变电站的电磁防护分析

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摘要：本文分析了变电站中电磁干扰的来源及危害，并对其传输过程进行了建模。为了解决变电站的电磁防护问题，通过接地、屏蔽、隔离、滤波、防雷技术等防范措施来消除电磁干扰，保证了变电站的可靠运行。

Abstract: This article firstly analyzed the source and danger of electromagnetic interference in the substation. And then the transmission process of electromagnetic interference is modeled. In order to solve the problem of electromagnetic protection in the substation, grounding, shielding, isolation, filtering and lighting protection is used to eliminate electromagnetic interference and ensure the reliability operation of substation.

关键词：变电站；电磁干扰；电磁防护

Key words: substation；electromagnetic interference；electromagnetic protection

中图分类号：TM4文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）17-0033-02

0引言

随着电力系统自动化水平的提高，变电站内采用的弱电设备及系统越来越多，如数据采集系统、通信系统、控制和继电保护系统等。在变电站复杂而恶劣的电磁环境中，这些弱电设备可能会受到操作冲击、雷电、系统短路故障、工频电流、电压以及多种放电现象引起的电磁干扰。随着变电站一次系统电压的升高、容量的增大，电磁干扰更加严重。为了尽可能地避免电磁干扰，必须解决好变电站的电磁防护问题 [1]。

1电磁干扰

1.1 电磁干扰的来源及危害

1.1.1 高压开关操作高压隔离开关或断路器操作时，触头间产生一系列电弧过程。电弧的熄灭和重燃，在被断开或充电的母线上将引起一系列高频电流波和电压波。这种情况下，母线的行为表现为复杂结构的天线，以暂态电磁场的形式向周围空间辐射能量。同时母线上的暂态过程还可以通过连接在母线上的电流、电压互感器或其它设备直接耦合至低压回路。总结大量现场实测结果可看出[2]：①开关操作产生的暂态过程都表现为一系列电磁脉冲。这个过程可以用脉冲群的总持续时间、脉冲总数、脉冲重复频率以及单个脉冲的最大幅值、波形、主导频率来表示。②操作暂态过程受多种因素影响，分散性极大。

1.1.2 雷电雷电是自然界发生的极为强烈的电磁暂态过程。大量实测表明雷电流波形多呈负极性，很快上升至峰值，然后又缓慢下降。统计资料表明，按50％的出现概率，波前时间不大于5.5μs，波尾时间不大于75μs。变电站直接遭受雷击的可能性比较小，更多情况下是线路遭受直击雷或感应雷（雷击线路附近，在线上产生感应过电压），雷电波沿线路侵入变电站。雷击过电压不仅直接作用于一次设备，而且通过一、二次系统之间的各种耦合途径或接地网进入二次回路。如果受影响的设备阻抗很高，则设备承受雷击电压脉冲。如果受影响的设备阻抗很低，则设备承受雷电流脉冲。

1.1.3 系统短路故障短路故障时，会有大电流流入接地网，二次电缆的屏蔽层在不同的接地点接地时，就会因不同接地点间的不等电位，产生流过接地网、接地电阻和二次电缆屏蔽层的瞬态电流，从而在二次电缆的芯线中感应出干扰电压，线路感应的过电压也会通过测量设备进入二次回路。

1.1.4 工频电磁场作用变电站中的高压线路或汇流排会产生较强的工频电磁场，对电子类设备的干扰较大。

1.1.5 局部放电电晕、沿面放电产生频率较高的电磁辐射，可能在电子设备的线路中引起干扰。

1.1.6 静电放电介电常数不同的两种绝缘物相互摩擦时，两者会因为电荷的转移而带不同符号的电荷，这种情况称之为摩擦起电或静电充电。这种电荷的释放称为静电放电，静电放电对电子设备的影响是由带静电的人直接对该设备接触放电，或是由人对相邻物体放电所引起的。静电放电可能使电子测量和控制系统失灵，也可能使计算机程序出错或丢失数据[3]。

1.1.7 辐射电磁场辐射电磁场辐射干扰源有许多种，如无线电台、电视台、移动式无线电发射机及各种工业电磁辐射源。

1.2 电磁干扰的建模系统间的传输干扰过程可以用图1表示。从图中可以得到扰系统输入端口的干扰电平P1的大小与发射机的功率电平PT、发射系统及等效馈线损耗LSI、干扰天线在扰方向上的增益GT、传输路径损耗Lb、扰天线在干扰方向上的增益GR、接收系统及等效馈线损耗LSC及被敏感设备的干扰校正系数CF。具体关系式为：P1（f，t，d，p）=PT（f，t）+GT（f，t，d，p）-L（f，t，d，p）+GR（f，t，d，p）+CF（BT，BR，Δf）。

接收机输入端的干扰电平P1与接收机输入端的敏感度门限Ps之差称为电磁干扰余量IM，即IM（f，t，d，p）=P1（f，t，d，p）-PS（f，t）。

若IM>0，则表示系统对间存在潜在干扰；若IM=0，则表示系统对处在临界状态；若IM

2电磁干扰的防范措施

2.1 土建施工的防护措施减少电磁干扰可以首先从土建施工上改善环境。将保护室的结构地板及墙体中加强筋全部联网并接于地网，以制造一个放置整个二次系统的极低阻抗地平面。控制室上的避雷针必须用多根周边导体与地网相联，金属结构与钢筋混凝土的加强筋必须联通，上端与避雷针相联，下部与地网相联，形成有效的网格法拉第笼。

2.2 屏蔽措施一次设备与自动化系统输入、输出的连接均采用屏蔽电缆。电缆的屏蔽层两端接地，对电场耦合和磁耦合都有显著的削弱作用。当屏蔽层一点接地时屏蔽层电压为零，可明显减少静电感应电压。当两点接地时，干扰磁场在屏蔽层中感应电流，该电流产生的磁通与干扰磁通方向相反，互相抵消，因而显著降低磁场耦合感应电压。两端接地可将感应电压降到不接地时感应电压的1％以下。二次设备内，综合自动化系统中的测量和微机保护或自控装置所采用的各类中间互感器的一、二次绕组之间加设屏蔽层，这样可起电场屏蔽作用，防止高频干扰信号通过分布电容进入自动化系统的相应部件。

2.3 隔离措施

2.3.1 模拟量的隔离变电站的监控系统、微机保护装置以及其他自动装置所采集的模拟量，大多数都来自一次系统的电压互感器和电流互感器，它们均处于强电回路中，必须经过设置在自动化系统各种交流输入回路中的隔离变压器隔离。这些隔离变压器一、二次之间必须有屏蔽层，而且屏蔽层必须可靠接地，才能起到比较好的屏蔽效果。

2.3.2 开关量输入、输出的隔离变电站综合自动化系统开关量的输入，主要是断路器、隔离开关的辅助触点和主变压器分头位置等。开关量的输出，大多数也是对断路器、隔离开关和主变压器分接开关的控制。这些断路器和隔离开关都处于强电回路中，如果与自动化系统直接相连，必然会引入较强的电磁干扰。因此，要通过光电耦合器隔离或继电器触点隔离，这样会取得比较好的效果。

2.3.3 其他隔离措施二次回路布线时，应考虑隔离，减少互感耦合，避免干扰由互感耦合侵入。强、弱信号电缆的隔离，强、弱信号不应使用同一根电缆；信号电缆应尽可能避开电力电缆；尽量增大与电力电缆的距离，并尽量减少其平行长度；一次设备配线时，应注意避免各回路的相互感应；印刷电路板上的布线要注意避免互相感应。

2.4 滤波滤波是抑制自动化系统模拟量输入通道传导干扰的主要手段之一。模拟量输入通道受到的干扰（也称常态干扰）和共模干扰（也称共态干扰）两种。对于串人信号回路的差模干扰，采用滤波的方法可以有效地滤波。因此，各模拟量输入回路都需要先经过一个滤波器，以防止频率混迭。

2.5 软件抗干扰措施软件抗干扰是指在软件设计中采取针对性措施，防止干扰信号窜入微机保护和控制装置内部。二次设备的软件抗干扰主要是在软件中增加滤波程序，把混入采集量中的干扰信号用数字滤波消除或削弱。

3防雷技术

由于雷击过电压行波沿线路侵入变电站是一种很常见的现象，而且又由于线路绝缘水平要比变压器或其他设备的冲击试验电压高得多，所以变电站对侵入波的保护十分重要[6]。

对沿全线有避雷线的线路来说，变电站附近2km长的一段线路为进线段。线路其余长度的避雷线是为线路防雷用的，而这2km进线段的避雷线除了线路防雷，还担负着避免或减少变电站雷电侵入波事故的作用，其重要性大的多。运行经验证明，变电站侵入波雷害事故约50％是由离变电站1km内雷击线路引起的，约71%是3km内雷击线路引起的，所以加强进线段的防雷对变电站十分重要。进线段防雷保护系统通常包括避雷线、接地电阻、避雷器、绝缘配合等，如图2所示。

雷电放电过程会产生强大的静电感应和磁场感应，耦合到电子设备的电源线、控制讯号线或通讯线上，最终把设备打坏，或造成控制设备的误动作。弱电设备这些设备抗过电压能力低，在雷雨季节极易受到雷电波的侵害，造成设备的损坏和误动作。弱电设备的电源系统（包括直流供电系统）可能受到侵入过电压和感应过电压的危害。所以需要对其进行实施综合防护体系，分保护区、分内外层、多级保护实现，包括防直击雷、屏蔽、均压、泄流、接地的全面保护体系，如图3所示。

4结语

在变电站复杂而恶劣的电磁环境中，数据采集系统、通信系统、控制和继电保护系统等弱电设备可能会受到操作冲击、雷电、系统短路故障、工频电流、电压以及多种放电现象引起的电磁干扰。解决好变电站的电磁防护问题是提高变电站运行的可靠性必要条件。接地、屏蔽、隔离、滤波、软件抗干扰、防雷技术等防范措施能够较好完成对变电站内设备的电磁防护，确保设备的可靠运行。

参考文献：

[1]沙斐.关于秦沈高速线绥中站信号设备电磁兼容问题的调查报告.2002.

[2]邬雄,张文亮.电力系统电磁环境问题.高电压技术,1997,23(4):33-35.

[3]何彬.电磁兼容与电力系统自动化.电力系统自动化,1994,18(3):11-18.

[4]赖祖武.电磁干扰防护与电磁兼容.北京:原子能出版社,1993.

[5]王庆斌.电磁兼容[M].大连:大连海事大学出版社,1998.

[6]陈穷,蒋全兴.电磁兼容性工程设计手册[M].北京:国防工业出版社,1993.