1、1关于变电站干扰的形成和传播途径的分析摘要：随着变电站自动化的不断普及，继电保护装置逐步实现微机化和集成化，对周围电磁环境要求也越来越高。变电站内一次设备众多，高电压等级的一次设备在正常运行和故障时均会对变电站二次系统产生干扰。 本文结合以往研究资料首先对变电站内常见的干扰源和传播途径进行分析和归类。然后在理论基础上结合工程施工实际情况提出变电站二次系统等电位接地网敷设原则，从变电站二次系统、户外端子箱、室内保护屏柜、二次电缆及相关设备和交流二次回路五个方面提出相应等电位接地网敷设中应遵循的原则和施工方法。最后对某 500kV 变电站保护误动案例进行分析，验证本原则的有效性。 关键词：变电站
2、二次系统 抗干扰 接地 随着现代电网朝着高电压、远距离输电和智能化目标发展，对电网的安全性、稳定性和经济性也不断提出更高的要求，而作为电力系统远距离输电的关键环节，变电站运行的安全与稳定至关重要。在实际工作中，为保证各电压等级变电站的安全运行，我们应用了大量的继电保护设备和测量设备，但随着电压等级的不断提升和整个电力系统自动化程度的提高，数据测量采集设备、通讯设备以及继电保护设备等弱电设备不断增加，变电站的电磁环境日趋复杂，一次系统正常工作或发生故障时不可避免地会对二次系统产生电磁干扰，对二次系统正常工作带来诸2多隐患，如继电保护设备发生误动或拒动甚至损坏保护装置、数据测量采集设备采集数据失真
3、、监控通信系统发生死机等，对变电站二次系统各设备的正常运行工作带来越来越多的影响，为了减少变电站二次系统的干扰，提高继电保护装置等二次设备的抗干扰能力，对变电站干扰信号、干扰源和干扰的传播途径进行分析和总结是十分必要的。 1 变电站干扰信号的分类 形成电磁干扰必须同时具备三个要素：干扰源、敏感设备、耦合途径。变电站里不同种类的干扰对变电站二次系统设备会造成不同的影响，为了更好地研究不同干扰对变电站二次系统的影响，首先对变电站干扰信号进行分类。 按照干扰源所在地不同可以将干扰分为内部干扰和外部干扰。 按照干扰信号频率不同可以将干扰分为低频干扰和高频干扰，低频干扰以工频电流和电压，以及低次谐波为主
4、，也包括频率低于 1MHz 的振荡。高频干扰以频率高于 1MHz 的高频振荡和无线电信号为主，也包含快速瞬变干扰，这种干扰频谱含量也较为丰富。 按照干扰作用方式的不同可以将干扰分为差模干扰和共模干扰，差模干扰主要存在于信号回路中，与正常的信号叠加在一起。而共模干扰一般是由地电位升高引起的，主要存在于导线与大地之间。 2 变电站干扰源分析 除去外界因素不算，变电站中各种电气设备本身就是强大的干扰源，在正常运行时工频电流和电压，故障时短路电流等都会产生各种性质不同的电磁干扰。变电站电磁干扰源大致可以分为如下几类： 32.1 电磁耦合干扰：变电站一次设备之间一般是通过电路相连进行工作的，而变电站二次
5、设备与一次设备之间几乎全部都是通过电磁耦合进行连接的，存在电场效应和磁场效应。变电站一次设备所带高压电场会通过电容耦合影响二次设备，一次设备中的大电流通过电感耦合影响二次设备。 2.2 射频干扰：在变电站中、变压器、高压导线等带高电压的一次设备在运行工作时会产生工频和高频的电磁波辐射。 2.3 雷电干扰：雷电是来自变电站外高空大气层中强烈的电磁干扰源。雷电流可以在 50-100 微秒内从 0 安升高到几十万安，再从几十万安降低到 0 安。在这一过程中在雷电流周围产生瞬时变化的雷电感生磁场，并产生从几赫兹的低频到几千兆赫兹的高频电磁波辐射。受雷电流电磁波辐射的影响，信号线通信受到干扰；当雷电流通
6、过避雷针、避雷器等防雷装置引入大地后，变电站主接地网上电位分布变得不均匀，引起地电位不同程度的升高，对直接与主接地网相连的二次系统电缆产生干扰。2.4 操作干扰：在变电站一次系统中，断路器和隔离开关的正常操作会引起高压电路的状态改变，尤其是没有灭弧装置的隔离开关。当隔离开关动作时，在刀口出会产生大量的电弧，因为没有灭弧装置，电弧可能要经过多次重燃才能彻底熄灭，在这一过程中会引起电磁能量震荡。伴随着电磁能量震荡产生的感生磁场和辐射电磁波会对变电站二次系统造成影响。 2.5 短路干扰：变电站一次系统发生短路时会产生较大的短路电流，4短路电流在随后几个周期内衰减至稳态值，在这一过程中变化的电流产生较
7、大的感生磁场对变电站二次系统造成干扰。除此之外，若发生接地短路，短路电流会沿着导线流入大地造成地电位升高，在主接地网形成电位差。 2.6 局部放电干扰：根据电晕效应，在绝缘子金具尖端和高压输电线路等曲率半径很小的局部尖端电极附近，局部电场强度超过气体的电离场强就会发生电晕放电现象。除此之外，设备局部接触不良产生的火花放电以及高压电气设备绝缘表面附着过多污秽物在潮湿条件下发生污闪，都会对会对变电站二次系统造成电磁波辐射干扰。 2.7 对讲机和通信设备干扰：随着科学技术的不断进步，变电站中通信设备、无线电设备应用愈发广泛，各变电站运行和检修人员在巡视和维修时均配备对讲机这些无线电和通信设备都会对变
8、电站二次系统产生一定的辐射干扰。 2.8 设备内部电子干扰：现代变电站综合自动化系统集成度很高，全部应用较为先进的电子设备，在这些设备内部电子电路会产生各种各样的杂音干扰。干扰量虽然不大，但现在的微机继电保护装置对于电磁环境稳定要求更高，这些杂音干扰会给先进的综合自动化系统带来一定影响。 综上所述，变电站对二次系统产生干扰的干扰源种类繁多，干扰的作用方式也不尽相同。不同的干扰源所产生的干扰不仅强度差别很大，而且频谱范围极广，这对现代变电站二次系统抗干扰造成较大困难。 3 电磁干扰的耦合与传播方式 5在变电站中，电磁干扰主要有两种传播方式：传导和辐射。根据传播机理的不同可以将电磁干扰分为传导干扰
9、和辐射干扰。传导干扰是沿着导线传播的电磁干扰，主要可以分为 4 种，分别是：电容耦合（电场耦合） 、电感耦合（磁场耦合） 、电磁场耦合和公共阻抗耦合。而辐射干扰是以电磁波的形式通过空间传播的，例如上一节提到的电晕放电产生的局部放电干扰。 电与磁总是相生相伴的，在实际的工程现场，不存在纯粹的电场或者磁场，所以严格的说，电磁场耦合包括电容耦合和电感耦合。但为了研究的方便，当测量点到干扰源的距离小于 0.167倍干扰波最大波长时，我们可以简单等效认为，高电压对应电容耦合，大电流对应电感耦合。当测量点到干扰源的距离大于 0.167 倍干扰波最大波长时，干扰源产生的干扰看作辐射干扰。 3.1 电容耦合
10、电容耦合是指某一导体上的电压通过导体之间的分布电容影响另一导体的电位。在实际工程中，分布电容存在于任何电气元件之间，所以带电的干扰源与被干扰的设备之间存在电容耦合。以两根平行的导线为例，研究导体之间的电容耦合，如图 3-1（a）和（b）所示。 假设导线 2 上因为电容耦合作用产生的干扰电压为 VN，由图 3-1（b）电路等效图和基尔霍夫定律定律可以得到： 式中： C12平行导线间的分布电容 C2G导线 2 与大地之间的分布电容 R导线 2 与大地之间的电阻 6V1等效干扰源信号电压 如果导线 2 与大地之间电阻 R 很大，则式（3-1）可以化简为： 从式（3-2）可以看出，当 R 很大时，平行
11、的导线之间干扰源信号电压与被干扰导体上的干扰电压之间满足一定的数学关系，改变两条导线之间的分布电容 C12 就可以改变干扰电压 VN。所以当两条导线之间没有屏蔽层（即 R 很大）时，减小两条导线之间的分布电容 C12 就可以减小干扰电压 VN，加大导线间的距离和改变导线间的相对位置使两条导线不平行都可以达到减小 C12 的目的。 如果导线 2 与大地之间电阻 R 很小，则式（3-1）可以化简为： 由式（3-3）可以看出，当被干扰导线加装金属屏蔽层（即 R 很小）之后，除了减小两条导线之间分布电容 C12 可以减小被干扰导线上的干扰电压以外，加装金属屏蔽层并且将金属屏蔽层有效接地，也可有效减小干
12、扰导线上的干扰电压 VN，甚至可以将 VN 减小到零，即导线上没有干扰。 3.2 电感耦合 奥斯特实验证明任何通电导体周围存在磁场，而根据法拉第电磁感应定律可知，在导体周围空间内磁通量发生变化会在闭合导体上产生感应电流、电动势。 当闭合回路通电时，在闭合回路周围产生正比于电流强度的磁通量：其中 L 的数据取决于闭合回路的几何形状与尺寸和回路磁介质特性 由于两个闭合回路之间存在互感现象，一个通电闭合回路会在另一个闭合回路周围产生感应磁通 2，根据法拉第电磁感应定律，当磁通变7化时，一个闭合回路里产生的感应电压为： 式中： B闭合导体周围磁通密度 S闭合回路面积 若闭合导体周围磁通密度在闭合导体整
13、个面积上分布均匀且数值按照正弦规律随着时间变化而变化，式（3-5）可以化简为： 由式（3-6）可以看出，两个封闭导体之间的由于电感耦合而产生的干扰电压强度与磁通密度 B、闭合导体面积 S 和两个导体之间的相对位置cos 有关。为了降低干扰电压，在工程应用中可以通过加大两个电路之间的距离等方法减小磁通密度 B，通过将被干扰电路线路扭绞起来减少闭合导体面积 S，通过调整两个导体之间的相对几何位置减小 cos。 3.3 电磁场耦合 上文已经分析过，电磁场耦合包含电感耦合和电容耦合，通过对比式（3-1）和式（3-6）可知，电容耦合与电感耦合在被干扰导体上产生的干扰电压都与干扰信号频率成正比。当干扰源信
14、号频率很低时，电容耦合和电感耦合可以忽略不计。两种干扰耦合数值关系的区别在于电容耦合在被干扰导体上产生的干扰电压与干扰源电压成正比，而电感容耦合在被干扰导体上产生的干扰电压与干扰源电流成正比。 3.4 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合通常指干扰源电路和被干扰电路通过公共阻抗在电路上存在直接连接，导致干扰信号直接侵入被干扰电路造成干扰，也可以成为直接电路间耦合。比如变电站发生雷击事故或者发生短路故障，雷电流和短路电流被引入变电站主接地网，由于主接8地网电阻不为零，雷电流和短路电流使得地电位升高且在主接地网不同地点之间存在电位差。与主接地网相连的变电站二次设备因为雷电流和短路电流地通过接地网侵入和接地网
15、电位差导致二次设备正常工作受到影响。 3.5 电磁波辐射 电磁波辐射干扰是指变电站一次设备等强电系统产生高频电磁波辐射。根据被干扰设备与干扰源距离不同可以分为近场和远场两种，以干扰信号波长的六分之一为划分标准：干扰源附近的为近场，距离为干扰信号波长的六分之一左右的区域为过渡区，距离再远的为远场。对于近场区域而言，电磁波辐射强度与距干扰源距离的平方成正比，对于远场区域，辐射强度与强度与距干扰源距离的一次方成正比25。 辐射干扰的途径很多，其中比较常见的有：通过设备天线辐射、通过设备即可缝隙辐射和通过设备之间连接电缆辐射等等。在变电站和电力系统中，辐射干扰没有传导干扰普遍，辐射干扰能量也较小，只能
16、影响敏感度高的二次设备，但辐射干扰不能忽略，往往会加强传导干扰的影响。 总结来说，电磁干扰的传播途径大概有 5 种，分别是：电容耦合、电感耦合、电磁场耦合、公共阻抗耦合和直接辐射。在实际生产中，干扰源对变电站二次系统干扰的传播方式是复杂的，通常某一干扰源会以几种不同的干扰传播方式对变电站二次系统产生干扰。 4 结论 本文主要总结和分析了变电站中常见的干扰源及干扰的传播途径，9变电站中常见的干扰源有电磁耦合干扰、射频干扰、雷电干扰、操作干扰、短路干扰、局部放电干扰、对讲机和通信设备干扰、设备内部电子干扰，这些干扰源产生的干扰的传播途径不尽相同，通常某一干扰源会具有几种不同的干扰传播方式。通过对不同的干扰传播方式的分析，为进一步研究变电站二次系统抗干扰问题提供了依据。 参考文献： 1国家电力调度通信中心.电力系统继电保护典型故障分析M.中国电力出版社，2001. 2洪建军.综合自动化变电站微机保护抗干扰研究硕士学位论文.杭州：浙江大学，2008. 3王钟.500kV 变电站接地网设计用以控制电磁干扰问题的研究硕士学位论文.成都：四川大学，2004. 4王宝仓.电力二次系统接地及抗干扰方法研究硕士学位论文.南京：东南大学.2006. 5GB50171-92.电气安装工程盘柜及二次回路结线施工及验收规范条文说明M.
