高的二次设备产生影响，且 和其他类型干扰相伴，会加强干扰作用。变电站内存在的电磁辐射干扰主要有： ( 1 ) 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电磁 辐射。变电站内断路器、隔离开关等一次设备在投切操作或开断故障电流时，电 弧的熄灭和重燃在被断开或充电的母线上将引起一系列高频电流波和电压波，其 频率在0 1 8 0 m h z ，干扰波的持续时间在1 0 u s 1 0 m s ，而且分合闸、隔离开关、 断路器不同的操作情况下的产生的电磁场频率幅值不同【l 引。开关操作时，母线 表现为复杂结构的天线，以暂态电磁场的形式向周围空间辐射能量。 美国e p r i d 、组分别在l1 5 、2 3 0 、5 0 0k v 空气绝缘变电站( a i s ) 及3 4 5 、 5 0 0 k v 气体绝缘变电站( g i s ) 中实测瞬态电磁场。图2 1 0 及表2 2 给出了美国在 1 1 5 、2 3 0 及5 0 0 k v 户外变电站中的暂态电磁场的实测结果。测点在母线下方地面， 操作是断开一段短母线( 11 5 k v 母线长4 8 m ，2 3 0 及5 0 0 k v 母线长8 - 9 m ) ，1 1 5 、 2 3 0k v 断路器为油断路器，5 0 0 k v 断路器为s f 6 断路器哺j 。 l 量6 ? 1 4 ? ：囊 主2 ： 。 吣2 a 。 2 2 8 0 。睛俐m k v 蛩协一 之毒唑v t , a i l 堪 ( a j 电场( 扫) 戳殇 图2 1 0 不同电压等级变电站的暂态电磁场 表2 2 高压变电站中电磁场的实测结果 参数电压等级平均值最大值主频率持续时间 电场 l1 5 k v7k v m9 3k v m 2 3 m h z 0 2 1 0m s 2 3 0 k v5 5 k v m7 k v m 1 - - 2 m h z1 0m s 5 0 0 k v1 4 k v m1 6k v m 0 5 m h z1 0m s 磁场 1 1 5 k v3 7 a m4 9 a m 2 3 m h z 4 0 m s 2 3 0 k v7 0 a m8 4 a m l - - - - 2 m h z 1 0 m s 5 0 0 k v1 5 7 m2 1 2 a m o 5 m h z 1 0 m s 山东大学硕士学位论文 关操作产生的瞬态磁场是双极性的，瞬变电场波形反映了母线电压的作用，磁场 波形反映了母线电流的作用。 e p r i d 组也记录了3 4 5 k v 及5 0 0 k vg i s 变电站的大量实测数据，在g i s 变电站 中，辐射干扰的频率约为0 1 5 - - 1 0 0 m h z ，其中2 0 m h z 附近的辐射电磁场强度最 大；辐射电场强度的幅值为1 - - 5 0k v m ；磁场强度的幅值为l 5 ，m ；脉冲持续 时间数n s l m s ；上升前沿为数n s 1 1 t s 。由此可知：g i s 中暂态现象的主要频率 l 匕a i s 的高许多倍，其电场和磁场的频率分量可1 驱 2 0 m h z ：幅值l 匕a i s 中的小； 由于s f 6 气体的去游离性极强，其气体击穿过程及电弧的消失过程极为迅速，所 以电磁场总的持续时间也短。 尽管在变电站内还有其他的干扰源，但引起问题最严重的是高压隔离开关操 作所产生的瞬变电磁场【2 5 】。开关触头的慢速移动，不但使高压系统的各部件之 间的绝缘介质多次击穿，而且残留电荷使击穿电压超过系统的操作电压。每次击 穿都释放出1 0 0 k h z - 几m h z 频率的大量能量 2 6 , 2 7 】。这么高的频率及幅值且上升 时间仅为n s 级的暂态电压对变电站内的计算机和其他电子设备形成很强的干扰。 此时，远场中电磁场随对源的距离按线性衰减；而近场中电磁场则视场源的性质， 分别以对源距离的二次和三次方衰减。 ( 2 ) 无线电台、电视台、通信设备、高频载波机、对讲机及各种工业电磁 辐射源。变电站工作人员用的通信工具( 对讲机) 是变电站内高频场的主要来源。 一个5 w 对讲机在0 5 m 处产生电磁场的场强约为7 v m ，而持机的工作人员一般离 电子设备有0 5 m 远。广播发射机( 频率范围为0 1 5 k h z - - 2 0 m h z ，场强小于1 0 0 p v m ) 对变电站二次系统的影响可忽略。 对讲机使用很普遍，其工作频率绝大部分在1 4 0 - - 4 7 0 m h z 以内，标准功率 3 5 w ，辐射场强的统计平均值可按下式计算【3 , 2 8 1 ： e = 考乃 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中p 为对讲机功率( w ) ；d 为对讲机与场强计算点的距离( m ) ， d 2 2 刀 ，九为无线电波波长；k 为系数，与天线长度对波长的比值有关，对讲 机天线长度一般是k 4 ，k 值可取3 0 。我国电力系统内部使用的对讲机其工作频率 主要分布在1 4 0 一- - 4 7 0 m h z 之间( 少数达9 0 0 m h z ) ，功率多为3 - - 一5 w 。如果按5 w 、 4 7 0 m h z 对讲机计算，在距离0 2 0 m 处场强为3 4 v m 。 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 由于天线效应，大型变压器、大型发电机、电动机和高压输电线路等 都会发射出工频和谐波频率的电磁辐射。户外变电站高压线路或汇流排产生工频 电磁场。一般，电压等级越高，产生的电场越大，磁场减小。在载流约05 k a 的 线路母线下，2 2 0 k v 站的工频磁场为1 4 a m ，4 0 0 k v 为9 a m 。 图2 1 l 为实测济钢1 1 0 k v 变电站的电场和磁场波形。济钢中板厂的粗轧机冲 击无功负荷对电网影响较大，为减小电压波动、抑制谐波电流，在电网母线上装 设了一套动态无功补偿装置s v c 。其中，t c r 容量为1 6 m v a r ，滤波器安装容量 为2 52 m v a r ，基波有效容量为1 61 2 m v a r 。s v c 装置固定滤波器部分采用加装3 、 5 、7 次三组二阶高通滤波器支路。所有滤波器支路同t c r 均挂接在3 5 k v 母线。 由于s v c 装置的存在，品甲j 管的开断使得在变电站内的电场有周期性的脉冲群存 在，其脉冲周期约为1 0 m s ，其单个脉冲群的如图2 一1 2 所示其频谱分析如图2 1 3 所示，主要频率在4 0 k h z 7 0k h z 之间。脉冲群的详细信息如表2 3 中所示。 l 。 r 图2 1 1 工频稳态f 变电站电场( 左v m ) 和磁场波彤( 右a m ) “。 _ r 胛 ” 00 1 3 5 口0 1 400 1 0 1 ：du 1 u 川0 16 5 t ( 0 幽2 - 1 2 典型高颇电场冲击干扰 山东大学硕士学位论文 - jk 00 20 40 60811 21 4161 82 f r e q u e n c y 卵z ) x1 0 5 图2 1 3 典型高频电场冲击干扰频谱图 表2 3 开关脉冲群分析 b a n d w i d t h ( h z ) b u r s t sp e rc y c l ed u r a t i o np e rb u r s tp u l s e sp e rb u r s t l f ( 2 k - l0 0 k ) 6 7l - 2 m s5 0 6 0 e h f ( 10 0 k - 3 m ) 8 91 5 2 m s6 0 - 7 0 l f ( 2 k 一10 0 k ) l l 1 20 5 l m s2 3 h h f ( 10 0 k 一3 m ) 1 5 1 68 1 0 u s 8 1 0 ( 4 ) 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产生电磁辐射，以及雷电辐射等，形成辐 射干扰源。 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1 6 波长者为远场，源附近的为近场，1 6 波长附近为过渡区。对于近场，其 电场和磁场强度与距激励源的距离平方成反比，而远场的电磁场强度则与距离的 一次方成反比。 辐射干扰的途径很多，常见的有：通过设备的天线辐射、通过设备的机壳向 外辐射、穿过机壳的缝隙向外辐射、通过连接电缆辐射等。 2 5 地电位差引起的干扰 变电站接地与输电线路接地不同，它是防雷接地、工作接地和安全接地三者 的统一。由于地网内电流密度分布不同，土壤电阻率不均匀等原因，使地网内存 在局部电位差。此外，变电站中设备接地引线过长，也会造成局部电位升高，施 1 6 山东大学硕士学位论文 工单位未按设计要求