500kV变电站断路器电气控制回路抗干扰措施

国网湖北超高压公司荆门运维分部 杨 雯 刘 琪 陈 晨 王沐东 华北电力大学 熊辰熙

1 500kV 变电站断路器电气控制回路的干扰源及危害

电气控制回路的抗干扰通常指的是抗电磁干扰和解决EMC（电磁兼容）问题。产生电磁干扰的原因较为复杂，不同噪声的频谱存在较大差异，且周期性、随机性互相交织，危害较大。

1.1 干扰源

随着信息技术的革新，电子技术随之发展，断路器电气控制回路多采用集成电路、半导体，这便意味着电磁开关和半导体之间极易产生脉冲噪声，电源和外界环境也可能对控制回路产生干扰。根据干扰源可将断路器电气控制回路受到的干扰分为六种：一是动力线侵入对断路器电气控制回路产生的传导干扰；二是因信号线或数据线侵入对断路器电气控制回路产生的传导干扰；三是直接混入断路器电气控制回路产生的辐射干扰；四是断路器电气控制回路自身工作中产生的电磁干扰；五是电气控制电路电源对回路产生的电磁干扰；六是电网噪声，上述干扰源中电网噪声对断路器电气控制回路的影响较大。导致500kV 变电站断路器故障中，影响最大的是1μs 以下的电网脉冲电压噪声以及持续时间在10ms 以上的持续电压噪声。此类电压噪声的主要表现形式有叠加高频、瞬时升高或降低、持续欠压或降低。具体而言，脉冲噪声是电网中500kV 变电站进行负载切换时的瞬变过程产生的脉冲型噪声，波形表现为脉冲束、单个脉冲[1]。

1.2 危害

电磁干扰对断路器电气控制回路造成的负面影响可分三方面进行说明。

一是对电气控制回路的输入模块产生负面影响。电磁干扰通过线路串入电气控制回路的电压采集模块，使电气控制回路进行数据采集时出现错误，而此模块是断路器执行相关动作的依据。在电磁干扰影响下，模数转换时，因模拟信号失真，数字信号也会出现错误，使得断路器出现误动作，影响供电稳定性。

二是对电气控制回路的驱动信号模块产生影响。电磁干扰串入电气控制回路，将使得控制信号的电平值出现混乱，断路器驱动输出错误，影响到对断路器的准确控制。

三是对电气控制回路的处理模块产生负面影响。处理模块是对输入数据进行处理的关键，基于数据处理结果，进行保护判断，控制断路器动作。其在电磁干扰影响下，地址、数据总线信号会产生错乱，使处理模块运算出现误差，最终导致断路器动作错误[2]。

2 500kV 变电站断路器电气控制回路抗干扰措施

2.1 硬件抗干扰措施

电磁干扰的抗干扰措施应先寻找干扰源，明确可能受到电磁干扰的相关电路，再确定抗干扰措施。基于上述思路，结合干扰来源，下文便对屏蔽、滤波、隔离接地技术等硬件范畴内提升电气控制回路抗干扰性能的措施进行分析。

第一，屏蔽技术。屏蔽技术是将噪声源和电气控制回路进行屏蔽，阻断噪声对电路的影响，通常采用金属导体屏蔽环境中的辐射干扰。辐射电磁场中，空气中存在的磁场会和电气控制回路中的感应电势形成回路，产生感应电流，影响到电气控制回路的工作。此外，利用金属导体进行屏蔽不仅能够提高电气控制的抗干扰能力，还能减少电气控制回路的外部辐射噪声。实际应用中，技术人员可对电气控制回路的印制电路板增设金属屏蔽盒，且对于重要信号应使用屏蔽线，减少线路长度。为明确不同厚度（以φ 进行表示，单位为mm。）金属导体的屏蔽效果，采用泄漏磁场进行表示，则有如下公式：

公式（1）中的Hφ代表金属板前后的侧磁场强度，H0代表金属板侧面的磁场强度，f 代表频率，μ 代表金属导体的磁导率，ρ 为金属导体的电阻率（Ω/cm）。按照公式（1），此金属导体下的磁场衰减量计算方法如下：

公式（2）中的A 代表磁场衰减量，其他同公式（1）相同。通常屏蔽板的金属导体材料为铁板、铝板，以铁板为例，电阻率取值为0.00005Ω/cm，根据公式（2）计算可得铁板的磁场衰减量，即磁场吸收损耗如下：

根据磁场吸收损耗公式可知，当使用厚度为1mm 的铁板，电气控制回路的频率在1MHz 时，磁场衰减量能够达到55db。技术人员可根据上述规律，结合500kV 变电站断路器电气控制回路的实际情况，调整电气控制回路外金属导体的厚度。

第二，滤波技术。对于电气控制回路的中的传导类干扰，可采用滤波技术进行抑制。500kV 变电站运行过程中，会对断路器电气控制回路造成较大影响，若因特殊原因使断路器电气控制回路承受的干扰信号较大，将影响对断路器的控制，无法对变电站低压线路进行保护。变电站实际运行中，变频器等诸多电气设备会产生较多的杂波分量，此类杂波分量若不进行滤除将直接影响电气控制回路检测线路电流的准确性。对此，可在电气控制回路的后级加入反馈反相二阶低通滤波器，具体原理如图1所示。根据图1内容，将C2电容的电压定义为Vc2，输出电压公式如下：

图1 反馈反相二阶低通滤波器

公式（4）中的Vout 为电容C2的输出电压，其余符号均为图1中参数。根据公式（4），可得电容C2处电流的公式如下：

令公式中的R1=R2=R3，将R 取值为5.1kΩ，C 取值为0.1μF，利用Pspice 软件进行仿真可知，此滤波装置的截止频率可达到100Hz，安装在断路器电气控制回路中，具有滤去杂波的效果。

此外，在电气控制回路的输出端，可增设无源滤波电路，如图2所示，图中的C1电容、C2电容、C3电容、C4电容、T1共同构成滤波电路。其中连接在电气控制回路输出端的C3电容、C4电容能够对共模噪声起到一定抑制作用，而且C1电容和C2电容的抗干扰效果强于单独使用一个大电容，还能缩短电路输出端的引线，避免电气控制回路中的输入端和输出端产生磁耦合。

图2 输出端滤波电路

第三，隔离接地。在断路器电气控制电路内的所有控制元件均增设一组电容值为0.1μF 的独石电容、10μF 的电解电容，且布线过程中将该组去耦电容靠近控制元件的接地脚，能够将控制元件和可能产生环流的导体进行隔离。同时，还可使用虚浮地的方式，避免电流的公共部分产生电磁干扰，实际可借助光电耦合器实现虚浮地。

为提高模数转换的准确性，断路器控制电路布设过程中，应对电路中的开关量、数字量进行隔离。可使用线性隔离方法，数模转换的输入端利用光耦隔离电气控制电路中的单片机。

同时，为降低电气控制电路中噪声对电量检测产生的影响，提高电量检测结果的精确性，应考虑模数转换过程的电磁兼容问题。技术人员可隔离被测电路和测试电路，在两者之间设置光电耦合器，将经过滤波后的模拟信号通过光耦合后才可进入数字电路，具体可采用型号为HCRN200的光耦合器进行隔离。传统普通光耦合器的电流传输过程具有较强的非线性特点，虽然能够保证模数转换的正常传输，但传输精度较低，HCRN200光耦合器具有高线性度模拟特点，线性度高、灵敏度强，适用于500kV 变电站对于模拟信号的精度需求。此型号光电耦合器具有以下优点：一是具有±15%的传输增益调整范围，而且还能将线性误差控制在0.05%以内，线性度高，误差较小；二是带宽较宽，可适应电气控制线路内不同频带信号的转换；三是绝缘电阻在1018Ω 以上，将其布设在输入、输出回路中可起到较强的隔离效果；四是可承受1400V 的绝缘工作电压，耐压能力高达4000V/min，满足500kV 变电站的实际需求；五是输出范围在0～15V，满足电流、电压等信号的转换要求[3]。

2.2 软件抗干扰措施

对于断路器电气控制回路中无法使用硬件进行抵抗的干扰，可从软件角度入手，消除干扰对电气控制回路产生的影响。软件抗干扰措施通常针对侵入类干扰，虽然此类干扰无法对硬件造成直接损坏，但会造成电气控制回路程序异常，使得断路器出现误动作，工作人员控制失灵等，进而产生故障。为防止受电磁干扰影响，可在对短路电气控制回路编写程序时有针对性增加抗干扰措施。

一是增加输入信号检测程序。因传导干扰可能会混入其他状态输入信号，电气控制回路发出错误指令，导致断路器出现误动作。因此，应对可能产生断路器误动作的开关量输入信号和重要信号进行多次检测。技术人员可对电气控制回路中单片机的输入端和输出端进行重复检测，多次检测结果一致，可认为此输入信号为真，可执行；若检测结果不一致，可判定电气控制回路中单片机受到了侵入类干扰的影响，可停止相关故障信息[4]。

二是增加空指令。技术人员可在程序存储器的不同段之间增加NOP 指令，若处理模块受到电磁干扰，程序寄存器的PC 值在NOP 指令的影响下会指向异常情况下的第一字节，当相关程序运行完成后，经过若干NOP 指令，便可将PC 值重新回到正轨，以此降低电磁干扰对电气控制回路处理模块产生的影响。

三是利用Watchdog 技术。看门狗技术的作用是防止控制单元死机。技术人员可设置复位信号的发送时间，若超过时间阈值，即超过规定时间没“喂狗”（通常在程序跑飞时出现），程序便会向控制单元发送复位信号，使其复位，就能有效防止电磁的干扰，减少断路器控制单元工作时出现的死循环和程序跑飞情况，有效提高电气控制回路的可靠性。

2.3 整体布局措施

根据IEC 的电磁兼容定义，断路器电气控制回路应在自身所处的电磁环境中正常作用，并在不损害信息传输的条件下和其他有用信号进行共存。对此，技术人员在进行电气控制回路制板时应在明确印制电路板规格的基础上，考虑元器件的具体布置方式，将印制板内不同元器件产生的电磁干扰降低。若为了使不同元器件形成隔离，盲目增加元器件之间的距离，会使连接线过长，增大阻抗，降低电气控制回路的抗干扰能力。若元器件过于集中，则会影响到控制回路工作中的散热效果，且不同线路还会受到串扰。

所以，布置电路时应按照控制回路内不同的功能单元进行布局，还应考虑热分布、输入输出端接口、复位电路等问题。应遵循下述原则进行整体布局：一是以电路信号流程为准，安排不同功能电路的位置，将信号传输方向尽可能保持一致；二是以控制回路中不同核心元件作为中心，以不同分类模块为准进行布局；三是以三倍印制板电流为准加粗地线，减少电源和地线阻抗两者产生的电磁振荡。