變電站二次回路干擾來(lái)源的分析及其解決措施

董世勇

摘要：在變電站中，二次回路專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)對(duì)一次系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測(cè)和控制，但如果二次回路受到干擾，它對(duì)變電站的控制與繼電保護(hù)裝置就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致處于強(qiáng)電磁環(huán)境中的二次回路造成無(wú)故障開(kāi)關(guān)跳閘事故。文章從實(shí)際角度出發(fā)，分析了目前變電站二次回路中的各種干擾來(lái)源及其危害，并提出了二次回路抗干擾的直接對(duì)策。

關(guān)鍵詞：二次回路；變電站；干擾來(lái)源；抗干擾措施；干擾抑制；無(wú)故障開(kāi)關(guān)跳閘事故 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM64 文章編號(hào)：1009-2374（2016）16-0132-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.064

變電站在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)受到各種干擾，有些來(lái)自外部，有些來(lái)自?xún)?nèi)部，它們都會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)干擾電壓，并通過(guò)電磁耦合與靜電耦合來(lái)直接傳導(dǎo)進(jìn)入二次回路之中。它的頻率一般在上百kHz，而峰值最高可達(dá)數(shù)十kV，對(duì)繼電保護(hù)裝置與控制系統(tǒng)有很大的損害。

1 變電站二次回路的干擾來(lái)源

變電站二次回路中所存在的干擾信號(hào)主要分為兩方面：由一次回路及二次回路自身所引發(fā)的系統(tǒng)內(nèi)部干擾，由外部環(huán)境例如無(wú)線(xiàn)電信號(hào)、惡劣天氣雷電流所引發(fā)的系統(tǒng)外部干擾。下文將從各個(gè)角度探討變電站二次回路的干擾來(lái)源。

1.1 容性耦合對(duì)二次回路的干擾

容性耦合就是靜電耦合，它通過(guò)二次回路的近距離電場(chǎng)及耦合電容在二次回路引發(fā)干擾，是一種處于介質(zhì)中的、可對(duì)不同導(dǎo)體產(chǎn)生雜散電容的靜電干擾。例如在變電站中的耦合電容、電容式電壓互感器等電容性元件以及導(dǎo)體中的電壓都會(huì)通過(guò)電容耦合傳遞到周邊導(dǎo)體上形成容性耦合干擾。

如果雜散電容中的電容值在pF數(shù)量級(jí)以上，即雜散電容的電容值R時(shí)，此時(shí)電容分壓U就為：

可見(jiàn)，電容性耦合所起到的干擾作用等同于導(dǎo)體在地面之間連接了一個(gè)幅度在的電流源，當(dāng)該電流源的干擾頻率越大，就越可能產(chǎn)生基于回路的容性耦合反應(yīng)。因此，容性耦合的干擾能力會(huì)伴隨耦合電容的增大而不斷提升，它不但會(huì)對(duì)低阻抗較大的電路產(chǎn)生電場(chǎng)干擾，也同時(shí)會(huì)降低對(duì)地阻抗，降低兩個(gè)電路之間的雜散電容。一般來(lái)說(shuō)，容性耦合干擾主要來(lái)自于兩種途徑：變電站周?chē)睦讚衾纂姺烹姼蓴_，當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，由其放電所產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖電場(chǎng)與磁場(chǎng)就會(huì)通過(guò)變電站中用于測(cè)量的互感器直接傳輸?shù)蕉位芈分?；變電站中的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)這些一次設(shè)備也會(huì)由于存在一定感性負(fù)載而在投切操作過(guò)程中觸動(dòng)電弧，造成電弧的重燃或熄滅。此時(shí)，母線(xiàn)上的瞬時(shí)過(guò)程就會(huì)逐漸由母線(xiàn)轉(zhuǎn)移到電壓互感器以及二次回路之中形成耦合，使得二次回路電壓電流之間形成瞬時(shí)波形干擾。

1.2 感性耦合對(duì)二次回路的干擾

感性耦合又叫做磁場(chǎng)耦合，它所產(chǎn)生的干擾電壓能夠與二次電路之間產(chǎn)生互感，激發(fā)交變電場(chǎng)在載流導(dǎo)體周?chē)纬砷]合電路進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，所以感性耦合所包括的干擾應(yīng)該分為以下三種：

第一，在操作隔離開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻電流、雷電流，它們會(huì)通過(guò)高壓母線(xiàn)并在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，其中會(huì)有一部分將二次電纜包圍，在變電站地網(wǎng)與二次電纜之間形成閉合回路。

第二，一旦變電站出現(xiàn)接地故障，站內(nèi)的架空導(dǎo)線(xiàn)就會(huì)與接地網(wǎng)之間形成短路電流，這股短路電流會(huì)在二次電纜周?chē)纬蓸O強(qiáng)的空間磁場(chǎng)，該空間磁場(chǎng)會(huì)將雙端接地二次

電纜與接地網(wǎng)連接，構(gòu)成回路感應(yīng)電流以干擾二次回路。

第三，由于雷擊所造成的高壓線(xiàn)接地架構(gòu)。因?yàn)槔讚舾邏壕€(xiàn)會(huì)產(chǎn)生行波，它的最大斜率可高達(dá)50MV/，而當(dāng)行波在傳輸過(guò)程時(shí)，波頭斜率卻會(huì)降到1MV/，一旦該情況發(fā)生，就一定會(huì)產(chǎn)生絕緣擊穿行波并致使二次電纜產(chǎn)生感應(yīng)，當(dāng)雷擊穿過(guò)接地構(gòu)架后，金屬構(gòu)架中的電流分布就會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度電磁場(chǎng)來(lái)干擾二次回路。如圖1所示：

如圖1所示，在平行導(dǎo)線(xiàn)狀態(tài)下，感性耦合中的是干擾源電流，而表示干擾源與二次回路間的互感數(shù)值，如果二次回路產(chǎn)生干擾電壓，則有：

如果從干擾源方面有電流通過(guò)，則電流i就應(yīng)該為：

而干擾源與二次回路間的互感數(shù)值就應(yīng)該計(jì)算為：

式中：代表空氣導(dǎo)磁系數(shù)；L代表平行電纜中纜芯的長(zhǎng)度；a和b分別代表兩根導(dǎo)線(xiàn)與二次回路導(dǎo)線(xiàn)間的距離；表示干擾源與導(dǎo)線(xiàn)間的實(shí)際夾角。所以變電站負(fù)載上所產(chǎn)生的干擾電壓應(yīng)該為：

可見(jiàn)，當(dāng)電流干擾通過(guò)干擾源后，它會(huì)直接加載到負(fù)載上形成干擾電壓，而干擾電壓的大小則取決于導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度與干擾源上的電流和頻率，且它們之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系。由于二者處于平行導(dǎo)線(xiàn)中，屬于平行關(guān)系，所以它們之間的干擾電壓會(huì)上升到最大值。但如果a、b導(dǎo)線(xiàn)與干擾源的距離是相等的，則干擾電壓會(huì)趨于最小值。

2 變電站二次回路干擾問(wèn)題解決措施

要想避免變電站二次回路干擾問(wèn)題，就應(yīng)該從控制干擾源著手，并盡量降低變電站敏感設(shè)備與干擾源之間的耦合程度。本文根據(jù)以上所提到的容性耦合干擾與感性耦合干擾提出了相關(guān)的抗干擾抑制對(duì)策。

2.1 容性耦合干擾解決對(duì)策

2.1.1 耦合阻抗增大。由于容性耦合發(fā)生在二次回路的近距離電場(chǎng)及耦合電容之間，所以應(yīng)該適當(dāng)增加干擾源與二次回路間的有效距離，借此來(lái)控制降低電纜長(zhǎng)度，為電纜重新設(shè)計(jì)合理的敷設(shè)路徑，這樣做有助于降低二次回路與干擾源之間的耦合電容，與此同時(shí)也能增加耦合阻抗。由于電容性耦合中的耦合電壓可能與被干擾導(dǎo)體之間形成雜散電容，所以在導(dǎo)線(xiàn)與地面距離不發(fā)生改變的狀態(tài)下，應(yīng)該從降低線(xiàn)間電容著手來(lái)降低干擾電壓。根據(jù)耦合電容C的計(jì)算公式：

如上式，如果適當(dāng)減小接觸面面積，就可以達(dá)到降低耦合電容的目的。需要注意的是，在減小接觸面面積的同時(shí)也應(yīng)該避免a、b兩根導(dǎo)線(xiàn)平行走線(xiàn)情況的出現(xiàn)。

2.1.2 平衡法。因?yàn)樽冸娬局械母蓴_源與干擾對(duì)象其二者基準(zhǔn)點(diǎn)在電路中始終保持相互獨(dú)立狀態(tài)，所以利用平衡法就可以消除二者間所存在的電容性干擾，但在此之前應(yīng)該滿(mǎn)足二者間的平衡條件即（如圖2所示）。

2.1.3 電場(chǎng)屏蔽。采用電場(chǎng)屏蔽方法可以有效抑制來(lái)自于雜散電容的耦合干擾，它利用到了接地性?xún)?yōu)越的金屬屏蔽體，以利于將電場(chǎng)源中所產(chǎn)生的交變電場(chǎng)限制于某一規(guī)定范圍空間中，達(dá)到阻斷干擾源向敏感電路傳播干擾的目的。一般來(lái)說(shuō)，像鋁、銀等導(dǎo)電率較好的金屬都可以作為屏蔽材料。總體而言，這種電場(chǎng)屏蔽法必須靠接地來(lái)完成，如果接地性不夠良好，其屏蔽效果甚至?xí)佑谖雌帘沃暗母蓴_狀態(tài)。

2.2 感性耦合干擾解決對(duì)策

2.2.1 磁場(chǎng)屏蔽。磁場(chǎng)屏蔽有兩種：低頻磁屏蔽與高頻磁屏蔽。低頻磁屏蔽所運(yùn)用的是高導(dǎo)磁率鐵、鎳鐵合金等，它們共同構(gòu)建了以磁力線(xiàn)為主的低磁阻通路，可以將大部分磁場(chǎng)封閉于屏蔽體之內(nèi)，完全隔離磁場(chǎng)。而高頻磁屏蔽則主要采用屏蔽體所自然產(chǎn)生的渦流方磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，它能夠抵消所存在的干擾磁場(chǎng)。利用高導(dǎo)體材料制作高頻磁屏蔽裝置，將裝置的導(dǎo)磁率與空氣的導(dǎo)磁率相比較，如果前者大于等于后者，則可說(shuō)明磁力線(xiàn)的總趨向方向是一定會(huì)通過(guò)磁阻的最小路徑，并且該路徑所處的磁屏蔽內(nèi)必然會(huì)存在大量的磁力線(xiàn)，也就說(shuō)明空腔內(nèi)的磁場(chǎng)必然會(huì)小于裝置內(nèi)的磁場(chǎng)。

2.2.2 降低互感抗阻。因?yàn)殡姶鸥蓴_所產(chǎn)生的干擾電壓的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度與干擾源電流之間是成正比例的，而與干擾源頻率呈現(xiàn)反比，所以應(yīng)該從互感思路考慮盡量減少干擾源對(duì)二次回路的干擾，適當(dāng)降低電磁感應(yīng)在二次回路中可能產(chǎn)生的干擾電壓，最終達(dá)到降低二次回路中互感抗阻的效果。下文介紹三種應(yīng)對(duì)措施：

應(yīng)對(duì)措施一：避免在電纜敷設(shè)過(guò)程中與載流導(dǎo)體平行，當(dāng)干擾電壓的導(dǎo)線(xiàn)與干擾源之間形成余弦?jiàn)A角時(shí)，夾角應(yīng)該與余弦之間成正比。另外在電纜溝道布置過(guò)程中應(yīng)該保持它與一次載流體形成直角關(guān)系。

應(yīng)對(duì)措施二：盡量減小電纜平行段長(zhǎng)度，并且控制互感值M與一次導(dǎo)線(xiàn)L長(zhǎng)度的正比例關(guān)系，使得平行段長(zhǎng)度產(chǎn)生有效的抑制互感效果。

應(yīng)對(duì)措施三：如果是同一回路的電纜纜芯應(yīng)該安排于同一根電纜之內(nèi)，并以采用絞對(duì)線(xiàn)為最佳。如果在同一回路中，兩根電纜芯線(xiàn)與一次導(dǎo)線(xiàn)之間的距離比例是a/b，當(dāng)a=b時(shí)，位于二次回路負(fù)載上的干擾電壓就應(yīng)該為0。所以應(yīng)該選擇使用同一回路的電纜纜芯，即將正負(fù)極電纜歸納于同一根電纜之中，保持電流、電壓在二次回路中發(fā)揮比較穩(wěn)定的互感作用。此時(shí)，在導(dǎo)線(xiàn)相鄰的環(huán)路間由電纜絞對(duì)線(xiàn)所產(chǎn)生的沿線(xiàn)小環(huán)路會(huì)不斷換位，這樣就可以將干擾二次回路的電磁場(chǎng)中的感應(yīng)電壓抵消掉，避免二次回路被干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，除感性耦合與容性耦合外，例如輻射耦合、地電位差、二次回路自身等因素也可以引起不同的電磁信號(hào)干擾，破壞變電站二次回路的正常運(yùn)行。所以說(shuō)影響二次回路的干擾信號(hào)可能來(lái)自于各個(gè)方面，因此在未來(lái)的變電站建設(shè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中一定要做到考慮周全，將所有可能影響變電站正常運(yùn)維的因素考慮進(jìn)來(lái)，采取措施來(lái)限制干擾信號(hào)的傳播，保證變電站設(shè)備能夠在優(yōu)良的環(huán)境下正常工作。

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