现代防雷技术变电所地电位干扰及防护措施研究课件

1、现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究1 第八章、变电所地电位干扰及防护第八章、变电所地电位干扰及防护 措施研究措施研究 n第一节第一节 变电所地电位干扰概述变电所地电位干扰概述 n 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

2、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

3、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。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究2 n 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。 n 变电所是强

4、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1。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

5、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。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究3 n 最早研究变电所电磁兼容的是上世纪60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 (ANSI-American National Standards Institute)的ANSI C37.90标准 中的一部分内容2。 n 自1970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。

6、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。1978年美国电力科学研究院(EPRI- Electric Power Research Institute)启动了编号为RP1359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3。 n 上世纪80年代初到90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，

7、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4-7。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究4 n 近年来，国际上对电力系统的电磁兼容环境问题非常关注。 2001年8月在印度召开的第12届国际高电压会议(ISH)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2003年8月在荷兰召开的第 13届国际高电压会议(ISH)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1989年颁 发了8

8、9/336/EEC指令，明确规定从1996年1月1日起，所有电子、电气 产品必须通过EMC性能的认证，否则，禁止进入欧洲共同体市场8。 n 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(IEC-International Electrotechnical Co

9、mmission)电磁兼容标准(即IEC61000-4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。 n 变电所内的电磁兼容问题现己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： 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究5 n8.1.1干扰源的分析 n 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

10、)8。 n 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)9。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1： n（1）正常运行的空间电磁场的分布； n（2）操作、短路或雷电时在不同位置产生的空间电磁场； n（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； n（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； n（5）空间电磁场在二次系统产生的电磁干扰。 n

11、 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。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究6 n8.1.2干扰的耦合途径 n 上述各种途径产生的干扰进入二次电缆

12、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CMI-Common Mode Interference)是指出现于导线和地之间的干扰。差模耦合(也称横态 干扰DMI-Differential Mode Interference)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10，具体方式主要 有： n （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。 n （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。 n （3）雷击

13、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。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究7 n 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。

14、n 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 60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 EMI问题11-12。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。1991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

15、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13-14。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15。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16从定性 上分析了 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究8 n采用带屏蔽层的控制电缆作为有效减小耦合

16、电压的措施，以及利用电 缆屏蔽层多点接地减弱干扰。文献17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1960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18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。 n 目前，对于电力系统二次部分的研究主要有：1)输电线路过 电压引起的二次部分电磁兼容问题19-20；2)操作过电压引起

17、的电 磁兼容问题21-22；3)有限长线路耦合电磁场算法问题研究23-24； 4)建筑物内雷电感应过电压研究等24-25。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。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究9 第二节 变电所地电位干扰的途径、耦合机理 及危害分析 n 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

18、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， 经二次电缆传到二次系统的电磁干扰。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。 n 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

19、下图2.1描述。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究10 n图8-1 干扰系统耦合模型的总体框图 n8.2.1、雷电流入地时引起的地电位干扰 n 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26。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(di/dt)很大，使地网附近的二

20、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。 n 1.雷电流入地引起地电位干扰的途径 干扰源耦合网络二次设备 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究11 n 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： n a地网在高频下表现出来的高阻抗； n b从设备到地网的接地线的高阻抗，其值约为1H/m； n c短的电流上升时间和0.3m/ns的传波速度，在短

21、的传波距离 内产生很高的电位差。 n 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。 n （1）雷击独立避雷针引起的反击电压 n 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27。 取雷电流的平均陡度为0.333IchkA/s. 避雷针高h处的高压（kV） 可用下式计算 nUch =Ich(Rch+0.33Lh) （8-1） n式中 L支持构筑物单位长度的电感，h/m； nh计算高度，m； nRch冲击接地电阻，kA； nIch雷电流幅直，kA。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究12 n 在

22、避雷针的入地点的冲击电位 ，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。 n 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。 n （2）雷电流通过避雷线入地造成的地电位干扰 n 电力系统中，对于110kV的线路一般全线架设避雷线，而35 110kV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

23、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，折射系数，反射系数 28，故经避雷线接地引下线入地的雷电波，电压u变为0，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。 chchch UI R 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究13 n图8-2雷电波沿避雷线接地引下线入地 n(a) 雷电波流经避雷线 (b)电压波 (c)电流波 n （3）避雷器接地线引起的反击过电压 n雷击波除了经避雷线、避雷针的接地引下线注入地网外，

24、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。 n式中，RK耦合电阻 nLK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。 uf,if uf=E ub=-E if=E/Z ib=E/Z (b)(a)(c) KK dI ER IL dt 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究14 n 2、雷电流引起的干扰对二次回路的耦合方式 n 雷击变电所引起地网电位升高且分布不均匀，对二次电缆

25、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。 n （1）共模耦合 n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。 n图8-3 共模耦合等值电路 n 图中，Z1一电缆首端元件的等效阻抗，Z2一电缆末端设备的 输入阻抗，Z3一电缆末端接地阻抗，u(t)即电缆芯线与外皮间干扰电 压。 n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。 n （

26、2）差模耦合 地网 e(t) Z3 Z1 Z2 Z3 u(t) 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究15 n 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。 n图8-4 差模耦合等值电路 n 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

27、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。 n8.2.2、工频短路电流引起的地电位干扰 地网 e(t) Z3 Z1 Z2 Z3 u(t) 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究16 n 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

28、，严重地干扰二次设备的正常运行，甚至于造成事故。 n 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0.2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50000倍，因此能量大于雷电流能量。电流产生的热量 Q=I2Rt，在同一电流通过中，R相等（不考虑频率因素）。假设短路电 流I1=1kA，作用时间t1=0.2S；雷电流幅值I2=5kA，作用时间t2=4S 分析比较如下： nQ1/Q2 = I12Rt/ I22Rt = (120.2106)/(524) = 2000 （8- -3） 现代防雷

29、技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究17 n 在同一电流通过中，10kV工频短路电流所产生的热量比5kA雷 电流产生的热量大200倍。当工频短路电流为16kA时，其产生的热量将 比5kA雷电流产生的热量大512000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。 n 1、工频短路电流入地引起地电位干扰的途径 n （1） 影响地电位升高的因素 n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

30、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。 n （2）地电位升高的两种途径 n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。1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

31、部分电流称为 入地短路电流)，形成接地网地电位升高。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究18 n 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。 n （3） 工频短路电流的影响过程 n 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

32、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。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究19 n 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

33、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kHz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。 n 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

34、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。 n 2、工频短路电流引起的干扰对二次回路的耦合方式 n 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

35、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32。如图8.5所示eCM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： 则其差模电压 1234 ,ZZZZ 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究20 n如果 ，则电流分别流过Z1、Z4和Z2、Z3， 从而形成电位差eNM作用于二次回路的负载ZL上； n （8-5） 0 NM e 1234 ,ZZZZ 34 1423 () NMCM ZZ ee ZZZZ Z1 Z2 ZL Z3Z4eCM eNM n图8-5 共模干扰等效电路 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究21 n 地网接地体上的电流对二次

36、线的感应电势是一个沿二次线方 向的纵向电势， 如图8.6(a)。将它变换成图8.6(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 ，同样会出 现电位差eNM，以差模电压形式作用于二次回路的负载ZL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，

37、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。 123456 ,ZZZZZZ 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究22 Z1 Z2 ZL Z3Z4 eNM eCM2 eCM1 Z5Z6 Z1 Z2 ZL Z3Z4 eNM eCM1eCM2 Z5 Z6 n图8-6 二次线的感应电势 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究23 8.2.3、地电位干扰的危害 n 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。 n 1、高压线接地故障使通信中断 n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

38、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，1975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。 n 2、高电位引出使通信中断 n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1980年3月，华东电网某电站因误合220kV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

39、信正常进行。 n 3、低电位引入使通信中断 n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33。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究24 n 4、近年发生的地电位干扰事故 n 信阳局沙港站2005年10月发生开关的同期电压指示不正常， 电压互感器的接线盒下来的电缆烧断且严重发热，二次保险熔断的事 故。事后分析是由于沙明1线路PT二次回路分别在开关场和控制室两 点接地且

40、开关场处接地与一次接地点连通，变电所的接地网并非实际 的等电位，因而在不同点间会出现电位差，如果一个电连通的回路在 变电所的不同点同时接地，地网上的电位差将窜入这个回路，长期运 行，控制电缆长期过热，绝缘被破坏，同时，由于当时为雷雨天气， 变电所地网中的冲击电流增大，产生暂态电位波动，电缆电位将随地 电位的波动而受干扰，地电位升对低压控制回路的绝缘带来严重影响， 最终导致控制电缆绝缘层及电缆芯线有多处长度不等的烧糊痕迹，电 缆芯线绝缘层呈龟裂状，严重的地方铜线裸露，铜芯发白，芯线之间 连通。很明显这是一起因二次电缆接地方式不当将地电位差引入回路 的事故。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及

41、防护措施研究25 第三节、现场调研及试验 n 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。 n 为展开该课题的研究，我们分别对长沙220kV树木岭变电所、 220kV榔梨变电所和信阳220kV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面 存在的不足。 n8.

42、3.1、现场调研 n 1、变电所一次、二次设备的接地情况 n 长沙220kV树木岭、榔梨两座变电所都属于敞开式变电所，一次部分 的各个设备与地网的接地都是良好的，均为一点接地，其中避雷针是通过构 架接地，结合滤波器等通过铜排接地。电缆沟内没有铜排。控制室内，二次 设备通过等电位连接的方式与主地网相连，即每个机屏都有地网有接地点， 用于通信、控制的电缆屏蔽层采用两点接地的方式。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究26 n 信阳220kV沙港变屏蔽电缆屏蔽层两端均接地，电流、电压的N 回路均在控制室一点接地。在保护室每一排保护屏下方设专用铜排（- 254），每排之间距离约为35米，

43、各排再在首端、尾端用铜排连通， 并在靠近电缆竖井处，用4根50mm2接地铜缆与电缆竖井处主接地网一点 可靠连接。各保护柜内设有保护专用接地铜排，通过1根50mm2接地铜缆 分别接至保护专用接地铜网上。这实质上是一点接地。 n 2、近年发生的地电位干扰事故 n 信阳局沙港站2005年10月发生开关的同期电压指示不正常，电 压互感器的接线盒下来的电缆烧断且严重发热，二次保险熔断的事故。 事后分析是由于沙明1线路PT二次回路分别在开关场和控制室两点接地 且开关场处接地与一次接地点连通，变电所的接地网并非实际的等电位， 因而在不同点间会出现电位差，如果一个电连通的回路在变电所的不同 点同时接地，地网上

44、的电位差将窜入这个回路，长期运行，控制电缆长 期过热，绝缘被破坏，同时，由于当时为雷雨天气，变电所地网中的冲 击电流增大，产生暂态电位波动，电缆电位将随地电位的波动而受干扰， 地电位升对低压控制回路的绝缘带来严重影响，最终导致控制电缆绝缘 层及电缆芯线有多处长度不等的烧糊痕迹，电缆芯线绝缘层呈龟裂状， 严重的地方铜线裸露，铜芯发白，芯线之间连通。很明显这是一起因二 次电缆接地方式不当将地电位差引入回路的事故。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究27 n8.3.2、现场试验 n 为了更好的了解现场情况，找出变电所在防护地电位干扰方 面存在的弱点，我们对信阳沙港变进行了跨步电压接触

45、电压测量、地 电位分布测试、屏蔽电缆接地方式试验。 n 1、设备接触电压试验 n 当发生地电位干扰事故时，若出现过高的接触电压，可能发 生危及人身安全的事故。所以应对变电所内的电气设备测量接触电压。 在变电所附近地区还应测量地面的电位分布。 n 当接地短路电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位， 在地面上离设备水平距离为0.8m处与设备外壳、机构或墙壁离地面的 垂直距离1.8m处两点的电位，称接触电势，人体接触该两点时所承受 的电位差称为接触电压。 n 测量设备接触电压时，使用的仪器是DET2/2接地电阻测试仪。 DET2/2 是一种全自动数字式接地电阻测试仪，具有微处理器控制， 具有先进的

46、滤波功能。 10m 20k量程自动转换，可三端、四端 测试。可测简单、复杂、大型的接地网的接地电阻（如发电厂、变电 所、开关站、计算机和通信系统、电磁干扰（EMI）/射频干扰（RFI） 系统、公用天线电视（CATV）系统的接地，以及天线、中央控制系统 和系统底座的接地等），并可测土壤电阻率。 n 如图8-7所示进行试验接线，读取接地电阻测试仪的指示值。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究28 n图8-7 测量设备接触电压的试验接线图 n如图8-8，实验测量了C相避雷器，测量结果为 0.062 n沙220开关A相支柱绝缘子，测量结果为0.069其中变电所最大短路电流 Imax=2

47、4.27kA n然后按公式推算出当流过大电流Imax时的实际接触电压。经计算，C相避 雷器的设备接触电压为1505V；沙220开关A相支柱绝缘子的设备接触电 压为1675V。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究29 n IEC标准规定，在通常状况下，接触电压上限值为交流50伏或 无波纹直流120伏。在特殊状况下，接触电压上限值为交流25伏或无波 纹直流60伏。可见，沙港变的设备接触电压严重超标。接触电压和跨 步电压的变化规律和地网上方的地表面电位升的规律一样，当激励源 频率较低时，关于地网的中心或任意中心轴对称；当激励源频率较高 时，由于电流受到导体的电感的阻碍，主要集中在电流

48、注入点附近泄 漏，在电流注入点附近的接触电压和跨步电压较大。因此对电气设备 采取接地或接中性线等措施，可减小接触电压，避免危险。地网导体 的散流和均压效果做的好能均匀水平导体的泄漏电流分布，使每段导 体都能得到充分利用，从而降低接地网的接地电阻，而水平导体的泄 漏电流越均匀，在地表引起的接触电压就会越小。所以，沙港变的设 备接触电压超标与其地网均压状况不良，未在接地引下线处采取散流 装置造成局部电位升高有密切关系。 n 2、地电位分布测试 n 在设计接地网时应尽量采用方孔地网以改善地面电位分布， 对方孔地网的网格大小要从地电位分布均匀考虑，防止局部电位升高。 特别是在避雷器、构架避雷针和主设备

49、接地部分要增加垂直接地极或 放射状接地极以改善冲击电位分布，防止雷电流入地时造成局部电位 升高。在电缆沟内要设置接地带、在电缆沟附近要设置与电缆沟平行 的水平均压带以改善电缆沟的电位均匀。防止地电位不均对二次回路 的干扰。接地网表面的地电位分布要满足接触电压和跨步电压的要求。 由此可见，分析变电所地电位的分布情况对研究的二次设备抗干扰措 施有重要意义。对于研究地电位干扰问题，最直接的莫过于测量变电 所的地电位分布。改善地电位分布，使之分布均匀，就能较好的防止 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究30 n因局部电位升高，对二次回路造成的干扰。 n 本实验采用与测量设备接触电压的相同

50、的接地电阻测试仪进 行测量。测在站内边缘一条直线，每隔0.8米选一个点用接地电阻测 试仪测量一次，记录测量接地电阻rn(n1，2，)，通过 （Umax为流经接地体的实际大电流为Imax的对地电压，Rg为接地体的 接地电阻）计算出地网的电位分布。 n 沿不同测量方向以同样方法测量多个测试点的电压值，找出 电位变化最大的点，并算出实际的跨步电压值。 n 实验接线图如图8-8所示。 g n n R r UU1 max 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究31 n（a）试验接线； 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究32 n（b）电位分布 n图8-8 测量电位分布和跨步电压

51、接线图 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究33 n表8-1 地电位分布测量值（电压值单位：V） n 电位变化最大点出现在2-3点，这两点之间的电压为：0.084V- 0.076V=0.008V。而这两点恰好位于避雷器的入地点附近。这与后文中将 要论证的设备的接地引下线是地电位升高的主要区域，而冲击电位分布 与工频电位分布具有一定的相似性，因此，本实验为后文的研究提供了 一定的依据。 n 实验结果表明，在靠近接地引下线附近的那些点的电压值比其他 点要高出些许。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究34 n 3、地网导通性试验 n 变电所的二次设备对干扰比较敏感，一般

52、情况下要求有良好 的接地，保证发生干扰事故时，二次设备的故障电流能可靠的入地， 不至于造成反击或其他的不良后果。因此在防止电力生产重大事故 的二十五项重点要求中，明确提出接地装置引下线的导通检测工作 应每年进行一次。研究防护地电位干扰的措施时，也应先对设备与地 网的连通状况进行测试。 n 为了调查沙港变二次设备与地网的连通状况，本试验采用 DDC8910地网导通测试仪对二次设备的导通电阻值进行了测试。用于 测量接地引下线导通电阻值，先在变电所中找出一设备的接地为基准， 依次测量出其他设备接地对该点的直流电阻，如图8-9。如测出连接 有问题，应进一步查找原因。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干

53、扰及防护措施研究35 n图8-9 现场接线图 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究36 n试验中以52P关口电度表作为基准点，测得各二次设备的导通电 阻值如下表3.2。 n表8-2 试验数据 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究37 n 国家电网公司十八项电网重大反事故措施中提到：“装设 静态型、微机型继电保护装置和收发信机的厂、站接地电阻应按规定 （GB/T2887-1989和GB 9361-1988）不大于0.5欧姆，上述设备的机箱 应构成良好电磁屏蔽体并有可靠的接地措施。” n以上实验所测的值均符合地网导通电阻小于0.5规定，可见沙港变的 地网连通状况是很好的

54、。若地网的均压和散流作用均效果良好，设备 与地网的连通性又不存在可靠性问题，发生雷电流或工频短路电流入 地事故时，强大的冲击电流能很快泄入地网，将减少对二次系统的干 扰。 n 3、现场情况分析 n （1）地网均压存在缺陷 n 通过现场调研和试验可以看出沙港变的设备接触电压超标， 地电位分布存在电位变化较大的点，这些都与一次设备区主地网的均 压做得不是很理想相关。对照沙港变的地网图可以看出，沙港变在地 网设计时未在避雷针，避雷线等雷电流入地方面作足够的均压措施。 以致于在没有故障电流或雷电流的情况下测量地网电位分布时，接地 网的电位已是不均匀分布，且不均匀点就在避雷器的入地点附近，这 是很多变电

55、所在抗干扰方面的一个薄弱环节。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究38 n 1）屏蔽电缆的接地方式 n 屏蔽是将电场干扰源至器件或设备的传输路径“切断”，从 而消除或减弱干扰源对其它器件或设备的不良影响。而埋地电缆是对 微机电源产生干扰的主要干扰源，它既是干扰的主要发生器，也是主 要的接收器。电缆作为发生器，它向空间辐射电磁噪声；作为接收器， 它能敏感地接收来自邻近干扰源所发射的电磁噪声34。敷设在高压 导线附近的二次电缆，如果不采取屏蔽措施，一次回路干扰源会通过 共模耦合或差模耦合在电缆的芯线上产生干扰电压；如果采用金属外 皮的屏蔽电缆，并对屏蔽层进行接地处理，则不论对共模耦

56、合或差模 耦合产生的干扰都有明显的抑制作用。因此，采用屏蔽电缆并采取相 应的接地方式作为抑制地电位干扰的主要措施。 n 但从沙港变05年发生的事故来看，电缆烧断且严重发热说明 该变电所对于屏蔽电缆接地方式的认识还存在误区。二次电缆的屏蔽 层采用1点接地还是2点接地目前仍然是一个有争议的问题。若是采用 1点接地，接地点的位置是在一次设备处还是在控制设备处也存在分 歧。因此有必要针对沙港变的情况分析出变电所二次电缆正确的接地 方式，更好地抑制地电位干扰。 n 2）二次设备等电位连接 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究39 n 对于二次设备的接地方式，变电所和发电厂的二次系统中， 各

57、控制屏和自动化元件不可能在同一个位置，可能相距甚远，若分别 将它们在就近的接地铜排上接地，强电设备的接地电流可能在两个接 地点间产生较在电位差，干扰系统正常工作，故障或事故时甚至可能 会损坏控制电路或元件。为防止不同信号回路接地线上的电位差引起 交叉干扰，应严格按“一点接地”原则进行设计和施工。弱电信号分 系统将内部地线接通，然后各自用规定面积的导线统一引到某一点， 再由该点接到接地铜排上，从而实现一点接地。对于控制和保护盘柜， 利用一点接地保证其在同一个接地等电位面上，以保证自动控制系统 的安全可靠运行。 n 经过调查，发现各省市电厂、变电所对反措关于敷设等 电位连接专用接地铜网的相关要求的

58、理解上有明显差异。有的把原各 保护屏内的接地排用电缆连接了起来；有的把铜排直接搁在电缆支架 上或用铆钉与支架铆死；有的把铜排的两端分别与主地网连接；有的 现场端子箱内的接地排未与电缆沟内的铜排直接相连，而是通过箱体 与接地网相连；有的不清楚是否需要把开关场和控制保护室的铜排相 连；还有的认为敷设铜排只是出于高频保护反措的要求，没有高频保 护就不需要执行这个反措。沙港变各保护柜内设有保护专用接地铜排， 通过1根50mm2接地铜缆分别接至保护专用接地铜网上。这实质上是一 点接地。因此，在研究地电位干扰防护措施时，有必要认真理解反 措要求，提出合理的等电位连接铜缆的接地方法。 现代防雷技术第八章 变

59、电所地电位干扰及防护措施研究40 n 3）电源线和信号线的防护问题 n 沙港变在电源线和信号线分别采用的是隔离变压器和光电耦 合器。 n 隔离变压器在交流电源输出端的特点是防止非线性负载的电 流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染，起到净化电网 的作用。在隔离变压器输入端采样，使得非线性负载电流的畸变不影 响取样的准确性，得到能反应实际情况的控制信号。 n 但是在很多情况下，单单只使用隔离变压器还不能达到隔离 保护的作用。实际上，只要电路输入端有浪涌脉冲发生的可能，或者 输入端的电源不稳定，电路中还是会存在高频瞬态干扰的，这将会对 电路造成很大损坏。一般在切换大功率感性负载，如电机、变

60、压器、 继电器等或闪电过程等，都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以 适当防护，对二次设备的电源系统仍会造成很大的冲击。 n 由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小， 因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流 并不大，不易使半导体二极管发光；由于光电耦合器的外壳是密封的， 它不受外部光的影响；光电耦合器的隔离电阻很大（约1012）、隔 离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。光 电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低，抗干扰效果也将降低。 现代防雷技术第八章 变电所地电位干扰及防护措施研究41 n 由此可见，现有的隔离变压器和光电耦合器在抗干