电力系统中继电保护装置抗干扰措施分析

陈连军

（珠海电力设计院有限公司，广东 珠海 519000）

1.电力系统中的干扰来源及分类

干扰的分类有多种方法,主要有以下几种:

(1)按频率范围划分,干扰可以分为低频干扰和高频干扰2类。低频干扰包括工频及其谐波以及频率为几千周的低频振荡;高频干扰包括各种暂态现象以及衰减的高频振荡。

(2)按照干扰的形态,干扰可分为①共模干扰,这是发生在保护装置电路中的某一点和接地线(或外壳)之间的干扰。②差模干扰,这是发生在电路两导线之间的干扰,是和有用信号传递途经相同的一种干扰。保护装置接受这种干扰的能力和接受有用信号的能力完全相同。当共模干扰在各导线上纵向压降不平衡时,也会间接地产生差模干扰。

(3)按照干扰的危害,干扰可分为:①引起保护与自动装置不正确动作的干扰。低频差模干扰通常属于此类干扰。一般情况下,保护装置在工频上下有一个通频带,可以滤掉高频干扰。而低频差模干扰与有用信号一起进入回路,形成干扰,影响其正常工作。②引起设备损坏的干扰。由于高压网络的操作或雷电波引起的高频振荡,其幅值大大超过低频干扰,常易造成保护装置元件和二次回路的损坏,这种干扰通常属于共模干扰。

电力系统中的干扰主要来自高压系统的倒闸操作;直流回路的操作;雷电波;电力系统的故障;无线电波、太阳爆发和地磁磁暴、核爆炸等。下面就几种电力系统中最常见、影响较严重的干扰以及防御措施进行探讨。

2.一次系统与保护(控制)回路耦合产生的干扰

2.1 电磁耦合的干扰

降低电磁耦合干扰的有效措施是"屏蔽"见图1。干扰导体中的高频电流将在其周围产生干扰磁通Φ1,若被干扰导体不采取任何措施,则Φ1将在其上产生感应电势,并形成干扰电压。若被干扰导体外有金属屏蔽层,则Φ1将在屏蔽层中感应出感应电势。如果给屏蔽层中的感应电势一个低阻抗的回路以产生感应电流,根据电磁感应定律,这一感应电流所产生的磁通Φ2总能抵偿Φ1,从而起到屏蔽的作用。

为了达到屏蔽的目的,要求做到以下几点:

(1)屏蔽层是导电体,而且两端接地,以产生感应电流;

(2)屏蔽层有尽量高的导电率,以产生较大的作用于抵偿干扰磁通的电流;

(3)屏蔽层完全包围导体。

如果能够满足上述条件,就可以达到几乎完全的屏蔽作用。

根据以上屏蔽原理,若导体本身不具备良好的屏蔽层,又希望减少外磁场干扰时,可以采用下述方法之一来达到一定的屏蔽目的。

(1)与被干扰导线平行地敷设1条导线且使其两端接地;

(2)在该导线所在的电缆中,若有备用芯,可将该备用芯两端接地。

2.2 静电耦合的干扰

静电耦合干扰是由于高电压产生的,与有无暂态电流无关。图2中,假设控制导体A与高压干扰源B之间的电容为C1,与大地间的电容为C2,干扰源对地电压为U,则控制导体A因干扰源有电压U而产生对地电压,此电压即为导体A因电容耦合而受到的共模干扰。如果作为控制回路的2个导体对干扰源和大地的位置不对称,即2条导体对于干扰源和大地的电容不同,则它们感应的电压U2(共模干扰电压)不同,于是这2个导体之间将会出现电位差ΔU,这一电位差即由静电耦合产生的差模干扰。

图1 屏蔽降低电磁耦合干扰示意图

图2 高压带电体的静电干扰示意图

为防护静电耦合干扰,可采用以下2种方法:

(1)采用单芯电缆时,若此电缆途经高压设备附近,应将2根电缆芯并行,并且尽量靠近;若对抗干扰有较高要求时,可采用双绞线,这样做可以有效防止差模干扰。

(2)采用屏蔽电缆或多层屏蔽电缆。静电耦合干扰是由静电场产生的,当采用屏蔽电缆时,屏蔽层内的空间对外电场而言,是一个等位空间,其间的导体不会产生共模干扰。

2.3 直流系统操作引起的干扰

在直流系统中断开辅助继电器、断路器合跳闸线圈等有感元件时,可能引起很高的电压,这也是一种重要的干扰源。切断电感元件时线圈两端出现的暂态过电压具有振荡的性质,其大小和频率决定于下列因素:

(1)被切断的线圈电感量;

(2)被切断的电流值;

(3)线圈两端及引线间的杂散电容;

(4)线圈的电阻及其铁芯和周围介质的损耗;

(5)操作开关的构造及其灭弧介质的"击穿电压-时间特性"。

当被操作的开关是理想的开关,即其断开时间为零。断开时开关断口耐压无限大,则暂态只限于线圈及其引线,其过电压的特征为:

(1)振荡的频率很低,约为1000Hz;

(2)有高的尖峰电压Umax=18.9kV。

当被操作的开关不理想时。则在接点开断过程中,电弧可能重燃,引起很严重的暂态过程。在此情况下,在开关断开的整个过程中,每当其接点两端的振荡过电压值超过当时的接点距离所决定的击穿电压时,电弧将重燃。因而,接点间的电流时断时续,这就更加剧了整个振荡过程。这时,线圈和引线的杂散电容时而充电至很高电压,时而向直流控制母线放电,形成一系列的电压浪涌,传至整个控制网络。这种情况将一直延续到开关的2个接点已离开较远,击穿电压增大而暂态振荡电压已衰减到不足以使电弧重燃为止。采取以下方法,可以防御直流系统中的暂态干扰。

(1)可以给产生干扰的线圈(继电器线圈等)并联1个非线性电阻,见图3(a),可以防止开关K接点上的电弧重燃,防止暂态的发生,非线性电阻应能安全地消耗掉电感线圈中存储的能量。

(2)给线圈并联一个电阻加反向二极管的串联回路,见图3(b),以构成在开关K断开时线圈电流的续流回路。采用这种方法时,继电器返回时间可能会延长。

(3)在被干扰的半导体元器件上(二极管、三极管、整流器)并联0.01～0.05μf的电容,见图3(c),其作用是旁路高频暂态电流。

图3 防御直流系统干扰的几种方法示意图

2.4.雷击的干扰

雷击是发电厂、变电所的重要干扰源之一,它对二次设备的干扰,有以下2个方面:

(1)雷电流产生的耦合干扰,见图4。无论是直击在变电所的雷击或是直击在线路上的雷击,它们最终都将传播至避雷器入地。雷电波相当于幅值可能超过100kA的冲击性电流源。它的上升时间为1～50μs,衰减到半幅的时间为50μs到数百μs。当雷电波通过避雷器入地时,将在导线与地之间产生干扰电压E=RK I+LK dI/dt。式中:RK为耦合电阻;LK为通过雷电流的回路与包括二次回路导线及地回路之间的电感。》

一般情况下,LK d/dt》RK I,如果考虑雷电流的升幅和上升速度一般可达到1μs上升至10kA的,对于2条相距10m,并行长度20m由地返回的2回路间,互感约为2μH,可产生20kV干扰电压。对屏蔽电缆,最严重的雷击下,可产生大于1kV的干扰电压。

(2)雷电流产生的地电位升高。当变电所接地部件直接受雷击,或雷电流经避雷器入地时,由于下列因素,高频的雷电流在变电所地网中会引起暂态的地电位升高。

1 )地网的高阻抗;

2 )从设备到地网的接地线的高阻抗,这一阻抗值可推算如下:设L0=1μH/m,1m长的接地线对10MHz的雷电流,其阻抗为2πf·L0=2π×10×106×10-6=62.8Ω;

3 )短的电流上升时间和0.3m/ns电磁波的传播速度。由于地电位升高,将产生地电位差,因而在电缆屏蔽层中产生电流,从而影响被屏蔽的回路。另外,因为暂态地电位升高,也会使接地部件电位差过大而发生闪络。

图4 雷电流产生的耦合干扰示意图

从来源上降低地电位升高是解决因地电位升高引起干扰的基本措施。在设计中,为变电所绝缘配合所采取的一些措施,有利于降低暂态地电位升高的频度及其幅值。

3.减小干扰影响的措施

3.1.远离干扰源

干扰源和被干扰回路之间的电容和电感,是两者之间距离的对数函数,增大它们之间的距离可以减小电容和互感,因而可以减小静电感应和电磁感应引起的干扰;

3.2.电路上的隔离

1 )在继电保护信号输入回路以及直流电源输入回路接入滤波器,防止高频干扰输入;

2 )在交流电流电压回路中,辅助变流器和电抗互感器的原副边间设良好的屏蔽层;

3 )直流电源采用直流-交流-直流逆变换器;

4 )在测量回路和逻辑回路之间,或在逻辑回路中采用光/电转换,即将电信号通过发光二极管变成光信号,然后再用光电管变成电信号,以使电路隔离,减小干扰。

3.3.减小干扰源的干扰强度

1 )给隔离开关和断路器的断口上并联高电阻。当断开时,将电阻接入可以减小所引起的暂态电压浪涌。这是减小干扰的经济而有效的方法;

2 )给直流继电器线圈和其他电感线圈并联稳压管或非线性电阻,以减低线圈被切断时所引起的暂态电压浪涌;

3 )为了防止电流互感器在过大的交流电流作用下饱和而在每半个周期中产生尖峰的高电压,可在其二次绕组上并联碳化硅非线性电阻。

4 )在继电保护输入回路并联小电容 (如0.5μf),以减小高频干扰。

5 )采用屏蔽电缆且屏蔽层在两端同时接地。这是一种自20世纪70年代以来,国际上通用的、有效的二次回路抗干扰措施。它的主要作用在于:

(1)减小静电感应电压的产生;(2)由于屏蔽层两端接地,干扰源在屏蔽层上的感应电压将形成感应电流,此电流的磁通将抵偿干扰源对电缆芯线的干扰磁通,从而减小干扰。

6 )使同一信号回路的各导线对干扰源和"地"位置对称,使其具有大体相同的电容和互感,这时,干扰源对它们有相似的干扰,从而减小差模干扰。例如,将同一信号回路的2根导线置于同一根电缆中,或采用对绞线等。

7 )在可能的条件下,电缆的布置避免平行。例如,尽量使保护、控制回路电缆走向与干扰源回路垂直,以减小它们之间的耦合电容和互感。

8 )将电缆分组敷设,例如使二次电缆远离动力电缆;将二次电缆按照强弱电分组敷设,使弱电信号电缆远离强电信号电缆等。

9 )在输电线路上架设架空地线,在变电所敷设防雷网、避雷针,并使之多点接入接地网,以限制雷击时地电位升高。

结论

在电力系统中为了使继电保护和自动装置能在发电厂、变电所的强电磁环境中安全可靠运行,需要满足以下2个方面的条件:

(1)继电保护和自动装置应该具有一定的耐受电磁干扰的能力,同时,这些装置本身也不应对周围的电力设备产生不允许的干扰,即应该有电磁兼容性;

(2)确保引入装置的电磁干扰必须低于装置本身的耐受水平。

综上所述,满足了这些要求,发电厂、变电所中的"干扰"问题是完全可以解决的。

[1][德]peterHa.sse.低压系统防雷保护[M].北京:中国电力出版社,2005.

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