浅析开关操作暂态电压对变电站二次电缆的电磁干扰

摘要：随着人们生活水平的不断提高，当前已经进入了一个全新的科学纪元，电力能源已经成为人们生活中重要的组成部分，如何给用户输送安全有效的可靠电能已成为所有电力企业都需要解决的主要问题。开关操作的时候暂态电压对变电站二次电缆所产生的电磁干扰是电力输送的一个障碍。对该现象产生的干扰电压和特征进行分析，并提出相关降低二次干扰的有效措施。

关键词：开关操作；暂态电压；变电站；电磁干扰

作者简介：余石明（1982-），男，广东翁源人，广东电网公司肇庆供电局管理所，工程师。（广东 四会 526200）

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0234-02

电网自动化水平随着我国科学技术的提高，取得了令人满意的进步。关于变电站的相关设备，诸如系统控制、数据收集还有系统通信等得到了越来越细密的划分和归类，但是这些设备本身都存在着弱电。信息设备的发展和推广让变电站脱离以往人工监督的方式，进入了无人值守的自动化进程。变电站要采用怎样的方法才能够保证监控设备工作不会出现故障，对百姓生活不会造成影响，是当前变电站运行是否有所保障的重要前提。

对于变电站中弱电设备产生影响的因素当中，暂态电磁干扰是其中一个重要的因素。因为开关操作会产生暂态电磁，这些电磁对变电站监控设备有一定程度干扰作用，由此导致监控设备难以工作而陷入瘫痪的现象时有发生。较为典型的例子是20世纪90年代广西来宾500kV变电站，因为进行远方操作将220kV空母线开关切合隔离的时候，在隔离开关拉弧的过程中其操作机构电动机电源熔丝烧断，导致操作机构失去了电源，这些事故的多次发生对该地区经济产生严重的影响。每一次变电所进行开关操作的时候都有大量的電磁暂态出现，而这些电磁暂态本身的次数、波形变化还有幅值都和变电所的电压、类型有密切关系，隔离开关切换操作所产生的暂态无论在次数还是幅值方面都要比断路器大很多，而这样操作过程中没有恰当的保护措施，这也就会造成对二次电缆的电磁干扰。本文着重讨论变电站开关操作时对接入弱电设备的二次电缆所造成的暂态电磁干扰及其产生的原因、特点、保护措施等。

一、二次电缆电磁干扰原理

高压母线上面存在的暂态过程可以通过电磁场，让二次电缆发生辐射干扰现象，除此之外还有静电以及电磁感应耦合等方法让二次电缆发生干扰现象，这些都会对设备的运行产生干扰。而屏蔽层两端接地存在的二次电缆，因为屏蔽层自身所具备的抗干扰效果，减少了上面两种产生干扰方式所能产生的影响。而高压母线所产生的干扰经过电流互感器或者电容耦合式电压互感器本身二次侧或者法拉第屏蔽层之间给电容提供寄生的场所，通过容性耦合得到二次侧方向，高压母线上面的电流以及暂态电压，以耦合的方式直接屏蔽，或者在电流互感器或者电容耦合式电压互感器当中二次电缆内部导线寄生。

当前最为常见的也是本文所主要研究的是，开关操作的时候暂态电压通过CCVT耦合方式在二次电缆当中所产生的电磁干扰。

变电站当中使用的电压互感器能够将一次侧交流高电压进行转化，变成可以受到测量、控制以及保护等可提供给继电保护装置或者仪表使用的二次侧低电压。电压互感器的一次绕组和需要受到测量、保护或者控制的，诸如母线或者变压器等设备并联，二次绕组则和需要受到控制、测量或者保护的相关装置的电压线圈连接到一起，这样能够让一次侧还有二次侧的高压和低压电路相互被隔离。电容式电压互感器的主要组成部分为：电容分压器、电磁式电感互感器等电磁单元；电容分压器则是由许多电容器串联组成，在高压导线和地之间接起。在电容分压器恰当的位置中将中压端子还有电磁单元之间的连接引出来。

高压开关在操作的时候，高压母线上会出现高频暂态电压，这种电压有可能以CCVT作为渠道，对二次电缆本身的末端造成电磁干扰。

在图1中，所表示的是暂态电压通过CCVT耦合方式干扰出现时候所经过的路径和原理。当暂态电压UB发生作用时可以通过CCVT的部分设备，诸如接地网、接地引线电感或者分压电容等作用使得干扰电位出现。这个电位对于CCVT的二次侧来说是发挥干扰源的作用，这个干扰源通过接地引线电感、地阻抗还有二次绕组和CCVT本身屏蔽层之间存在的寄生电容将会在二次电缆里面一次端滋生的干扰电压。二次电缆要接到控制室，作为对继电进行控制或者保护的输入信号，本身的长度范围在几十至千米之间。干扰电压波通过这个二次电缆将其传播到二次电缆末端处，在监控系统则会出现干扰电流和电压。实验表明，二次电缆越长，所受的干扰越大。

二、开关操作产生暂态电磁干扰的特点

每一次变电站开关操作均产生大量电磁暂态，其次数、幅值及波形变化取决于变电站类型、电压、所操作的开关类型及其切换速度等。

隔离开关切换所产生的暂态幅值及次数要比断路器大得多，导致这种现象出现的主要原因是断路器本身的切换速度相对于隔离开关要快很多。另一方面，断路器自身带有效果良好的灭弧措施和振荡限制措施。一个隔离开关的慢动作，其能够产生的暂态次数最高可以达到上万，而操作快的也可以产生最少几十次的暂态次数。切换速度和电磁暂态总次数之间呈现反比关系，其速度越快则产生的电磁暂态总次数则越少。操作所产生的暂态，其相对幅值的变化很大，通常情况下是分闸到最后与刚开始合闸的时候其幅值最大。

暂态切换时主频率会出现较大变化，一般会在几百千赫兹至上百兆赫兹之间。与变电站的电压表现出反关联的关系，这是由于变电站自身的电压等级高，需要占据的面积也会相应扩大，电波传导所需时间也会延长。对于相同电压等级的变电站，断路器的切换暂态频率相对于隔离开关要高许多。

三、开关操作暂态电磁干扰防护措施

要让二次干扰的影响和危害最大程度地降低，主要从以下两个方面着手：避免出现干扰，让干扰源能够产生的干扰幅值最大程度下降减少；提高电力设备本身抗干扰的能力。具体操作主要分为以下几个方面：

当高压母线上面存在有高频电流通过的时候，会在二次回路感应出干扰电压的存在，所以二次回路的电缆和母线之间的距离要尽量拉远，同时也将其平行的长度缩短，这样能够减少电磁耦合的状况。弱电回路和高频暂态电流的入流点之间也要尽可能保持距离，在变电站内较为常见的就是二次电缆回路和避雷器与避雷针这些设备的接地点保持一定距离，以降低高频电流通过该类设备时产生的电磁干扰。

二次电缆的布线需要科学合理。在变电站笼罩的范围之内存在着强度很高的电磁场，而这个电磁场本身的分布也极为复杂，所以要在二次电缆的走向位置，以树枝式或者辐射式为依据进行相关敷设，尽可能不出现环状回路的设计，这是为了避免和电磁场出现交链的情况。在应用的过程中，需要将每一个回路的往返导线有意识的安排，一般是安排在同根多芯的电缆里面，这样做能够让干扰电压本身的强度降低。

弱电回路和强电回路两者的芯线在布置的时候切忌一起放置在同一根电缆里面敷设，这不仅是为了考虑设备绝缘和人身设备的安全因素外。更重要的是为了避免强电回路自身产生的暂态干扰信号，通过芯线间存在的电容耦合再次传递到弱电回路当中。一旦出现这种现象，就算将电缆屏蔽层双端接地也不能够将干扰完全消除。弱电和强电两者的电缆在敷设的时候不能靠近或者平行，更加不可以将设备里面的两者扎在一起。如因施工现场限制必须在短距离内平行敷设的，二次电缆与高压电缆之间必须保持不少于3厘米的距离，以将干扰影响降至最低。

采用先进的两层或者三层屏蔽技术，改善电缆的屏蔽状况。质量好的屏蔽可以让传递阻抗有效减少，进而传递阻抗耦合也会因此而有所减少。使用多层屏蔽电缆能够收到预期的效果，二次电缆屏蔽层使用的是铝、铜等不同的材料，能够让高频干扰侵入程度降到最低，使屏蔽层里面涡流所导致的屏蔽效果及折反射引发的屏蔽效果得到进一步加强。对于屏蔽层的设计，主要方法除了采用常见的屏蔽层两端接地外，还采用尽量少用与导线平行的引线或者尽可能将引线缩短，用屏蔽层的同轴端取代的方法，将引线耦合效应减少。

在变电站的实际应用当中，除了加强二次电缆屏蔽效果外，还可以采用抗电压冲击的保护设备，以达到抑制设备入口位置干扰的效果。对于像TA或者是CCVT二次侧这种和高压导线间存在有传导耦合关系的设备，更应该充分考虑使用该类设备。有相关实验对此进行研究表明，在500kV隔离开关投切空载母线进行试验的时候，对母线电压互感器进行测验，结果显示母线电压互感器到母线保护柜之间的电缆备用芯上面存在电压回路峰值电压最高可以达到6.8kV，电压这么高的情况下如果没有采取适当的保护措施很可能会导致弱电设备受到损坏。因此除了在二次設备的保护屏、汇控柜安装二次避雷器外，在二次设备的入口相连位置，传统的中间互感器更换为隔离变压器或者是在二次电源回路中接入限压继电器以预防高电压串入二次回路，这是降低电磁干扰的有效措施。

四、小结

随着电力系统自动化水平的不断提高，越来越多的弱电设备被应用于高压变电站，讨论暂态电磁干扰对弱电设备正常工作的影响显得尤为重要。开关操作是变电站暂态电磁干扰的一个重要来源。本文对其产生的原因及特点进行分析和讨论，并提出了几种行之有效的防护措施。随着科学技术的不断发展和专业技术人员的不断深入探究，相应的防护措施将会越来越完善，变电站设备的供电可靠性也会越来越高，为经济发展和人们优质稳定的供电需求保驾护航。

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（责任编辑：王祝萍）