陳連軍

（珠海電力設(shè)計院有限公司，廣東 珠海 519000）

1.電力系統(tǒng)中的干擾來源及分類

干擾的分類有多種方法,主要有以下幾種:

(1)按頻率范圍劃分,干擾可以分為低頻干擾和高頻干擾2類。低頻干擾包括工頻及其諧波以及頻率為幾千周的低頻振蕩;高頻干擾包括各種暫態(tài)現(xiàn)象以及衰減的高頻振蕩。

(2)按照干擾的形態(tài),干擾可分為①共模干擾,這是發(fā)生在保護(hù)裝置電路中的某一點和接地線(或外殼)之間的干擾。②差模干擾,這是發(fā)生在電路兩導(dǎo)線之間的干擾,是和有用信號傳遞途經(jīng)相同的一種干擾。保護(hù)裝置接受這種干擾的能力和接受有用信號的能力完全相同。當(dāng)共模干擾在各導(dǎo)線上縱向壓降不平衡時,也會間接地產(chǎn)生差模干擾。

(3)按照干擾的危害,干擾可分為:①引起保護(hù)與自動裝置不正確動作的干擾。低頻差模干擾通常屬于此類干擾。一般情況下,保護(hù)裝置在工頻上下有一個通頻帶,可以濾掉高頻干擾。而低頻差模干擾與有用信號一起進(jìn)入回路,形成干擾,影響其正常工作。②引起設(shè)備損壞的干擾。由于高壓網(wǎng)絡(luò)的操作或雷電波引起的高頻振蕩,其幅值大大超過低頻干擾,常易造成保護(hù)裝置元件和二次回路的損壞,這種干擾通常屬于共模干擾。

電力系統(tǒng)中的干擾主要來自高壓系統(tǒng)的倒閘操作;直流回路的操作;雷電波;電力系統(tǒng)的故障;無線電波、太陽爆發(fā)和地磁磁暴、核爆炸等。下面就幾種電力系統(tǒng)中最常見、影響較嚴(yán)重的干擾以及防御措施進(jìn)行探討。

2.一次系統(tǒng)與保護(hù)(控制)回路耦合產(chǎn)生的干擾

2.1 電磁耦合的干擾

降低電磁耦合干擾的有效措施是"屏蔽"見圖1。干擾導(dǎo)體中的高頻電流將在其周圍產(chǎn)生干擾磁通Φ1,若被干擾導(dǎo)體不采取任何措施,則Φ1將在其上產(chǎn)生感應(yīng)電勢,并形成干擾電壓。若被干擾導(dǎo)體外有金屬屏蔽層,則Φ1將在屏蔽層中感應(yīng)出感應(yīng)電勢。如果給屏蔽層中的感應(yīng)電勢一個低阻抗的回路以產(chǎn)生感應(yīng)電流,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,這一感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通Φ2總能抵償Φ1,從而起到屏蔽的作用。

為了達(dá)到屏蔽的目的,要求做到以下幾點:

(1)屏蔽層是導(dǎo)電體,而且兩端接地,以產(chǎn)生感應(yīng)電流;

(2)屏蔽層有盡量高的導(dǎo)電率,以產(chǎn)生較大的作用于抵償干擾磁通的電流;

(3)屏蔽層完全包圍導(dǎo)體。

如果能夠滿足上述條件,就可以達(dá)到幾乎完全的屏蔽作用。

根據(jù)以上屏蔽原理,若導(dǎo)體本身不具備良好的屏蔽層,又希望減少外磁場干擾時,可以采用下述方法之一來達(dá)到一定的屏蔽目的。

(1)與被干擾導(dǎo)線平行地敷設(shè)1條導(dǎo)線且使其兩端接地;

(2)在該導(dǎo)線所在的電纜中,若有備用芯,可將該備用芯兩端接地。

2.2 靜電耦合的干擾

靜電耦合干擾是由于高電壓產(chǎn)生的,與有無暫態(tài)電流無關(guān)。圖2中,假設(shè)控制導(dǎo)體A與高壓干擾源B之間的電容為C1,與大地間的電容為C2,干擾源對地電壓為U,則控制導(dǎo)體A因干擾源有電壓U而產(chǎn)生對地電壓,此電壓即為導(dǎo)體A因電容耦合而受到的共模干擾。如果作為控制回路的2個導(dǎo)體對干擾源和大地的位置不對稱,即2條導(dǎo)體對于干擾源和大地的電容不同,則它們感應(yīng)的電壓U2(共模干擾電壓)不同,于是這2個導(dǎo)體之間將會出現(xiàn)電位差ΔU,這一電位差即由靜電耦合產(chǎn)生的差模干擾。

圖1 屏蔽降低電磁耦合干擾示意圖

圖2 高壓帶電體的靜電干擾示意圖

為防護(hù)靜電耦合干擾,可采用以下2種方法:

(1)采用單芯電纜時,若此電纜途經(jīng)高壓設(shè)備附近,應(yīng)將2根電纜芯并行,并且盡量靠近;若對抗干擾有較高要求時,可采用雙絞線,這樣做可以有效防止差模干擾。

(2)采用屏蔽電纜或多層屏蔽電纜。靜電耦合干擾是由靜電場產(chǎn)生的,當(dāng)采用屏蔽電纜時,屏蔽層內(nèi)的空間對外電場而言,是一個等位空間,其間的導(dǎo)體不會產(chǎn)生共模干擾。

2.3 直流系統(tǒng)操作引起的干擾

在直流系統(tǒng)中斷開輔助繼電器、斷路器合跳閘線圈等有感元件時,可能引起很高的電壓,這也是一種重要的干擾源。切斷電感元件時線圈兩端出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓具有振蕩的性質(zhì),其大小和頻率決定于下列因素:

(1)被切斷的線圈電感量;

(2)被切斷的電流值;

(3)線圈兩端及引線間的雜散電容;

(4)線圈的電阻及其鐵芯和周圍介質(zhì)的損耗;

(5)操作開關(guān)的構(gòu)造及其滅弧介質(zhì)的"擊穿電壓-時間特性"。

當(dāng)被操作的開關(guān)是理想的開關(guān),即其斷開時間為零。斷開時開關(guān)斷口耐壓無限大,則暫態(tài)只限于線圈及其引線,其過電壓的特征為:

(1)振蕩的頻率很低,約為1000Hz;

(2)有高的尖峰電壓Umax=18.9kV。

當(dāng)被操作的開關(guān)不理想時。則在接點開斷過程中,電弧可能重燃,引起很嚴(yán)重的暫態(tài)過程。在此情況下,在開關(guān)斷開的整個過程中,每當(dāng)其接點兩端的振蕩過電壓值超過當(dāng)時的接點距離所決定的擊穿電壓時,電弧將重燃。因而,接點間的電流時斷時續(xù),這就更加劇了整個振蕩過程。這時,線圈和引線的雜散電容時而充電至很高電壓,時而向直流控制母線放電,形成一系列的電壓浪涌,傳至整個控制網(wǎng)絡(luò)。這種情況將一直延續(xù)到開關(guān)的2個接點已離開較遠(yuǎn),擊穿電壓增大而暫態(tài)振蕩電壓已衰減到不足以使電弧重燃為止。采取以下方法,可以防御直流系統(tǒng)中的暫態(tài)干擾。

(1)可以給產(chǎn)生干擾的線圈(繼電器線圈等)并聯(lián)1個非線性電阻,見圖3(a),可以防止開關(guān)K接點上的電弧重燃,防止暫態(tài)的發(fā)生,非線性電阻應(yīng)能安全地消耗掉電感線圈中存儲的能量。

(2)給線圈并聯(lián)一個電阻加反向二極管的串聯(lián)回路,見圖3(b),以構(gòu)成在開關(guān)K斷開時線圈電流的續(xù)流回路。采用這種方法時,繼電器返回時間可能會延長。

(3)在被干擾的半導(dǎo)體元器件上(二極管、三極管、整流器)并聯(lián)0.01～0.05μf的電容,見圖3(c),其作用是旁路高頻暫態(tài)電流。

圖3 防御直流系統(tǒng)干擾的幾種方法示意圖

2.4.雷擊的干擾

雷擊是發(fā)電廠、變電所的重要干擾源之一,它對二次設(shè)備的干擾,有以下2個方面:

(1)雷電流產(chǎn)生的耦合干擾,見圖4。無論是直擊在變電所的雷擊或是直擊在線路上的雷擊,它們最終都將傳播至避雷器入地。雷電波相當(dāng)于幅值可能超過100kA的沖擊性電流源。它的上升時間為1～50μs,衰減到半幅的時間為50μs到數(shù)百μs。當(dāng)雷電波通過避雷器入地時,將在導(dǎo)線與地之間產(chǎn)生干擾電壓E=RK I+LK dI/dt。式中:RK為耦合電阻;LK為通過雷電流的回路與包括二次回路導(dǎo)線及地回路之間的電感?！?/p>

一般情況下,LK d/dt》RK I,如果考慮雷電流的升幅和上升速度一般可達(dá)到1μs上升至10kA的,對于2條相距10m,并行長度20m由地返回的2回路間,互感約為2μH,可產(chǎn)生20kV干擾電壓。對屏蔽電纜,最嚴(yán)重的雷擊下,可產(chǎn)生大于1kV的干擾電壓。

(2)雷電流產(chǎn)生的地電位升高。當(dāng)變電所接地部件直接受雷擊,或雷電流經(jīng)避雷器入地時,由于下列因素,高頻的雷電流在變電所地網(wǎng)中會引起暫態(tài)的地電位升高。

1 )地網(wǎng)的高阻抗;

2 )從設(shè)備到地網(wǎng)的接地線的高阻抗,這一阻抗值可推算如下:設(shè)L0=1μH/m,1m長的接地線對10MHz的雷電流,其阻抗為2πf·L0=2π×10×106×10-6=62.8Ω;

3 )短的電流上升時間和0.3m/ns電磁波的傳播速度。由于地電位升高,將產(chǎn)生地電位差,因而在電纜屏蔽層中產(chǎn)生電流,從而影響被屏蔽的回路。另外,因為暫態(tài)地電位升高,也會使接地部件電位差過大而發(fā)生閃絡(luò)。

圖4 雷電流產(chǎn)生的耦合干擾示意圖

從來源上降低地電位升高是解決因地電位升高引起干擾的基本措施。在設(shè)計中,為變電所絕緣配合所采取的一些措施,有利于降低暫態(tài)地電位升高的頻度及其幅值。

3.減小干擾影響的措施

3.1.遠(yuǎn)離干擾源

干擾源和被干擾回路之間的電容和電感,是兩者之間距離的對數(shù)函數(shù),增大它們之間的距離可以減小電容和互感,因而可以減小靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)引起的干擾;

3.2.電路上的隔離

1 )在繼電保護(hù)信號輸入回路以及直流電源輸入回路接入濾波器,防止高頻干擾輸入;

2 )在交流電流電壓回路中,輔助變流器和電抗互感器的原副邊間設(shè)良好的屏蔽層;

3 )直流電源采用直流-交流-直流逆變換器;

4 )在測量回路和邏輯回路之間,或在邏輯回路中采用光/電轉(zhuǎn)換,即將電信號通過發(fā)光二極管變成光信號,然后再用光電管變成電信號,以使電路隔離,減小干擾。

3.3.減小干擾源的干擾強(qiáng)度

1 )給隔離開關(guān)和斷路器的斷口上并聯(lián)高電阻。當(dāng)斷開時,將電阻接入可以減小所引起的暫態(tài)電壓浪涌。這是減小干擾的經(jīng)濟(jì)而有效的方法;

2 )給直流繼電器線圈和其他電感線圈并聯(lián)穩(wěn)壓管或非線性電阻,以減低線圈被切斷時所引起的暫態(tài)電壓浪涌;

3 )為了防止電流互感器在過大的交流電流作用下飽和而在每半個周期中產(chǎn)生尖峰的高電壓,可在其二次繞組上并聯(lián)碳化硅非線性電阻。

4 )在繼電保護(hù)輸入回路并聯(lián)小電容 (如0.5μf),以減小高頻干擾。

5 )采用屏蔽電纜且屏蔽層在兩端同時接地。這是一種自20世紀(jì)70年代以來,國際上通用的、有效的二次回路抗干擾措施。它的主要作用在于:

(1)減小靜電感應(yīng)電壓的產(chǎn)生;(2)由于屏蔽層兩端接地,干擾源在屏蔽層上的感應(yīng)電壓將形成感應(yīng)電流,此電流的磁通將抵償干擾源對電纜芯線的干擾磁通,從而減小干擾。

6 )使同一信號回路的各導(dǎo)線對干擾源和"地"位置對稱,使其具有大體相同的電容和互感,這時,干擾源對它們有相似的干擾,從而減小差模干擾。例如,將同一信號回路的2根導(dǎo)線置于同一根電纜中,或采用對絞線等。

7 )在可能的條件下,電纜的布置避免平行。例如,盡量使保護(hù)、控制回路電纜走向與干擾源回路垂直,以減小它們之間的耦合電容和互感。

8 )將電纜分組敷設(shè),例如使二次電纜遠(yuǎn)離動力電纜;將二次電纜按照強(qiáng)弱電分組敷設(shè),使弱電信號電纜遠(yuǎn)離強(qiáng)電信號電纜等。

9 )在輸電線路上架設(shè)架空地線,在變電所敷設(shè)防雷網(wǎng)、避雷針,并使之多點接入接地網(wǎng),以限制雷擊時地電位升高。

結(jié)論

在電力系統(tǒng)中為了使繼電保護(hù)和自動裝置能在發(fā)電廠、變電所的強(qiáng)電磁環(huán)境中安全可靠運行,需要滿足以下2個方面的條件:

(1)繼電保護(hù)和自動裝置應(yīng)該具有一定的耐受電磁干擾的能力,同時,這些裝置本身也不應(yīng)對周圍的電力設(shè)備產(chǎn)生不允許的干擾,即應(yīng)該有電磁兼容性;

(2)確保引入裝置的電磁干擾必須低于裝置本身的耐受水平。

綜上所述,滿足了這些要求,發(fā)電廠、變電所中的"干擾"問題是完全可以解決的。

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[3]江日洪.發(fā)、變電站防雷保護(hù)及應(yīng)用實例[M].北京:中國電力出版社,2005.