变电站二次回路干扰来源的分析及其解决措施

董世勇

摘要：在变电站中，二次回路专门负责对一次系统进行保护、监测和控制，但如果二次回路受到干扰，它对变电站的控制与继电保护装置就会产生严重影响，导致处于强电磁环境中的二次回路造成无故障开关跳闸事故。文章从实际角度出发，分析了目前变电站二次回路中的各种干扰来源及其危害，并提出了二次回路抗干扰的直接对策。

关键词：二次回路；变电站；干扰来源；抗干扰措施；干扰抑制；无故障开关跳闸事故 文献标识码：A

中图分类号：TM64 文章编号：1009-2374（2016）16-0132-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.064

变电站在运营过程中会受到各种干扰，有些来自外部，有些来自内部，它们都会产生瞬时干扰电压，并通过电磁耦合与静电耦合来直接传导进入二次回路之中。它的频率一般在上百kHz，而峰值最高可达数十kV，对继电保护装置与控制系统有很大的损害。

1 变电站二次回路的干扰来源

变电站二次回路中所存在的干扰信号主要分为两方面：由一次回路及二次回路自身所引发的系统内部干扰，由外部环境例如无线电信号、恶劣天气雷电流所引发的系统外部干扰。下文将从各个角度探讨变电站二次回路的干扰来源。

1.1 容性耦合对二次回路的干扰

容性耦合就是静电耦合，它通过二次回路的近距离电场及耦合电容在二次回路引发干扰，是一种处于介质中的、可对不同导体产生杂散电容的静电干扰。例如在变电站中的耦合电容、电容式电压互感器等电容性元件以及导体中的电压都会通过电容耦合传递到周边导体上形成容性耦合干扰。

如果杂散电容中的电容值在pF数量级以上，即杂散电容的电容值R时，此时电容分压U就为：

可见，电容性耦合所起到的干扰作用等同于导体在地面之间连接了一个幅度在的电流源，当该电流源的干扰频率越大，就越可能产生基于回路的容性耦合反应。因此，容性耦合的干扰能力会伴随耦合电容的增大而不断提升，它不但会对低阻抗较大的电路产生电场干扰，也同时会降低对地阻抗，降低两个电路之间的杂散电容。一般来说，容性耦合干扰主要来自于两种途径：变电站周围的雷击雷电放电干扰，当雷电发生时，由其放电所产生的强脉冲电场与磁场就会通过变电站中用于测量的互感器直接传输到二次回路之中；变电站中的断路器、隔离开关这些一次设备也会由于存在一定感性负载而在投切操作过程中触动电弧，造成电弧的重燃或熄灭。此时，母线上的瞬时过程就会逐渐由母线转移到电压互感器以及二次回路之中形成耦合，使得二次回路电压电流之间形成瞬时波形干扰。

1.2 感性耦合对二次回路的干扰

感性耦合又叫做磁场耦合，它所产生的干扰电压能够与二次电路之间产生互感，激发交变电场在载流导体周围形成闭合电路进而产生感应电势，所以感性耦合所包括的干扰应该分为以下三种：

第一，在操作隔离开关时会产生高频电流、雷电流，它们会通过高压母线并在其周围产生磁场，其中会有一部分将二次电缆包围，在变电站地网与二次电缆之间形成闭合回路。

第二，一旦变电站出现接地故障，站内的架空导线就会与接地网之间形成短路电流，这股短路电流会在二次电缆周围形成极强的空间磁场，该空间磁场会将双端接地二次

电缆与接地网连接，构成回路感应电流以干扰二次回路。

第三，由于雷击所造成的高压线接地架构。因为雷击高压线会产生行波，它的最大斜率可高达50MV/，而当行波在传输过程时，波头斜率却会降到1MV/，一旦该情况发生，就一定会产生绝缘击穿行波并致使二次电缆产生感应，当雷击穿过接地构架后，金属构架中的电流分布就会产生高强度电磁场来干扰二次回路。如图1所示：

如图1所示，在平行导线状态下，感性耦合中的是干扰源电流，而表示干扰源与二次回路间的互感数值，如果二次回路产生干扰电压，则有：

如果从干扰源方面有电流通过，则电流i就应该为：

而干扰源与二次回路间的互感数值就应该计算为：

式中：代表空气导磁系数；L代表平行电缆中缆芯的长度；a和b分别代表两根导线与二次回路导线间的距离；表示干扰源与导线间的实际夹角。所以变电站负载上所产生的干扰电压应该为：

可见，当电流干扰通过干扰源后，它会直接加载到负载上形成干扰电压，而干扰电压的大小则取决于导线的长度与干扰源上的电流和频率，且它们之间呈现正比例关系。由于二者处于平行导线中，属于平行关系，所以它们之间的干扰电压会上升到最大值。但如果a、b导线与干扰源的距离是相等的，则干扰电压会趋于最小值。

2 变电站二次回路干扰问题解决措施

要想避免变电站二次回路干扰问题，就应该从控制干扰源着手，并尽量降低变电站敏感设备与干扰源之间的耦合程度。本文根据以上所提到的容性耦合干扰与感性耦合干扰提出了相关的抗干扰抑制对策。

2.1 容性耦合干扰解决对策

2.1.1 耦合阻抗增大。由于容性耦合发生在二次回路的近距离电场及耦合电容之间，所以应该适当增加干扰源与二次回路间的有效距离，借此来控制降低电缆长度，为电缆重新设计合理的敷设路径，这样做有助于降低二次回路与干扰源之间的耦合电容，与此同时也能增加耦合阻抗。由于电容性耦合中的耦合电压可能与被干扰导体之间形成杂散电容，所以在导线与地面距离不发生改变的状态下，应该从降低线间电容着手来降低干扰电压。根据耦合电容C的计算公式：

如上式，如果适当减小接触面面积，就可以达到降低耦合电容的目的。需要注意的是，在减小接触面面积的同时也应该避免a、b两根导线平行走线情况的出现。

2.1.2 平衡法。因为变电站中的干扰源与干扰对象其二者基准点在电路中始终保持相互独立状态，所以利用平衡法就可以消除二者间所存在的电容性干扰，但在此之前应该满足二者间的平衡条件即（如图2所示）。

2.1.3 电场屏蔽。采用电场屏蔽方法可以有效抑制来自于杂散电容的耦合干扰，它利用到了接地性优越的金属屏蔽体，以利于将电场源中所产生的交变电场限制于某一规定范围空间中，达到阻断干扰源向敏感电路传播干扰的目的。一般来说，像铝、银等导电率较好的金属都可以作为屏蔽材料。总体而言，这种电场屏蔽法必须靠接地来完成，如果接地性不够良好，其屏蔽效果甚至会劣于未屏蔽之前的干扰状态。

2.2 感性耦合干扰解决对策

2.2.1 磁场屏蔽。磁场屏蔽有两种：低频磁屏蔽与高频磁屏蔽。低频磁屏蔽所运用的是高导磁率铁、镍铁合金等，它们共同构建了以磁力线为主的低磁阻通路，可以将大部分磁场封闭于屏蔽体之内，完全隔离磁场。而高频磁屏蔽则主要采用屏蔽体所自然产生的涡流方磁场进行屏蔽，它能够抵消所存在的干扰磁场。利用高导体材料制作高频磁屏蔽装置，将装置的导磁率与空气的导磁率相比较，如果前者大于等于后者，则可说明磁力线的总趋向方向是一定会通过磁阻的最小路径，并且该路径所处的磁屏蔽内必然会存在大量的磁力线，也就说明空腔内的磁场必然会小于装置内的磁场。

2.2.2 降低互感抗阻。因为电磁干扰所产生的干扰电压的导线长度与干扰源电流之间是成正比例的，而与干扰源频率呈现反比，所以应该从互感思路考虑尽量减少干扰源对二次回路的干扰，适当降低电磁感应在二次回路中可能产生的干扰电压，最终达到降低二次回路中互感抗阻的效果。下文介绍三种应对措施：

应对措施一：避免在电缆敷设过程中与载流导体平行，当干扰电压的导线与干扰源之间形成余弦夹角时，夹角应该与余弦之间成正比。另外在电缆沟道布置过程中应该保持它与一次载流体形成直角关系。

应对措施二：尽量减小电缆平行段长度，并且控制互感值M与一次导线L长度的正比例关系，使得平行段长度产生有效的抑制互感效果。

应对措施三：如果是同一回路的电缆缆芯应该安排于同一根电缆之内，并以采用绞对线为最佳。如果在同一回路中，两根电缆芯线与一次导线之间的距离比例是a/b，当a=b时，位于二次回路负载上的干扰电压就应该为0。所以应该选择使用同一回路的电缆缆芯，即将正负极电缆归纳于同一根电缆之中，保持电流、电压在二次回路中发挥比较稳定的互感作用。此时，在导线相邻的环路间由电缆绞对线所产生的沿线小环路会不断换位，这样就可以将干扰二次回路的电磁场中的感应电压抵消掉，避免二次回路被干扰。

3 结语

综上所述，除感性耦合与容性耦合外，例如辐射耦合、地电位差、二次回路自身等因素也可以引起不同的电磁信号干扰，破坏变电站二次回路的正常运行。所以说影响二次回路的干扰信号可能来自于各个方面，因此在未来的变电站建设运营过程中一定要做到考虑周全，将所有可能影响变电站正常运维的因素考虑进来，采取措施来限制干扰信号的传播，保证变电站设备能够在优良的环境下正常工作。

参考文献

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