防干擾技術在繼電保護裝置中的應用

［關鍵詞］防干擾技術；繼電保護裝置；外部干擾源；電磁屏蔽

［中圖分類號］TM774 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0088–03

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大、復雜程度的日益提高，以及各種電子設備和非線性負載的廣泛應用，電磁環(huán)境變得愈發(fā)復雜，干擾問題日益突出。干擾信號可能導致繼電保護裝置誤動作或拒動作，給電力系統(tǒng)的安全運行帶來嚴重威脅。通過對防干擾技術的不斷探索和創(chuàng)新，能夠為電力系統(tǒng)的可靠運行提供更堅實的保障，推動電力行業(yè)朝著更加智能、高效及安全的方向發(fā)展。

1繼電保護裝置的干擾來源

1.1外部干擾源

（1）雷電沖擊。雷電直接擊中電力設備或輸電線路，會產生極高的電壓和電流。這些瞬態(tài)的過電壓和過電流可能通過線路傳導進入繼電保護裝置，導致裝置中的電子元件瞬間過載，甚至損壞。雷電產生的電磁場也會通過電磁感應在二次回路中產生感應電動勢，干擾繼電保護裝置的正常工作。

（2）靜電放電。在干燥的環(huán)境中，物體之間的摩擦或分離可能產生靜電。當靜電積累到一定程度并突然釋放時，會產生短暫而強烈的電流脈沖。如果靜電放電發(fā)生在繼電保護裝置附近，可能會耦合到裝置的敏感電路中，引起誤動作或造成電子元件的損壞。

（3）電力系統(tǒng)短路故障。電力系統(tǒng)短路瞬間會產生巨大的短路電流，這會導致系統(tǒng)電壓急劇下降。電壓的突變會在二次回路中感應出暫態(tài)電壓，影響繼電保護裝置的測量和判斷。短路故障還會引起系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程，產生高頻的電磁場，對繼電保護裝置的信號傳輸和處理造成干擾。

（4）高壓開關操作。在分合閘操作時，開關觸點間會產生電弧，電弧的熄滅和重燃會引起一系列的暫態(tài)過程，包括高頻振蕩和過電壓。這些暫態(tài)信號可能通過母線和互感器傳遞到繼電保護裝置，干擾其正常運行。

（5）無線電信號。來自廣播電臺、移動通信基站等的無線電信號，如果其頻率與繼電保護裝置的工作頻率相近或諧波重合，可能會通過電磁耦合進入裝置內部。較強的無線電信號可能會覆蓋或扭曲繼電保護裝置的正常信號，導致測量誤差或控制指令錯誤。

1.2內部干擾源

（1）繼電器自身的電磁輻射。繼電器在工作時，其內部的電流變化會產生磁場，磁場的變化又會產生電場，從而形成電磁輻射。這種電磁輻射可能會干擾附近的敏感電路，尤其是在高頻率切換或大電流通過時，輻射強度可能更大。

（2）電源波動。電力系統(tǒng)中的負載變化、電網(wǎng)故障或電源設備自身的問題可能導致繼電保護裝置的供電電源出現(xiàn)波動。電壓的升高或降低會影響電路中各元件工作狀態(tài)，導致信號失真、邏輯錯誤或元件損壞。

（3）電路中的電感電容耦合。在繼電保護裝置的電路中，電感和電容元件廣泛存在。當電流通過電感時，會產生感應電動勢。電容在充放電過程中也會引起電壓的變化。這種耦合可能導致信號串擾、噪聲疊加，影響繼電保護裝置對輸入信號的準確判斷和處理。

2防干擾技術的類型及原理

2.1屏蔽技術

屏蔽技術是一種常用的防干擾技術，其原理是通過物理屏障來阻擋或吸收外部干擾信號，從而保護內部敏感電路免受干擾。屏蔽可分為電磁屏蔽、射頻屏蔽及靜電屏蔽。

電磁屏蔽的原理在于使用導電材料（如銅、鋁）制成的殼體或網(wǎng)罩，包圍需要保護的電路或設備。電磁屏蔽的作用是反射、吸收或抵消外部電磁干擾。射頻屏蔽是專門用于阻擋射頻干擾的屏蔽，通常用于無線通信設備。靜電屏蔽用于防止靜電干擾，特別是對于敏感的電子組件，如集成電路。

在繼電保護裝置中，屏蔽技術可以減少或阻擋空間中的電磁波傳播，避免高敏感設備受電磁干擾的影響，維護其運行的穩(wěn)定性。例如，繼電保護裝置的關鍵部分可能會被安裝在金屬屏蔽盒內，或整個裝置可能會被放置在一個屏蔽良好的控制柜中。

屏蔽技術的有效性取決于屏蔽材料的選擇、屏蔽結構的完整性，以及屏蔽與被屏蔽物體之間的接口處理。正確設計和實施屏蔽技術可以顯著提高繼電保護裝置的抗干擾能力，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行。

2.2濾波技術

濾波技術是一種通過濾波器對信號進行篩選和處理，以去除干擾成分的技術。濾波器本質上是一種頻率選擇器件，可以讓某些特定頻率范圍內的信號通過，而阻止其他頻率范圍的信號。

在繼電保護裝置中，常見的濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器。濾波器的實現(xiàn)方式有多種，包括無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器結構簡單、成本低，但性能可能受到元件參數(shù)的限制。有源濾波器具有更好地濾波性能和靈活性，但成本相對較高。

在實際應用中，需要根據(jù)干擾信號的頻率特性和繼電保護裝置的工作要求，選擇合適類型和參數(shù)的濾波器，以有效去除干擾，保證裝置正常工作。

2.3接地技術

接地技術是一種重要的防干擾技術，在繼電保護裝置中，如果接地不良，可能會導致以下問題：①當存在干擾源時，裝置的不同部分可能會出現(xiàn)不同的電位，從而產生共模干擾電壓，這會影響測量精度，甚至導致誤動作的出現(xiàn)。②裝置無法及時將靜電電荷泄放，可能會造成靜電放電，損壞敏感元件。

為了實現(xiàn)有效接地，需要注意以下幾點：①接地電阻要小，以保證良好的導電性；②采用單點接地、多點接地或混合接地方式，要根據(jù)具體的電路結構和工作頻率進行選擇；③確保接地導體的截面積足夠大，以承受可能的故障電流；④注意接地系統(tǒng)的完整性和連續(xù)性，避免出現(xiàn)斷點或接觸不良的情況。

2.4隔離技術

隔離技術主要包括光電隔離與電磁隔離。

光電隔離器通常由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。光通過隔離介質照射到光敏晶體管上，從而在輸出側產生相應的電信號。輸入側和輸出側之間沒有直接的電氣連接，而是通過光進行信號傳輸，因此可以有效阻斷電信號的直接傳導。

電磁隔離是基于變壓器的原理，將專用變壓器安裝在回路端口上，一次側和二次側借助磁路中介傳遞電能。初級繞組和次級繞組之間只有磁的耦合，沒有電氣連接，所以能夠有效隔離輸入電路和輸出電路之間的直流和低頻干擾信號。

總之，隔離技術通過切斷干擾信號的傳導路徑，實現(xiàn)了不同電路或系統(tǒng)之間的有效隔離，保護了敏感電路免受外部干擾的影響。

3防干擾技術在繼電保護裝置中的具體應用

3.1硬件設計中的防干擾措施

在繼電保護裝置硬件設計的防干擾處理中，可以結合上述各類防干擾技術原理，采取以下措施。

（1）合理布局電路板。將敏感元件與干擾源遠離，如將弱電部分與強電部分分開布局，以減少干擾的傳播。

（2）優(yōu)化布線。縮短信號線長度，可以減少信號傳輸過程中的衰減和干擾。加粗電源線和地線，以降低線路阻抗，減少干擾。

（3）選擇合適的元件。盡量采用低噪聲元件，如濾波器與低噪聲放大器等，減少裝置自身產生的干擾。對于芯片而言，其也應當具有良好的抗干擾性能。

（4）在芯片電源引腳附近添加去耦電容，濾除電源中的高頻噪聲。

（5）使用屏蔽技術，對敏感電路或元件進行屏蔽，如使用金屬外殼或屏蔽罩，減少外界干擾的影響。通過進行有效的接地設計（如單點接地），將電路中的接地點集中在一點，避免形成接地環(huán)路。

例如，在一個繼電保護裝置中，可以將處理器、ADC（模擬數(shù)字轉換器）等核心元件布置在遠離干擾源的位置，信號線采用雙絞線或屏蔽線，以減少外界電磁干擾的影響。在電源輸入端添加大容量電解電容和小容量陶瓷電容，進行濾波和去耦。另外，使用金屬外殼對敏感電路進行屏蔽，并合理規(guī)劃接地，將數(shù)字地和模擬地分開，并通過單點接地連接到電源地，借此提高繼電保護裝置的可靠性和穩(wěn)定性，確保其在復雜的電磁環(huán)境中正常工作。

3.2軟件算法中的抗干擾處理

（1）數(shù)字濾波算法的應用。常見的數(shù)字濾波算法包括中值濾波、均值濾波、卡爾曼濾波等。這些算法可以根據(jù)信號的特點和干擾的類型，選擇合適的濾波算法，以提高信號的質量和可靠性。

（2）數(shù)據(jù)校驗與糾錯技術。其可以檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，有效提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，從而提高繼電保護裝置的性能。

（3）充分利用軟件陷阱與看門狗技術，用于捕獲和處理異常情況，以及監(jiān)測程序運行狀態(tài)。

3.3系統(tǒng)級的防干擾方案

對繼電保護裝置中系統(tǒng)級防干擾方案的設計也較為關鍵，重點在于系統(tǒng)布線與結構設計、設備安裝與調試等。

在系統(tǒng)布線規(guī)劃中，可以將強電和弱電分開布線，避免強電對弱電信號的干擾，并盡量使線路平行布置，減少線路之間的交叉，降低互感和電容耦合產生的干擾。對于敏感信號線路（如測量回路與控制回路等）而言，應當使用屏蔽線纜，并正確接地，以減少外界電磁場的干擾。

在結構設計中，可以進行分層布置，如將電源模塊與信號處理模塊分開，減少相互干擾。對易受干擾的部分和對干擾敏感的部分，可以采用物理隔離的方式，如設置金屬隔板或屏蔽罩。另外，需要合理規(guī)劃通風通道，減少設備過熱導致的性能下降和誤動作發(fā)生概率。

在設備安裝與調試中，需要注意以下幾點：①在設備安裝中，應當確保設備外殼、接地端子等與接地系統(tǒng)連接良好，接地電阻符合要求。所有的接線端子、插頭插座等應緊固連接。遵循設備的電磁兼容安裝要求。②在調試中，需要進行干擾測試，并合理整定繼電保護裝置的參數(shù)，如動作閾值、延時時間等。

4結束語

繼電保護裝置是電力系統(tǒng)的關鍵成分，對于維護系統(tǒng)的正常運行具有重要作用。借助屏蔽技術、濾波技術、接地技術及隔離技術等多種手段，繼電保護裝置得以在復雜的電磁環(huán)境中準確、迅速地檢測并處理故障，有助于大幅降低系統(tǒng)故障帶來的風險，維護電力企業(yè)經(jīng)營效益及人們的用電生活。隨著技術的發(fā)展，將有更多創(chuàng)新型的防干擾技術應用于繼電保護裝置的研發(fā)中，以進一步提高電力系統(tǒng)的安全性能，推動我國電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。