李 博，馬榮方

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院重慶有限公司，重慶401121)

0 引言

超高壓變電站二次系統(tǒng)主要有集中布置和分散布置兩種布置方式，如果集中布置，存在電纜用量大、工程造價(jià)高、電氣接線復(fù)雜等問題。目前，超高壓變電站普遍采用將二次系統(tǒng)分散布置，在配電裝置區(qū)設(shè)置繼電器室的方案。

保護(hù)/控制設(shè)備分散布置在節(jié)約大量電纜、降低施工量和工程造價(jià)的同時(shí)，也使得二次設(shè)備更容易受到高壓電氣設(shè)備運(yùn)行過程中開關(guān)操作、短路故障、雷擊等暫態(tài)過程產(chǎn)生的強(qiáng)電磁騷擾的影響，特別是隨著二次設(shè)備不斷向數(shù)字化、集成化和高速化方向發(fā)展，它們對(duì)外界干擾的電磁敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的保護(hù)/控制設(shè)備，微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)化裝置中的信號(hào)電纜和電源線極易耦合空間輻射電磁場(chǎng)。因此，非常有必要研究保護(hù)下放后的二次設(shè)備的電磁兼容性。

本文就分散布置帶來的保護(hù)/控制設(shè)備的電磁干擾問題，有針對(duì)性地分析我國超高壓變電站開關(guān)瞬態(tài)電磁場(chǎng)的幅值和主頻特性，并與國外相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面詳盡的比較，提出繼電器室的設(shè)計(jì)方案及保護(hù)裝置的抗干擾要求和措施。

1 超高壓變電站干擾源及其特性

配電裝置區(qū)是變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備最集中的場(chǎng)所，高壓配電裝置周圍的強(qiáng)工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)、雷擊、系統(tǒng)短路故障、開關(guān)操作等產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，都能夠通過傳導(dǎo)或輻射的方式耦合二次電纜或電源線在二次設(shè)備中產(chǎn)生干擾。

1.1 瞬態(tài)電磁干擾源［1］

1.1.1 雷擊

架空線路遭受的直擊雷或感應(yīng)雷擊過電壓，沿線路侵入到變電站不僅直接作用于一次設(shè)備，而且通過一、二次回路間的各種耦合途徑或接地網(wǎng)作用于二次設(shè)備。變電站也可能直接遭受雷擊，當(dāng)雷電直接擊中變電站時(shí)，雷電流將經(jīng)由接地點(diǎn)泄入到接地網(wǎng)中，此時(shí)若二次回路接地點(diǎn)靠近雷電流的入地點(diǎn)，則會(huì)造成二次回路接地點(diǎn)電位升高，二次回路中形成共模干擾，產(chǎn)生過電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成二次設(shè)備絕緣擊穿。對(duì)于兩端與接地網(wǎng)相連的二次電纜來說，當(dāng)雷電流流過接地網(wǎng)時(shí)，會(huì)在二次電纜屏蔽層兩端產(chǎn)生電位差和在屏蔽層上產(chǎn)生電流，該電流可在二次電纜芯線上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而對(duì)二次設(shè)備造成干擾。雷電沖擊在二次回路中產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓幅值最大可達(dá)30kV，上升時(shí)間約幾個(gè)μs。

1.1.2 操作時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓

變電站內(nèi)各元件呈現(xiàn)不同的感性或容性，當(dāng)斷路器、隔離開關(guān)操作使其狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。特別是熄弧能力較差的斷路器或隔離開關(guān)操作時(shí)，觸頭間會(huì)發(fā)生一系列的電弧熄滅/重燃過程，從電弧第一次重燃至最后一次重燃，有時(shí)會(huì)持續(xù)幾十秒鐘。電弧的多次重燃和熄滅，會(huì)在母線上和設(shè)備間連線上引起一系列快速暫態(tài)電壓波和電流波，在這種情況下，母線和設(shè)備間連線就成為一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天線，向空間輻射上升沿極陡的電磁脈沖，成為頻帶很寬的強(qiáng)烈干擾源，同時(shí)母線上的快速暫態(tài)過程通過電流互感器、電壓互感器等傳導(dǎo)途徑耦合到二次回路中，會(huì)在二次回路產(chǎn)生1kV～5kV的衰減振蕩電壓。

1.1.3 故障時(shí)的短路電流

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流峰值可達(dá)平常的10～12倍，大電流經(jīng)接地點(diǎn)泄入地網(wǎng)，使得接地點(diǎn)或整個(gè)地網(wǎng)的電位升高，進(jìn)而在二次回路中造成共模干擾電壓。外皮兩端與地網(wǎng)相連的二次電纜，由于兩端的接地點(diǎn)電位不相等，將有電流流過二

次電纜外皮，進(jìn)而通過電磁耦合在二次電纜芯線上感應(yīng)縱向電勢(shì)，疊加在信號(hào)上造成干擾。

1.1.4 靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖

工作人員接近電子設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖，其放電瞬時(shí)電壓很高，足可以使信號(hào)發(fā)生畸變。當(dāng)它超過電子電路器件中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，就會(huì)損壞設(shè)備。靜電放電產(chǎn)生的脈沖幅值取決于物體的電容量，有時(shí)可達(dá)25kV(典型值為8kV～15kV)，上升時(shí)間約幾個(gè)ns。

1.1.5 其它

變電站工作人員用的步話機(jī)，也是變電站內(nèi)高頻場(chǎng)源之一，其工作頻率為70MHz和100MHz，但其干擾頻帶在27MHz～590MHz，額定功率為4～7W。額定功率為5W的步話機(jī)在50cm遠(yuǎn)處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度約為7V/m，所以持機(jī)工作人員和電子設(shè)備應(yīng)有50cm的距離。

二次回路中繼電器工作時(shí)的開合，會(huì)在二次系統(tǒng)自身內(nèi)部產(chǎn)生頻帶為30kHz～lMHz，電壓峰值小于2kV暫態(tài)電壓。

變電站內(nèi)的瞬態(tài)干擾源還包括大負(fù)荷啟動(dòng)和關(guān)停引起的電壓波動(dòng)，投切電容器和電抗器組時(shí)等產(chǎn)生的瞬態(tài)過程，自動(dòng)或手動(dòng)重合閘引起的電壓突降和電壓中斷，非線性設(shè)備引起的諧波等。

1.2 電磁干擾源強(qiáng)度分析

美國EPRI在1l5kV、230kV及500kV敞開式變電站中進(jìn)行了操作瞬態(tài)電磁場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)量點(diǎn)在母線下方地面，操作是斷開一段短母線，1l5kV母線長(zhǎng)48m，230kV及500kV母線長(zhǎng)8m～9m;ll5kV、230kV斷路器為油斷路器，500kV斷路器為SF6斷路器。美國EPRI測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示

表4 美國EPRI變電站開關(guān)瞬態(tài)電磁場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

華北電力大學(xué)利用引進(jìn)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)和武高所合作對(duì)5座正在調(diào)試的500kV變電站開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。開關(guān)類型包括隔離開關(guān)和斷路器，斷路器包含SF6斷路器和油斷路器;開關(guān)操作包括:隔離開關(guān)操作空載母線、隔離開關(guān)操作設(shè)備間連線、斷路器操作空載變壓器等;隔離開關(guān)操作包括電動(dòng)和手動(dòng)。

在分析總結(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們把測(cè)量結(jié)果與美國EPRI的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，比較條件為:電壓等級(jí)為500kV變電站，隔離開關(guān)均為電動(dòng)操作，斷路器均為SF6，電動(dòng)操作，比較結(jié)果如表5、表6、表7、表8 所示

表5 隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)

表6 隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場(chǎng)

表7 斷路器操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)

表8 斷路器操作產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場(chǎng)

分析測(cè)量結(jié)果表明，開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)具有如下特性:

(1)開關(guān)瞬態(tài)電磁場(chǎng)的幅值隨電壓等級(jí)的增高而增高，500kV變電站最大開關(guān)瞬態(tài)電場(chǎng)幅值可達(dá)19kV/m;主導(dǎo)頻率隨電壓等級(jí)的增高而降低;我國變電站開關(guān)瞬態(tài)電磁場(chǎng)在幅值、持續(xù)時(shí)間和主導(dǎo)頻率上與美國測(cè)量數(shù)據(jù)有一定的差別;

(2)斷路器操作與隔離開關(guān)操作相比，瞬態(tài)幅值小，主導(dǎo)頻率高、脈沖總數(shù)少;

(3)所有隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)中，脈沖上升時(shí)間為80ns～1.46μs，斷路器操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)上升時(shí)間最小為60ns;

(4)快速開關(guān)比慢速開關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)重復(fù)頻率低，持續(xù)時(shí)間短，慢速隔離開關(guān)一次操作可產(chǎn)生上萬個(gè)脈沖，而快速開關(guān)只產(chǎn)生幾十個(gè)。

1.3 電磁干擾對(duì)二次回路的影響［5］

考慮到電磁干擾對(duì)變電站二次回路的作用主要是通過控制導(dǎo)線/電源線的傳導(dǎo)和輻射進(jìn)行的;以下針對(duì)電磁干擾對(duì)控制導(dǎo)線/電源線的耦合方式進(jìn)行討論，分析電磁干擾對(duì)二次回路的作用。

1.3.1 傳導(dǎo)性干擾

傳導(dǎo)性耦合就是當(dāng)某個(gè)回路/導(dǎo)體中的電流電壓變化時(shí)，在與該回路/導(dǎo)體有共同相連的電阻、或有相互間電感和電容的回路/導(dǎo)體中產(chǎn)生干擾的一種耦合方式。當(dāng)屏蔽或非屏蔽控制電纜與超高壓CT或CVT相連接時(shí)，控制回路與高壓回路就有耦合途徑。頻率足夠高時(shí)，CT和CVT通過一次和二次間的并聯(lián)電容與高壓母線產(chǎn)生傳導(dǎo)性耦合，通過該耦合方式，部分母線暫態(tài)電流直接耦合至屏蔽或非屏蔽電纜內(nèi)的導(dǎo)體。傳導(dǎo)性耦合方式不因控制電纜屏蔽層而衰減，所以影響特別大，裝設(shè)瞬態(tài)抑制設(shè)備可以減小該類耦合效果。

1.3.2 輻射性干擾

變電站瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射性干擾主要由開關(guān)操作產(chǎn)生的開關(guān)瞬態(tài)電磁場(chǎng)、靜電放電以及高空核爆炸產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)耦合二次電纜產(chǎn)生的。處于空間輻射電磁場(chǎng)中的任何導(dǎo)線就相當(dāng)于一個(gè)接收天線，所以輻射電磁場(chǎng)可直接耦合二次設(shè)備控制電纜或者電源線，在電纜負(fù)載上產(chǎn)生暫態(tài)電流和暫態(tài)電壓。

瞬態(tài)電磁場(chǎng)對(duì)屏蔽電纜的耦合有兩個(gè)步驟:首先，瞬態(tài)電磁場(chǎng)與屏蔽層耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，作用在屏蔽層任一小段上的電場(chǎng)切線分量對(duì)電纜阻抗來說就是一個(gè)電壓源;對(duì)由電纜屏蔽層和任一與其有阻抗耦合的導(dǎo)體形成的有效回路來說，磁場(chǎng)分量也是一電壓源，在環(huán)路中引起環(huán)流，且在電纜屏蔽層上產(chǎn)生暫態(tài)感應(yīng)電流，進(jìn)而耦合至電纜導(dǎo)體。屏蔽層電流電壓可以通過屏蔽層和導(dǎo)線之間相連的阻抗耦合芯線，另一種耦合途徑是通過屏蔽層和導(dǎo)線間的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納，耦合至導(dǎo)體的干擾量大小隨著頻率的增加而增加，當(dāng)頻率高于1 MHz更明顯。當(dāng)電纜屏蔽層的屏蔽效果足夠好時(shí)，瞬態(tài)電磁場(chǎng)主要是通過端口縫隙對(duì)電纜芯線造成耦合干擾。

用高質(zhì)量的電纜屏蔽層可減小輻射電磁場(chǎng)的耦合作用，但對(duì)于二次設(shè)備本身可以在電纜接頭，即裝置信號(hào)入口處采取隔離措施，減少干擾電壓、電流的入侵。

2 保護(hù)/控制設(shè)備的抗干擾性能

國內(nèi)現(xiàn)有繼電保護(hù)設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，都考慮了抗干擾措施，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并經(jīng)過了試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)直接安裝在高壓配電裝置區(qū)內(nèi)的繼電器室電磁干擾問題，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還較少，有關(guān)科研單位對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定保護(hù)控制設(shè)備的抗干擾能力。

一般認(rèn)為在高壓配電裝置區(qū)內(nèi)的繼電器室應(yīng)采取屏蔽措施才能達(dá)到40dB的屏蔽能力。由于不同材料的屏蔽性能是不同的，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和高校通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、試驗(yàn)和計(jì)算的方法對(duì)屏蔽室的屏蔽效能進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

以下是武高所給出的三組不同材料組合構(gòu)成的繼電器室的屏蔽效能測(cè)量值，見表 9、表 10、表 11［4-7］。

表9 金屬門+鋼板屋頂+22目鋁網(wǎng)的屏蔽效能

表10 金屬門+鋼板屋頂+22目鋼網(wǎng)的屏蔽效能

表11 金屬門+鋼板屋頂+9cm2大網(wǎng)格鋁網(wǎng)的屏蔽效能

解放軍理工大學(xué)對(duì)鋼筋混凝土的屏蔽效能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，由單層鋼筋網(wǎng)構(gòu)成2m×2m×2m的屏蔽室，或再利用鋼筋網(wǎng)澆筑100mm厚混凝土，構(gòu)成鋼筋混凝土屏蔽室。各屏蔽室在EMP模擬器的屏蔽效能測(cè)量結(jié)果如表9所示，EMP模擬器工作區(qū)間長(zhǎng)寬高尺寸為10m×8m×5m。試驗(yàn)研究表明，建筑結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)經(jīng)專門設(shè)計(jì)可構(gòu)成屏蔽室，對(duì)電磁脈沖具有一定的屏蔽作用。鋼筋網(wǎng)屏蔽室對(duì)電場(chǎng)的時(shí)域屏蔽效能在40dB左右，對(duì)磁場(chǎng)的時(shí)域屏蔽效能在20dB上下。鋼筋越粗，鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)孔越小，屏蔽作用越強(qiáng)。在鋼筋用量不變的條件下，選細(xì)鋼筋密網(wǎng)格，可提高屏蔽效能。

華北電力大學(xué)對(duì)鋼筋網(wǎng)組成屏蔽室進(jìn)行了屏蔽效能計(jì)算，計(jì)算方法采用國際先進(jìn)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算軟件NEC，并結(jié)合解析推導(dǎo)。屏蔽室尺寸為18m×6m×4m，鋼筋網(wǎng)直徑為12mm。鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸分別為500mm×500mm，200mm×200mm，100mm×100mm，干擾平面波頻率分別為5MHz和20MHz，電場(chǎng)強(qiáng)度在上述不同情況下的頻域屏蔽效能如表12所示。

表12 鋼筋網(wǎng)屏蔽效能計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果初步表明，鋼筋網(wǎng)構(gòu)成的屏蔽室的屏蔽效能基本能夠達(dá)到40dB，但還需要進(jìn)一步的計(jì)算和試驗(yàn)研究。

綜合上述試驗(yàn)和計(jì)算表明，由金屬門和金屬網(wǎng)組成的屏蔽室的屏蔽效能能夠達(dá)到40dB;鋼筋混凝土構(gòu)成的屏蔽室的屏蔽效能與網(wǎng)格尺寸和鋼筋直徑有緊密關(guān)系，它的屏蔽效能能夠達(dá)到30dB～40dB，能否作為變電站繼電器室，還需要更深一步的計(jì)算和試驗(yàn)研究。利用先進(jìn)的電磁場(chǎng)計(jì)算軟件NEC和FDTD程序，能夠計(jì)算不同材料和結(jié)構(gòu)的屏蔽室的屏蔽效能，這為繼電器室的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力保證。據(jù)此，我們就能夠更加科學(xué)和有效地采取抗電磁干擾的措施。

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