淺談新野110KV變電站中的綜自系統(tǒng)電磁兼容問題及解決辦法

國網(wǎng)南陽供電公司新野縣電業(yè)局 陳 晨 陳 靜

隨著電力系統(tǒng)容量規(guī)模增大，以計(jì)算機(jī)和微處理機(jī)為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)、電網(wǎng)控制、通信設(shè)備等微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用使電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平得到提高，同時(shí)電磁兼容問題也日益突現(xiàn)出來。例如：集繼電保護(hù)、通信、SCADA功能于一體的變電站綜合自動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)不明原因的誤報(bào)警、誤顯示；裝設(shè)在高壓開關(guān)上的10KV保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)通信異?；蜓b置死機(jī)等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象說明電磁干擾已嚴(yán)重影響二次設(shè)備的正常工作及系統(tǒng)的安全可靠性，所以研究變電站綜合自動(dòng)化設(shè)備電磁干擾問題并提出相應(yīng)政策十分必要和緊迫。

本文對電磁兼容的接地技術(shù)以及裝置和屏柜接地布局進(jìn)行分析研討；并針對新野縣電業(yè)局變電站中的綜合自動(dòng)化設(shè)備因接地布局不良而出現(xiàn)的EMC問題，根據(jù)接地技術(shù)理論分析，提出了綜合自動(dòng)化設(shè)備的改造方案。方案實(shí)施后取得了良好的效果。

1.接地技術(shù)的基本分析

1.1 概述

根據(jù)不同的目的或用途，電氣設(shè)備接地可分為：保護(hù)接地、防雷基地、工作接地、評比接地。前二種接地主要是為安全考慮，為安全接線，均要直接接在大地上；工作接地和屏蔽接地主要為電磁兼容性考慮，把電磁干擾引入地。

接地方式包括：單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。因地線布局不合理而產(chǎn)生的“共地線阻抗耦合”與“地環(huán)路耦合”是形成接地干擾的兩大原因。

1.2 各電路之間的接地布局與連接

為了消除接地干擾，綜合采用不同接地方式，各電路之間的接地布局首推使用“樹杈型接地系統(tǒng)”方式。

(1)樹杈型接地系統(tǒng)。樹杈型接地方式實(shí)際上市靈活地采用了單點(diǎn)接地方式，將電路按信號(hào)特性分組，將相互不會(huì)產(chǎn)生干擾的信號(hào)放在一組，一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同組的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。這樣使得接地系統(tǒng)既不形成“共地阻抗”，又不產(chǎn)生“地環(huán)路”，可解決電磁干擾問題。

(2)地支線。地支線是樹杈地線系統(tǒng)的組成部分，它存在的目的有二個(gè)：①保證多級并聯(lián)一點(diǎn)接地的樹杈結(jié)構(gòu)形成；②減少地線數(shù)量，使空間不擁擠且相互干擾少。比較復(fù)雜的產(chǎn)品，地支線可分為四條或三條，對于較簡單的產(chǎn)品也可分為二條。

地支線可分為模擬地支線(Ga)、數(shù)字地支線(Gd)、功率地支線(Gp)、安全地支線(Gs)。對于某些產(chǎn)品或機(jī)柜內(nèi)大小信號(hào)相差不大時(shí)，只用一條信號(hào)地支線即可，不分模擬地支線、數(shù)字地支線；也可將功率地支線與安全地支線合并。信號(hào)地支線應(yīng)與功率地支線或機(jī)殼地支線相絕緣。每個(gè)地支線上均連有若干同類電路(電平相近，互干擾小)，而這些電路也應(yīng)盡量有各自的電源，構(gòu)成一個(gè)個(gè)獨(dú)立回路，不宜混連，以減少共阻抗干擾。

(3)地母線。地母線一般為匯流條(線)，連在地支線端點(diǎn)，用以建立同一類型的不同電路的公共電位，并與地支線溝通。地母線與地支線要一點(diǎn)互連。

(4)保證樹杈接地系統(tǒng)部受破壞的注意事項(xiàng)：

a.接地線應(yīng)絕緣，盡量避免用編織線，以防接觸不良和碰殼形成地環(huán)路。地線容量不夠(阻抗臺(tái)大)，可換粗線或并線，但不可跨接別的地線，以免形成“共地阻抗”和“地環(huán)路”的干擾。

b.不要隨便往機(jī)殼上接地線，否則會(huì)破壞樹杈結(jié)構(gòu)。

c.增加或外連設(shè)備時(shí)，切忌破換一點(diǎn)接地原則：①外連設(shè)備多為監(jiān)控、通信之類。如距離近、信息量大，應(yīng)考慮把地干線合用一個(gè)地樁，以求地電位一致。同時(shí)，在信號(hào)傳輸中，也應(yīng)保證一點(diǎn)接地或用變壓器、光耦器等手段加以隔離防止形成地干擾。②對距離遠(yuǎn)、信息量少的外連設(shè)備，不一定要共用一個(gè)地樁，但應(yīng)保持一點(diǎn)接地，必要時(shí)可加隔離。同時(shí)，傳輸線的底層應(yīng)有保護(hù)絕緣，以防多點(diǎn)碰地形成環(huán)路。③對新增設(shè)備，也應(yīng)一點(diǎn)接地。有些新設(shè)備的機(jī)殼底板就是信號(hào)地，卻用鋼螺栓連在柜體上，導(dǎo)致信號(hào)地與安全地跨接，引入干擾。

2.裝置和屏柜的接地布局

2.1 單臺(tái)裝置的接地

一臺(tái)裝置要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，往往含有多種電路，不如低電平的信號(hào)電路(如高頻電路、數(shù)字電路、模擬電路等)、高電平的功率電路(如供電電路、繼電器電路等)；另外，為了安裝電路板和其他元器件和抵抗外界電磁干擾需要外殼具有一定機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽功能。根據(jù)樹杈型接地系統(tǒng)方式，典型裝置的接地布局如圖1所示。

圖1 單臺(tái)裝置接地

單臺(tái)裝置的接地應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①為防止機(jī)殼帶電，危及人身安全，機(jī)殼應(yīng)接安全地；②為防止高電壓、大電流電路和強(qiáng)功率電路對低電平電路的干擾，應(yīng)將他們的接地分開。前者為功率地(強(qiáng)電地)，后者為信號(hào)地(弱電地)，而信號(hào)地又分為模擬地和數(shù)字地，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。

2.2 屏柜的接地

當(dāng)多個(gè)裝置組成一個(gè)系統(tǒng)安裝在一面屏柜上時(shí)，屏柜內(nèi)應(yīng)設(shè)供多個(gè)裝置信號(hào)地線接地的公共接地板，接地板銅排的截面應(yīng)補(bǔ)小于100mm2。功率地線和裝置機(jī)殼地線可通過接地螺栓直接在屏柜的機(jī)殼上。

屏柜的接地應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①屏柜內(nèi)各裝置的信號(hào)地線均應(yīng)與功率地線、機(jī)殼地線相絕緣。信號(hào)地線應(yīng)采用絕緣銅絞線或電纜，不允許使用裸銅線，不允許與其他接線混用；②各裝置的信號(hào)地線分別引接至屏柜內(nèi)的總接線銅排；③總接地銅牌應(yīng)與屏柜殼體絕緣。

2.3 系統(tǒng)的接地

(1)當(dāng)多個(gè)屏柜組裝在一起形成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，若屏柜太多，將導(dǎo)致地線過多。對此，可以考慮鋪設(shè)兩條互相平行且與系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線；一條為信號(hào)地母線，即總接地銅牌；一條為屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線。系統(tǒng)內(nèi)各信號(hào)地就近接到信號(hào)地母線上，系統(tǒng)內(nèi)各屏柜及機(jī)柜外殼就近接到屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線上，兩條半環(huán)形接地母線的中部靠近安全接地螺栓上；信號(hào)地母線接到信號(hào)地螺栓上。

(2)接地母線與接地體之間的連接應(yīng)采用焊接，不允許采用壓接。

3.新野110KV變電站的應(yīng)用

南陽新野110KV無人值班變電站于2010年投運(yùn)，在半年多的時(shí)間內(nèi)，安裝在高壓開關(guān)柜上的10KV線路、電容器等保護(hù)測控裝置發(fā)生了十幾次裝置遙測不刷新、通信管理機(jī)通信中斷或死機(jī)等異常現(xiàn)象，給變電站安全運(yùn)行帶來了極大的威脅。該變電站10KV系統(tǒng)是通過422端口與安裝在主控室的保護(hù)通信管理機(jī)通信。在異常現(xiàn)象發(fā)生后，通?？梢酝ㄟ^復(fù)位通信管理機(jī)或保護(hù)測控裝置使通信恢復(fù)正常，但某些時(shí)候需更換插件后才能恢復(fù)正常。

針對這些現(xiàn)象，新野電業(yè)局組織相關(guān)人員進(jìn)行仔細(xì)分析并要求廠家在實(shí)驗(yàn)室對相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場環(huán)境的分析，初步認(rèn)為存在電磁兼容問題。10KV高壓室的電磁環(huán)境比較惡劣，對微電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾影響了裝置的正常工作。為了更號(hào)的找出原因，在2011年7月新野電業(yè)局與廠家在該變電站進(jìn)行了電容器投切的干擾試驗(yàn)。具體測試數(shù)據(jù)如下：①通信電纜的通信芯線對大地的干擾峰峰值達(dá)700-800V、頻率為16MHZ；②通信電纜的屏蔽層對大地的干擾峰值達(dá)700-800V、頻率為16MHZ；③保護(hù)裝置機(jī)殼地對大地的高頻干擾峰峰值達(dá)400-500V；④相鄰屏的保護(hù)裝置機(jī)殼對大地的高頻干擾峰值達(dá)到200-300V，相鄰兩屏的電壓差較大。測試的同時(shí)對現(xiàn)場布線和接地情況進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)保護(hù)測控裝置地及通信電纜屏蔽層通過螺栓接在開關(guān)柜的柜體上，10KV電力電纜的屏蔽層也接在開關(guān)柜的柜體上，開關(guān)柜柜體通過槽鋼接地。用數(shù)字萬用表測量槽鋼與地網(wǎng)之間的電阻，在1-2歐姆之間跳動(dòng)。

為了比較其他變電站的運(yùn)行環(huán)境，另外又在采用Lonwork網(wǎng)絡(luò)通信的110KV果園變電站進(jìn)行了類似投切電容器的測試，測試結(jié)果如下：①保護(hù)測控裝置的機(jī)殼對大地的高頻干擾峰峰值達(dá)200-300V；②操作電容器時(shí)在相鄰屏的保護(hù)裝置機(jī)殼對大地的高頻干擾峰值達(dá)200-300V，相鄰兩屏之間的壓差較小。用數(shù)字萬用表測量槽鋼與地網(wǎng)之間的電阻，萬用表顯示固定值0.15歐姆。可見各類指標(biāo)均小于新野110KV變電站。

由以上的測試結(jié)果可知，10KV開關(guān)在操作時(shí)將產(chǎn)生很強(qiáng)的電子干擾，對裝在開關(guān)柜上的微機(jī)繼電保護(hù)裝置將帶來嚴(yán)重的影響。根據(jù)國外一些廠家的測定，在開關(guān)合閘過程中，由于重燃將在數(shù)納秒內(nèi)產(chǎn)生數(shù)千伏的快速電壓變化，從而在開關(guān)附近產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場。所以對裝設(shè)在開關(guān)柜上的保護(hù)裝置必須做好防護(hù)措施，以降低電磁干擾水平。根據(jù)現(xiàn)場的檢查，認(rèn)為至少有兩個(gè)主要因素導(dǎo)致導(dǎo)致新野變電站10KV綜合自動(dòng)化系統(tǒng)不能正常工作：①接地布局不合理：保護(hù)測控裝置、通信電纜屏蔽與電力電纜屏蔽與電力電纜屏蔽層共地；②高壓室的接地電阻偏大。另外認(rèn)為10KV監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信自身的抗干擾能力也較差。

根據(jù)以上分析，并結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)為要改善高壓室的接地、降低接地電阻困難較大，贊不考慮。先提出兩個(gè)解決方案：①改進(jìn)保護(hù)測控裝置的接地布局；②將保護(hù)通信管理機(jī)通信方式由422端口改為485傳輸方式，以提高通信抗干擾能力。

2011年6月，按解決方案2完成整改后，系統(tǒng)運(yùn)行情況有所改善，但效果不明顯，還偶爾出現(xiàn)以往的異常情況，電容器及操作10KV開關(guān)時(shí)對微電子設(shè)備的電磁干擾依然存在，且長期沖擊的積累將導(dǎo)致保護(hù)測控裝置芯片的軟擊傷。要徹底解決問題必須對保護(hù)測控裝置進(jìn)行接地改造，給系統(tǒng)一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。

4.變電站保護(hù)測控裝置的接地改造方案

4.1 保護(hù)測控裝置的接地情況

開關(guān)柜內(nèi)一次設(shè)備的接地參照交流電氣裝置接地的相關(guān)規(guī)定。二次設(shè)備主要是保護(hù)測控裝置的接地問題(電度表不接地)。保護(hù)測控裝置有三個(gè)接地點(diǎn)：①裝置的邏輯地。即信號(hào)地；②裝置的機(jī)殼接地；③通信電纜屏蔽層的接地。原有的接地情況是：三個(gè)接地點(diǎn)均通過安裝在開關(guān)柜上的接地螺栓，進(jìn)線高壓電纜的屏蔽層也接在開關(guān)柜上。

4.2 接地存在的問題

根據(jù)以上對接地技術(shù)的分析，可以看出10KV開關(guān)柜的接地存在以下問題：①保護(hù)蹭課裝置的信號(hào)地線與裝置機(jī)殼地線接在一起；②保護(hù)測控裝置的信號(hào)地線與開關(guān)柜體接在一起，即信號(hào)地與安全地混接在一起，引入干擾。特別是當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，電磁信號(hào)可通過地線引入保護(hù)測控裝置，導(dǎo)致電路不能正常。

4.3 接地改造方案

對上述裝置和屏柜的接地布局方案進(jìn)行如下改造：①開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置一個(gè)100mm2接地銅排；②保護(hù)測控裝置的邏輯地與通信電纜屏蔽層接到接地銅排上；③保護(hù)測控裝置的機(jī)殼地接至開關(guān)柜的機(jī)殼上，開關(guān)柜機(jī)殼安裝在鋼條的導(dǎo)軌上；④由于10KV高壓室內(nèi)有二十幾面開關(guān)柜，所以鋪設(shè)了一條與鋼條導(dǎo)軌相平行并半形接地銅排，每套保護(hù)裝置的信號(hào)地線都接到接地銅排上。其中由以免開關(guān)柜的總接地銅排引出地線接至安全接地網(wǎng)。

2012年3月改造完成后，效果良好，至今未出現(xiàn)前文所謂之異?，F(xiàn)象。

5.結(jié)論

隨著變電站的小型化、自動(dòng)化以及設(shè)備緊湊程度的不斷提高，電磁干擾的問題將會(huì)更加突出地顯現(xiàn)出來。電力系統(tǒng)電磁兼容問題必須從設(shè)計(jì)這個(gè)源頭進(jìn)行控制，如采取屏蔽、隔離、接地或通過合理的平面布置等措施，否則將造成嚴(yán)重后果。