关于继电保护装置抗干扰措施的探讨

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近年来，微电子器件在继电保护装置中得到了广泛应用，但耐受干扰的水平极低、且大多为电磁敏感设备，因而很容易受到干扰的影响和危害，最终可能会导致保护装置误动或拒动等各种异常现象的出现，从而严重影响了电网的安全、稳定运行。高压变电所一次回路强电磁干扰和二次回路本身的电磁干扰，通过感应、耦合和辐射等途径，引入到半导体型电子元器件上。当干扰水平超过了装置逻辑元件和逻辑回路允许的干扰水平时，将引起装置逻辑回路的不正常工作，甚至直接造成这些元器件的损坏。另外，由于各种干扰而使变电所自动化设备产生大量垃圾信息，严重影响了运行人员对所内设备的运行监视及操作，增加了值班人员的工作负担，影响了事故的分析与处理。因此，继电保护与自动化装置的抗干扰，就成为一个很重要的课题。

1 电磁干扰的来源和途径

　　电力系统的电磁干扰源有外部干扰和内部干扰两个方面：外部干扰是指那些与系统结构无关，而是由使用条件和外部环境因素所决定的干扰，主要有其它物体和设备辐射的电磁波产生的强电场或强磁场，如雷击、隔离开关操作、中压开关柜操作、直流电源的中断与恢复、步话机辐射及来自电源的工频干扰等等。内部干扰是指由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的干扰，主要有杂散电感和电容的结合，引起的不同信号感应，长线（对高频信号而言）传输造成电磁波的反射，多点接地造成的电位差干扰，寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等等。但是，不论是外部干扰还是内部干扰，都具有相同的物理特性，故而其消除和抑制的措施基本是相同的。

　　在高压变电所内，有多种渠道将电磁干扰源和受干扰的二次回路和二次设备联接起来，这些耦合渠道包括：辐射、感应和耦合。而被干扰设备接收的电磁干扰水平，往往源于几种耦合方式产生的综合效应。

　　辐射：高频感应加热设备、高频焊接等工业设备以及电视发射台、雷达等大功率电子设备都可以通过电磁波辐射，干扰附近的精密仪器及仪表；架空输电线辐射出电磁场也会通过供电线路侵入电子设备，造成干扰信号。

　　感应：同一电缆内的感应，当同一电缆中某一芯线通过很强的干扰电流时，将在其他芯线感应出很高的干扰电压，并在终端联接设备上以共模干扰与差模干扰的形式出现。此外，不同能量等级的强电与弱电回路共用同一电缆时，当强电回路的电能突变，也会对弱电回路感应出不能接受的干扰，因而，应当尽量避免这种做法。

　　耦合：在开关场，电磁干扰主要经电感耦合、电容耦合及传导耦合等途径引入二次设备。

　　电感耦合：电感耦合有两个渠道，一是当隔离开关操作产生的高频电流或雷电电流通过高压母线时，在高压母线周围产生了磁场。其中的一部分磁通将二次电缆包围，因此在二次回路中感应出对地的共模干扰电压，传到继电保护装置等二次设备的端子上。若二次回路的走线不合理，例如同一个回路中的一根导线利用了一根电缆中的一芯，而其回程导线却利用了另一根电缆的一芯时，由于这两根芯线间的距离很大，在它们之间将包围很大的磁通，从而会在同一回路的两根导线间产生很大的差模干扰电压，这种设计或施工中的失误，必须避免。
　　二是指通过高压母线的高频电流，最容易通过接在母线上的集中电容注入电网，电容式电压互感器（CTV）、高频通道的高压耦合电容器，就是这样的高频电流最好的入地通道。在图1中，当高频电流I经母线所接高压电容器入地时，二次电缆、CTV的中间变压器的高低压线圈层间、互感器的接地线、变电所接地网和二次电缆所接负载形成了一个闭合回路，包围了由高频电流产生的磁通。在闭合回路中感应出电压，传到继电保护装置等二次设备端子上。接地引下线与二次电缆间的距离D愈大时，所包围的磁通越多，在闭合回路上感应的电压越高。

　　其中人为可控的因素是L、D及R。据估算，在400 kV变电所中，当L = 3 m，D/R = 10时，可能产生的感应电压e将达10 kV ，这个电压的数值远较上一项的感应电压为高。因此，对于CTV、高压耦合电容器来说，降低电容器的底座高度L，电容器接地引下线采用多股导线（即增大电阻R）和尽可能使引下二次电缆紧靠接地引下线（即减小距离D）是十分必要的。

图1 开关场的各种耦合途径

电容耦合：在图1中，假定Ck和CE分别是高压母线对二次电缆和二次电缆对地电容，则引入二次电缆的电容耦合分量（共模值）eC = (Ck/CE)E ，若电缆中的导线对地电容不对称，还会引起差模干扰电压。当二次电缆回路有一点接地网时，CE→∞，eC = 0；因此，为了人身和设备的安全，在二次回路上任何时候都必须保持一点接地。同理，二次回路一点接地，也解决了由高压经层间电容Cps传到二次回路的电压。

　　传导耦合：连接耦合电容器到变电所地网的接地线，当通过高频电流I时，呈现高阻抗，因而在N、G间产生很高的高频电压，这个高频电压通过层间电容Cps和一、二次线圈间的杂散电容，经二次电缆传到继电保护装置等二次设备端子上。降低N、G间高频电压的办法，包括缩短距离L，采用多股接地导线，以减低接地线的自感，增加接地线接入地网的密度，以减小接地点的阻抗等等。

2 电磁干扰对继电保护装置的影响

　　近年来，微机型继电保护装置在电力系统中得到了广泛的运用。和常规保护相比，微机保护具有先进的原理及结构，安装调试简单，运行维护方便，保护动作迅速、灵敏可靠，能自动记录故障信息等显著的优点。但是在现场运行过程中，如果运行环境差，抗干扰措施落实不当，则很容易受到外界环境的干扰，造成保护不正常，甚至发生保护误动作，严重威胁到电网的安全运行。

　　微机保护装置是以微机为核心的自动控制系统。其硬件组成主要包括数据采集单元、数据处理单元、开关量输入输出系统、通信接口及电源。在干扰信号产生后，干扰对模拟电路和对数字部件所造成的后果是不同的。模拟电路在干扰作用下往往使开关电路误翻转．在没有完善闭锁措施时，将会导致误操作；数字电路受干扰作用往往造成数据或地址传送错误，从而导致微机运行故障或功能障碍。也能引起保护的不正确动作。干扰对微机保护装置的影响主要表现在以下几个方面。
2.1 计算或逻辑错误

　　微机保护装置的输入输出数据、微处理器计算的中间结果、控制标志字都存放在随机存贮器RAM中。在强电磁干扰信号作用下，有可能使存放在RAM中的数据发生变化。这样，在进行读或写数据时，数据总线和地址总线可能在干扰的作用下，发生读写错误数据，或将数据传送到错误的地址上，造成计算错误或逻辑紊乱，引起装置误动或拒动。

2.2 程序运行出轨

　　所谓程序只是微处理器可识别的机器码，在干扰信号的作用下，将可能出现微处理器无法识别的机器码，致使微处理器无法工作。此外，如果干扰信号改变了控制程序流向的标志字时，也将改变运行程序的执行顺序，使微机的运行程序出轨，出现死机等问题。

2.3 元件损坏

　　在微机保护装置中的一些半导体芯片，在强电磁干扰作用下，可能受到损坏，使装置无法工作。

3 电磁干扰的抑制措施

3.1 构造继电保护装置等电位面

　　基于微机的继电保护装置的重要特点：一是具有自检能力；二是具有通信功能。如果微机继电保护装置集中在主控制室，为了实现可靠通信，必须将联网的中央计算机和各套微机保护，以及其他基于微机的控制装置，都置于同一等电位平台上。这个等电位面应该与控制室地网，只有一点的联系，这样的等电位面的电位可以随地网的电位变化而浮动，同时也避免控制室地网的地电位差窜入等电位面，从而保持联网微机设备的地网之间无电位差，保证联网通信的可靠运行。

　　各微机设备都应有专用的、具有一定截面的接地线直接接到地等电位面上，设备上的各组件内外部的接地及零电位，都应由专用联线联到专用接地线上，专用接地线接到保护盘的专用接地端子，接地端子以适当截面的铜线接到专用接地网上，这样就形成了一个等电位面的地网。

　　构造等电位面有两种可能做法，一是将微机保护盘底部已有的接地铜排通过焊接联通，同时在尽头用专用100 mm2铜线联通，形成一个铜网格，这个网格与由电缆沟引来的粗铜导线联通。借该粗铜导线对控制室的接地点，形成要求的对地网的唯一一点接地。

　　另外一种做法，是在保护盘底部的下面构造一个专用的铜网格，各保护盘的专用接线端子，经一定截面铜线联到此一铜网格来实现。

3.2 高频同轴电缆屏蔽层两端分别接地

　　高频同轴电缆屏蔽层在开关场和控制室两端分别接地，可以显著地降低收发信机入口的干扰电压，保护收发信机的安全运行。若高频同轴电缆只在一端接地，在隔离开关操作空母线等情况下，必然在另一端产生暂态高电压，从而可能会在收发信机端子上产生高电压，中断收发信机的正常工作。

3.3 控制电缆屏蔽层在两端同时接地

　　当控制电缆为母线暂态电流产生的磁通所包围时，在电缆的屏蔽层中将感应出屏蔽电流，由屏蔽电流产生的磁通，将抵消母线暂态电流产生的磁通对电缆芯线的影响。假定屏蔽作用理想，两者共同作用的结果，将使被屏蔽层完全包围的电缆芯线中的磁通为零，屏蔽层形成了一个理想的法拉第笼。这也和带有二次短路线圈的理想变压器一样，铁芯中的磁通将为零。

　　当雷电经避雷器注入地网，使变电所地网中的冲击电流增大时，将产生暂态的电位波动，同时地网的视在接地电阻也将暂时升高，与正常交流电阻相比，地电阻常常增大10倍以上。

　　当低压控制电缆在上述地电位升高的附近敷设时，电缆电位将随地电位的波动而受干扰。因此，接地浪涌电流引起的地电位升高，将可能对低压控制回路的绝缘配合带来严重影响。

　　为了定量地估计当雷电流注入变电所地网时，在控制电缆缆芯中引起的暂态感应的数量，相关文献列出了在30个变电所中进行人工注入地网较小冲击电流(10～4000 A)时，测定的电压情况，如图2所示。

　　(a)电缆无金属包皮

　　 (b)电缆有金属包皮
　　图2 在低压电缆感应电压的概率

　　图2中所测定的就是两种电缆屏蔽情况下的暂态电压：一是无金属屏蔽的电缆；二是有金属屏蔽且两端接地的电缆。由图2可见，采用两端接地的屏蔽电缆，可以将暂态感应电压抑制为原值的10%以下，证明是降低干扰电压的一种有效措施。

3.4 开关场进线在继电保护盘端子处经电容接地

　　研究结果说明，控制电缆电磁干扰中的相当部分，来自套管式或柱式TA以及TV的高频传导耦合。这种耦合直接由母线传到控制回路，控制电缆的屏蔽对这种干扰无能为力，且这种传导耦合的效率随干扰频率的增高而增大。为此还应该在开关场进线的继电保护端子上对地接入高频滤波回路，而最为简便的是在这些端子上接入对地电容。

(a)正确接线　　　　　　　　　　(b)错误接线
　　图3 继电保护盘进线的接地电容接线回路

　　如图3所示，所有开关场进线到了继电保护盘端子后，必须首先接到接地电容的端子上，然后由接地电容的同一端子上引出进入继电保护装置的回路，不允许用T接方式。图3(b)所以错误，是因为T接那一段导线在高频下形成不可忽略的阻抗而降低滤波效率。接地电容的另一端，应当用短粗导线接地网。

　　继电保护装置抗干扰措施是一项十分重要的工作，深入开展保护装置抗干扰措施的研究，对电网安全稳定运行有着重要的现实意义。针对保护装置实际运行存在的电磁干扰问题，提出了相应的抑制措施，实践证明能有效提高变电所继电保护装置等二次设备的可靠性。