超高压变电站继电器室干扰源研究

李 博，马荣方

(国核电力规划设计研究院重庆有限公司，重庆401121)

0 引言

超高压变电站二次系统主要有集中布置和分散布置两种布置方式，如果集中布置，存在电缆用量大、工程造价高、电气接线复杂等问题。目前，超高压变电站普遍采用将二次系统分散布置，在配电装置区设置继电器室的方案。

保护/控制设备分散布置在节约大量电缆、降低施工量和工程造价的同时，也使得二次设备更容易受到高压电气设备运行过程中开关操作、短路故障、雷击等暂态过程产生的强电磁骚扰的影响，特别是随着二次设备不断向数字化、集成化和高速化方向发展，它们对外界干扰的电磁敏感度远远大于传统的保护/控制设备，微机保护和自动化装置中的信号电缆和电源线极易耦合空间辐射电磁场。因此，非常有必要研究保护下放后的二次设备的电磁兼容性。

本文就分散布置带来的保护/控制设备的电磁干扰问题，有针对性地分析我国超高压变电站开关瞬态电磁场的幅值和主频特性，并与国外相关数据进行全面详尽的比较，提出继电器室的设计方案及保护装置的抗干扰要求和措施。

1 超高压变电站干扰源及其特性

配电装置区是变电站一次设备和二次设备最集中的场所，高压配电装置周围的强工频电场和磁场、雷击、系统短路故障、开关操作等产生的瞬态电磁场，都能够通过传导或辐射的方式耦合二次电缆或电源线在二次设备中产生干扰。

1.1 瞬态电磁干扰源［1］

1.1.1 雷击

架空线路遭受的直击雷或感应雷击过电压，沿线路侵入到变电站不仅直接作用于一次设备，而且通过一、二次回路间的各种耦合途径或接地网作用于二次设备。变电站也可能直接遭受雷击，当雷电直接击中变电站时，雷电流将经由接地点泄入到接地网中，此时若二次回路接地点靠近雷电流的入地点，则会造成二次回路接地点电位升高，二次回路中形成共模干扰，产生过电压，严重时会造成二次设备绝缘击穿。对于两端与接地网相连的二次电缆来说，当雷电流流过接地网时，会在二次电缆屏蔽层两端产生电位差和在屏蔽层上产生电流，该电流可在二次电缆芯线上产生感应电势，从而对二次设备造成干扰。雷电冲击在二次回路中产生的暂态过电压幅值最大可达30kV，上升时间约几个μs。

1.1.2 操作时产生的暂态过电压

变电站内各元件呈现不同的感性或容性，当断路器、隔离开关操作使其状态发生变化时，会产生暂态过电压。特别是熄弧能力较差的断路器或隔离开关操作时，触头间会发生一系列的电弧熄灭/重燃过程，从电弧第一次重燃至最后一次重燃，有时会持续几十秒钟。电弧的多次重燃和熄灭，会在母线上和设备间连线上引起一系列快速暂态电压波和电流波，在这种情况下，母线和设备间连线就成为一个复杂结构的天线，向空间辐射上升沿极陡的电磁脉冲，成为频带很宽的强烈干扰源，同时母线上的快速暂态过程通过电流互感器、电压互感器等传导途径耦合到二次回路中，会在二次回路产生1kV～5kV的衰减振荡电压。

1.1.3 故障时的短路电流

当系统发生短路故障时，短路电流峰值可达平常的10～12倍，大电流经接地点泄入地网，使得接地点或整个地网的电位升高，进而在二次回路中造成共模干扰电压。外皮两端与地网相连的二次电缆，由于两端的接地点电位不相等，将有电流流过二

次电缆外皮，进而通过电磁耦合在二次电缆芯线上感应纵向电势，叠加在信号上造成干扰。

1.1.4 静电放电产生的电磁脉冲

工作人员接近电子设备时产生的电磁脉冲，其放电瞬时电压很高，足可以使信号发生畸变。当它超过电子电路器件中的击穿场强时，就会损坏设备。静电放电产生的脉冲幅值取决于物体的电容量，有时可达25kV(典型值为8kV～15kV)，上升时间约几个ns。

1.1.5 其它

变电站工作人员用的步话机，也是变电站内高频场源之一，其工作频率为70MHz和100MHz，但其干扰频带在27MHz～590MHz，额定功率为4～7W。额定功率为5W的步话机在50cm远处产生的电场强度约为7V/m，所以持机工作人员和电子设备应有50cm的距离。

二次回路中继电器工作时的开合，会在二次系统自身内部产生频带为30kHz～lMHz，电压峰值小于2kV暂态电压。

变电站内的瞬态干扰源还包括大负荷启动和关停引起的电压波动，投切电容器和电抗器组时等产生的瞬态过程，自动或手动重合闸引起的电压突降和电压中断，非线性设备引起的谐波等。

1.2 电磁干扰源强度分析

美国EPRI在1l5kV、230kV及500kV敞开式变电站中进行了操作瞬态电磁场实测，测量点在母线下方地面，操作是断开一段短母线，1l5kV母线长48m，230kV及500kV母线长8m～9m;ll5kV、230kV断路器为油断路器，500kV断路器为SF6断路器。美国EPRI测量数据如表4所示

表4 美国EPRI变电站开关瞬态电磁场实测数据

华北电力大学利用引进的瞬态电磁场测量系统和武高所合作对5座正在调试的500kV变电站开关操作产生的瞬态电磁场进行测量。开关类型包括隔离开关和断路器，断路器包含SF6断路器和油断路器;开关操作包括:隔离开关操作空载母线、隔离开关操作设备间连线、断路器操作空载变压器等;隔离开关操作包括电动和手动。

在分析总结测量数据的基础上，我们把测量结果与美国EPRI的测量结果进行比较，比较条件为:电压等级为500kV变电站，隔离开关均为电动操作，断路器均为SF6，电动操作，比较结果如表5、表6、表7、表8 所示

表5 隔离开关操作产生的瞬态电场

表6 隔离开关操作产生的瞬态磁场

表7 断路器操作产生的瞬态电场

表8 断路器操作产生的瞬态磁场

分析测量结果表明，开关操作产生的瞬态电磁场具有如下特性:

(1)开关瞬态电磁场的幅值随电压等级的增高而增高，500kV变电站最大开关瞬态电场幅值可达19kV/m;主导频率随电压等级的增高而降低;我国变电站开关瞬态电磁场在幅值、持续时间和主导频率上与美国测量数据有一定的差别;

(2)断路器操作与隔离开关操作相比，瞬态幅值小，主导频率高、脉冲总数少;

(3)所有隔离开关操作产生的瞬态电磁场中，脉冲上升时间为80ns～1.46μs，断路器操作产生的瞬态电磁场上升时间最小为60ns;

(4)快速开关比慢速开关产生的瞬态重复频率低，持续时间短，慢速隔离开关一次操作可产生上万个脉冲，而快速开关只产生几十个。

1.3 电磁干扰对二次回路的影响［5］

考虑到电磁干扰对变电站二次回路的作用主要是通过控制导线/电源线的传导和辐射进行的;以下针对电磁干扰对控制导线/电源线的耦合方式进行讨论，分析电磁干扰对二次回路的作用。

1.3.1 传导性干扰

传导性耦合就是当某个回路/导体中的电流电压变化时，在与该回路/导体有共同相连的电阻、或有相互间电感和电容的回路/导体中产生干扰的一种耦合方式。当屏蔽或非屏蔽控制电缆与超高压CT或CVT相连接时，控制回路与高压回路就有耦合途径。频率足够高时，CT和CVT通过一次和二次间的并联电容与高压母线产生传导性耦合，通过该耦合方式，部分母线暂态电流直接耦合至屏蔽或非屏蔽电缆内的导体。传导性耦合方式不因控制电缆屏蔽层而衰减，所以影响特别大，装设瞬态抑制设备可以减小该类耦合效果。

1.3.2 辐射性干扰

变电站瞬态电磁场辐射性干扰主要由开关操作产生的开关瞬态电磁场、静电放电以及高空核爆炸产生的辐射电磁场耦合二次电缆产生的。处于空间辐射电磁场中的任何导线就相当于一个接收天线，所以辐射电磁场可直接耦合二次设备控制电缆或者电源线，在电缆负载上产生暂态电流和暂态电压。

瞬态电磁场对屏蔽电缆的耦合有两个步骤:首先，瞬态电磁场与屏蔽层耦合产生感应电流和电压，作用在屏蔽层任一小段上的电场切线分量对电缆阻抗来说就是一个电压源;对由电缆屏蔽层和任一与其有阻抗耦合的导体形成的有效回路来说，磁场分量也是一电压源，在环路中引起环流，且在电缆屏蔽层上产生暂态感应电流，进而耦合至电缆导体。屏蔽层电流电压可以通过屏蔽层和导线之间相连的阻抗耦合芯线，另一种耦合途径是通过屏蔽层和导线间的转移阻抗和转移导纳，耦合至导体的干扰量大小随着频率的增加而增加，当频率高于1 MHz更明显。当电缆屏蔽层的屏蔽效果足够好时，瞬态电磁场主要是通过端口缝隙对电缆芯线造成耦合干扰。

用高质量的电缆屏蔽层可减小辐射电磁场的耦合作用，但对于二次设备本身可以在电缆接头，即装置信号入口处采取隔离措施，减少干扰电压、电流的入侵。

2 保护/控制设备的抗干扰性能

国内现有继电保护设备在设计时，都考虑了抗干扰措施，具有较强的抗干扰能力，并经过了试验验证。对直接安装在高压配电装置区内的继电器室电磁干扰问题，运行经验还较少，有关科研单位对此进行了试验，根据试验结果确定保护控制设备的抗干扰能力。

一般认为在高压配电装置区内的继电器室应采取屏蔽措施才能达到40dB的屏蔽能力。由于不同材料的屏蔽性能是不同的，国内外科研机构和高校通过现场测量、试验和计算的方法对屏蔽室的屏蔽效能进行了相应的研究。

以下是武高所给出的三组不同材料组合构成的继电器室的屏蔽效能测量值，见表 9、表 10、表 11［4-7］。

表9 金属门+钢板屋顶+22目铝网的屏蔽效能

表10 金属门+钢板屋顶+22目钢网的屏蔽效能

表11 金属门+钢板屋顶+9cm2大网格铝网的屏蔽效能

解放军理工大学对钢筋混凝土的屏蔽效能进行了试验研究，由单层钢筋网构成2m×2m×2m的屏蔽室，或再利用钢筋网浇筑100mm厚混凝土，构成钢筋混凝土屏蔽室。各屏蔽室在EMP模拟器的屏蔽效能测量结果如表9所示，EMP模拟器工作区间长宽高尺寸为10m×8m×5m。试验研究表明，建筑结构中的钢筋网经专门设计可构成屏蔽室，对电磁脉冲具有一定的屏蔽作用。钢筋网屏蔽室对电场的时域屏蔽效能在40dB左右，对磁场的时域屏蔽效能在20dB上下。钢筋越粗，钢筋网的网孔越小，屏蔽作用越强。在钢筋用量不变的条件下，选细钢筋密网格，可提高屏蔽效能。

华北电力大学对钢筋网组成屏蔽室进行了屏蔽效能计算，计算方法采用国际先进的瞬态电磁场计算软件NEC，并结合解析推导。屏蔽室尺寸为18m×6m×4m，钢筋网直径为12mm。钢筋网网格尺寸分别为500mm×500mm，200mm×200mm，100mm×100mm，干扰平面波频率分别为5MHz和20MHz，电场强度在上述不同情况下的频域屏蔽效能如表12所示。

表12 钢筋网屏蔽效能计算结果

计算结果初步表明，钢筋网构成的屏蔽室的屏蔽效能基本能够达到40dB，但还需要进一步的计算和试验研究。

综合上述试验和计算表明，由金属门和金属网组成的屏蔽室的屏蔽效能能够达到40dB;钢筋混凝土构成的屏蔽室的屏蔽效能与网格尺寸和钢筋直径有紧密关系，它的屏蔽效能能够达到30dB～40dB，能否作为变电站继电器室，还需要更深一步的计算和试验研究。利用先进的电磁场计算软件NEC和FDTD程序，能够计算不同材料和结构的屏蔽室的屏蔽效能，这为继电器室的优化设计提供了有力保证。据此，我们就能够更加科学和有效地采取抗电磁干扰的措施。

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