继电保护装置抗干扰措施探讨 高压变电所是一个具有高强度电磁场环境的特殊地域,而装在所内的继电保护装置不断受到各种强电磁场的干扰。该文从干扰的来源及其传输途径入手,有针对性地提出了相应的抑制措施,达到了有效的抗干扰目的。 关键字: 电磁干扰抑制措施屏蔽接地
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400kV变电所中,当L=3m,D/R=10时,可能产生的感应电压e将达10kV,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。
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100mm2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(10~4000A)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。