浅谈新野110KV变电站中的综自系统电磁兼容问题及解决办法
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【摘要】对电磁兼容接地技术进行研究探讨，分析110KV无人值班变电站中的综合自动化设备因接地分布不合理而出现的电磁兼容问题并提出整改措施和建议方案，为接地设计提供参考。
【关键词】电磁兼容；接地技术；综合自动化；干扰
Abstract：Grounding technology for electromagnetic compatibility.The study，analysis of 110KV unmanned substation comprehensive automation equipment in the electromagnetic shift caused by ground distribution unreasonable compatibility problems and bring forward the measures and proposals，as the ground reference design.
Key Word：Electromagnetic compatibility；grounding technology；integrated automation；interference
随着电力系统容量规模增大，以计算机和微处理机为基础的继电保护、电网控制、通信设备等微电子设备的广泛应用使电力系统的自动化水平得到提高，同时电磁兼容问题也日益突现出来。例如：集继电保护、通信、SCADA功能于一体的变电站综合自动设备出现不明原因的误报警、误显示；装设在高压开关上的10KV保护设备出现通信异常或装置死机等现象。这些现象说明电磁干扰已严重影响二次设备的正常工作及系统的安全可靠性，所以研究变电站综合自动化设备电磁干扰问题并提出相应政策十分必要和紧迫。
本文对电磁兼容的接地技术以及装置和屏柜接地布局进行分析研讨；并针对新野县电业局变电站中的综合自动化设备因接地布局不良而出现的EMC问题，根据接地技术理论分析，提出了综合自动化设备的改造方案。方案实施后取得了良好的效果。
1.接地技术的基本分析
1.1 概述
根据不同的目的或用途，电气设备接地可分为：保护接地、防雷基地、工作接地、评比接地。前二种接地主要是为安全考虑，为安全接线，均要直接接在大地上；工作接地和屏蔽接地主要为电磁兼容性考虑，把电磁干扰引入地。
接地方式包括：单点接地、多点接地和混合接地。因地线布局不合理而产生的“共地线阻抗耦合”与“地环路耦合”是形成接地干扰的两大原因。
1.2 各电路之间的接地布局与连接
为了消除接地干扰，综合采用不同接地方式，各电路之间的接地布局首推使用“树杈型接地系统”方式。
（1）树杈型接地系统。树杈型接地方式实际上市灵活地采用了单点接地方式，将电路按信号特性分组，将相互不会产生干扰的信号放在一组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地。这样使得接地系统既不形成“共地阻抗”，又不产生“地环路”，可解决电磁干扰问题。
（2）地支线。地支线是树杈地线系统的组成部分，它存在的目的有二个：①保证多级并联一点接地的树杈结构形成；②减少地线数量，使空间不拥挤且相互干扰少。比较复杂的产品，地支线可分为四条或三条，对于较简单的产品也可分为二条。
地支线可分为模拟地支线（Ga）、数字地支线（Gd）、功率地支线（Gp）、安全地支线（Gs）。对于某些产品或机柜内大小信号相差不大时，只用一条信号地支线即可，不分模拟地支线、数字地支线；也可将功率地支线与安全地支线合并。信号地支线应与功率地支线或机壳地支线相绝缘。每个地支线上均连有若干同类电路（电平相近，互干扰小），而这些电路也应尽量有各自的电源，构成一个个独立回路，不宜混连，以减少共阻抗干扰。
（3）地母线。地母线一般为汇流条（线），连在地支线端点，用以建立同一类型的不同电路的公共电位，并与地支线沟通。地母线与地支线要一点互连。
（4）保证树杈接地系统部受破坏的注意事项：
a.接地线应绝缘，尽量避免用编织线，以防接触不良和碰壳形成地环路。地线容量不够（阻抗台大），可换粗线或并线，但不可跨接别的地线，以免形成“共地阻抗”和“地环路”的干扰。
b.不要随便往机壳上接地线，否则会破坏树杈结构。
c.增加或外连设备时，切忌破换一点接地原则：①外连设备多为监控、通信之类。如距离近、信息量大，应考虑把地干线合用一个地桩，以求地电位一致。同时，在信号传输中，也应保证一点接地或用变压器、光耦器等手段加以隔离防止形成地干扰。②对距离远、信息量少的外连设备，不一定要共用一个地桩，但应保持一点接地，必要时可加隔离。同时，传输线的底层应有保护绝缘，以防多点碰地形成环路。③对新增设备，也应一点接地。有些新设备的机壳底板就是信号地，却用钢螺栓连在柜体上，导致信号地与安全地跨接，引入干扰。
2.装置和屏柜的接地布局
2.1 单台装置的接地
一台装置要实现设计要求，往往含有多种电路，不如低电平的信号电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）、高电平的功率电路（如供电电路、继电器电路等）；另外，为了安装电路板和其他元器件和抵抗外界电磁干扰需要外壳具有一定机械强度和屏蔽功能。根据树杈型接地系统方式，典型装置的接地布局如图1所示。
图1 单台装置接地
单台装置的接地应注意以下几点：①为防止机壳带电，危及人身安全，机壳应接安全地；②为防止高电压、大电流电路和强功率电路对低电平电路的干扰，应将他们的接地分开。前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地），而信号地又分为模拟地和数字地，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。
2.2 屏柜的接地
当多个装置组成一个系统安装在一面屏柜上时，屏柜内应设供多个装置信号地线接地的公共接地板，接地板铜排的截面应补小于100mm2。功率地线和装置机壳地线可通过接地螺栓直接在屏柜的机壳上。
屏柜的接地应注意以下几点：①屏柜内各装置的信号地线均应与功率地线、机壳地线相绝缘。信号地线应采用绝缘铜绞线或电缆，不允许使用裸铜线，不允许与其他接线混用；②各装置的信号地线分别引接至屏柜内的总接线铜排；③总接地铜牌应与屏柜壳体绝缘。
2.3 系统的接地
（1）当多个屏柜组装在一起形成一个系统时，若屏柜太多，将导致地线过多。对此，可以考虑铺设两条互相平行且与系统外壳绝缘的半环形接地母线；一条为信号地母线，即总接地铜牌；一条为屏蔽地及机柜外壳地母线。系统内各信号地就近接到信号地母线上，系统内各屏柜及机柜外壳就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上，两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上。
（2）接地母线与接地体之间的连接应采用焊接，不允许采用压接。
南阳新野110KV无人值班变电站于2010年投运，在半年多的时间内，安装在高压开关柜上的10KV线路、电容器等保护测控装置发生了十几次装置遥测不刷新、通信管理机通信中断或死机等异常现象，给变电站安全运行带来了极大的威胁。该变电站10KV系统是通过422端口与安装在主控室的保护通信管理机通信。在异常现象发生后，通常可以通过复位通信管理机或保护测控装置使通信恢复正常，但某些时候需更换插件后才能恢复正常。
针对这些现象，新野电业局组织相关人员进行仔细分析并要求厂家在实验室对相关产品进行试验，根据试验结果及现场环境的分析，初步认为存在电磁兼容问题。10KV高压室的电磁环境比较恶劣，对微电子设备产生的电磁干扰影响了装置的正常工作。为了更号的找出原因，在2011年7月新野电业局与厂家在该变电站进行了电容器投切的干扰试验。具体测试数据如下：①通信电缆的通信芯线对大地的干扰峰峰值达700-800V、频率为16MHZ；②通信电缆的屏蔽层对大地的干扰峰值达700-800V、频率为16MHZ；③保护装置机壳地对大地的高频干扰峰峰值达400-500V；④相邻屏的保护装置机壳对大地的高频干扰峰值达到200-300V，相邻两屏的电压差较大。测试的同时对现场布线和接地情况进行了检查，发现保护测控装置地及通信电缆屏蔽层通过螺栓接在开关柜的柜体上，10KV电力电缆的屏蔽层也接在开关柜的柜体上，开关柜柜体通过槽钢接地。用数字万用表测量槽钢与地网之间的电阻，在1-2欧姆之间跳动。
为了比较其他变电站的运行环境，另外又在采用Lonwork网络通信的110KV果园变电站进行了类似投切电容器的测试，测试结果如下：①保护测控装置的机壳对大地的高频干扰峰峰值达200-300V；②操作电容器时在相邻屏的保护装置机壳对大地的高频干扰峰值达200-300V，相邻两屏之间的压差较小。用数字万用表测量槽钢与地网之间的电阻，万用表显示固定值0.15欧姆。可见各类指标均小于新野110KV变电站。
由以上的测试结果可知，10KV开关在操作时将产生很强的电子干扰，对装在开关柜上的微机继电保护装置将带来严重的影响。根据国外一些厂家的测定，在开关合闸过程中，由于重燃将在数纳秒内产生数千伏的快速电压变化，从而在开关附近产生极强的电磁场。所以对装设在开关柜上的保护装置必须做好防护措施，以降低电磁干扰水平。根据现场的检查，认为至少有两个主要因素导致导致新野变电站10KV综合自动化系统不能正常工作：①接地布局不合理：保护测控装置、通信电缆屏蔽与电力电缆屏蔽与电力电缆屏蔽层共地；②高压室的接地电阻偏大。另外认为10KV监控系统网络通信自身的抗干扰能力也较差。
根据以上分析，并结合实际情况，认为要改善高压室的接地、降低接地电阻困难较大，赞不考虑。先提出两个解决方案：①改进保护测控装置的接地布局；②将保护通信管理机通信方式由422端口改为485传输方式，以提高通信抗干扰能力。
2011年6月，按解决方案2完成整改后，系统运行情况有所改善，但效果不明显，还偶尔出现以往的异常情况，电容器及操作10KV开关时对微电子设备的电磁干扰依然存在，且长期冲击的积累将导致保护测控装置芯片的软击伤。要彻底解决问题必须对保护测控装置进行接地改造，给系统一个良好的运行环境。
4.变电站保护测控装置的接地改造方案
4.1 保护测控装置的接地情况
开关柜内一次设备的接地参照交流电气装置接地的相关规定。二次设备主要是保护测控装置的接地问题（电度表不接地）。保护测控装置有三个接地点：①装置的逻辑地。即信号地；②装置的机壳接地；③通信电缆屏蔽层的接地。原有的接地情况是：三个接地点均通过安装在开关柜上的接地螺栓，进线高压电缆的屏蔽层也接在开关柜上。
4.2 接地存在的问题
根据以上对接地技术的分析，可以看出10KV开关柜的接地存在以下问题：①保护蹭课装置的信号地线与装置机壳地线接在一起；②保护测控装置的信号地线与开关柜体接在一起，即信号地与安全地混接在一起，引入干扰。特别是当开关动作时，电磁信号可通过地线引入保护测控装置，导致电路不能正常。
4.3 接地改造方案
对上述装置和屏柜的接地布局方案进行如下改造：①开关柜内设置一个100mm2接地铜排；②保护测控装置的逻辑地与通信电缆屏蔽层接到接地铜排上；③保护测控装置的机壳地接至开关柜的机壳上，开关柜机壳安装在钢条的导轨上；④由于10KV高压室内有二十几面开关柜，所以铺设了一条与钢条导轨相平行并半形接地铜排，每套保护装置的信号地线都接到接地铜排上。其中由以免开关柜的总接地铜排引出地线接至安全接地网。
2012年3月改造完成后，效果良好，至今未出现前文所谓之异常现象。
5.结论
随着变电站的小型化、自动化以及设备紧凑程度的不断提高，电磁干扰的问题将会更加突出地显现出来。电力系统电磁兼容问题必须从设计这个源头进行控制，如采取屏蔽、隔离、接地或通过合理的平面布置等措施，否则将造成严重后果。