变电站技改工程中的电磁兼容设施改进实施
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摘要 针对老变电站技术改造工程中，广泛存在原本适合于工频模拟量检测工作原理设备的电磁兼容设施，已不适应数字式微机型装置的抗干扰要求的问题，根据国家电网公司调通中心在相关文件…的要求，以及技术资料的指导，在老变电站技术改造工程中采用了新的电磁兼容技术：建成等电位接地网、减少和缩短接地引线、采用新型屏蔽控制电缆等改进措施。在没有对接地网等其他方面做更多新的改造条件下，以上改进效果良好，已得到了初步验证。
关键词 变电站 技术改造 电磁兼容
1 任务及目标
1.1 企业战略对专业技术的要求
建设“一强三优”现代公司是国家电网公司确定的发展目标。建设坚强的国家电网，最基本的要求是电网运行的安全可靠性高。与时俱进，采用先进实用的新技术取代与先进设备不相适宜的落后技术，有助于提高相关设备的可靠运行，确保变电站安全可靠运行，是供电电网运行维护工作者应努力实现的目标。
1.2 目标描述
改善变电站电磁环境，是提高设备的安全可靠性，有效防止事故发生的重要措施之一。具体落实国家电力公司调通中心在《十八项电网反重大事故措施，继电保护专业重要实施要点》(以下简称“要点”)中提出了在变电站搭建“等电位接地网”，以及二次回路抗干扰措施，使得继电保护及其他装置在雷电、电网故障和高压设备操作过电压的强干扰中能正常运行，进一步提高设备的正确动作率。
1.3 实施范围
在对旧、老变电站的改、扩建工程中，应用新技术措施提出的要求，对全站电磁兼容设施进行全面检查，查找出不合要求的做法和设施，并实施改进，消除电磁干扰耦合途径。主要包括四个部分：主接地网、地面等接地网、设备金属外壳接地，以及电缆屏蔽接地等。
2 实施工作流程
2.1 完成工作的组织机构
(1)成立技术小组，负责对现场设施进行检查，根据检查情况提出设施改进措施的计划。
(2)项目负责人负责工具材料的准备及施工人员的技术交底，以及注意事项的提醒。
2.2 流程图
流程图见图1。
2.3 流程过程控制说明
2.3.1 电磁干扰事故现象统计
在本单位收到该变电站技改工程项目(尤其是二次线设备改造)的工作任务后，就要对变电站设备运行现状进行充分的调查了解，以便改造工作圆满有效地进行。
因操作高压电器产生的过电压、电网接地故障暂态高频分量，以及雷电涌流产生的浪涌电压的频带很宽，峰值很高。微机保护装置及自动化设备对高频信号敏感，容易受到高频干扰的伤害。高频骚扰波可通过各种耦合途径传导到二次回路，从而造成设备损坏和装置不正确动作事故。因此，统计装置在以上状态下视出故障的次数多少，可了解该变电站电磁干扰是否存在，以及问题存在的严重程度。
2.3.2 将调查情况通知设备生产厂家
电磁干扰造成设备故障不外乎两种原因：其一是设备抗干扰能力较差；其二是变电站电磁环境恶劣，电磁干扰能量过于强大所致。厂家可根据该设备的普遍运行状况，结合该变电站设备故障现象进行综合分析，提出他们的意见以作参考。
2.3.3 分析判别问题所在
对厂家提供的分析资料进行进一步分析判别，确定问题是出在厂家设备还是变电站本身。
2.3.4 问题出在产品质量上的应对措施
如果厂家自认为是产品缺陷时，一方面要求差价更换设备或升级换代，消除事故隐患；另一方面，将此情况告知设备采购方，在新采购的设备时避免重韬旧辄。
2.3.5 问题出在变电站的必要条件
厂家提供的产品必须是有两年以上成功运行经验的成熟产品；指出变电站存在严重干扰的几种可能性，并协助现场查找问题所在。
2.3.6 厂家提供技术咨询
如厂家在提出是变电站电磁环境恶劣后，为保证以后设备的安全可靠运行，应协助运行维护人员消除干扰源和干扰耦合途径。为做好这项工作，有必要提供技术支持和有关知识讲座。
2.3.7 排查问题
随着微电子设备在电力系统中的广泛应用，使电磁兼容问题越来越突出。已引起了国家电网公司、科研部门及设备制造厂家的重视。
目前，装置的抗电磁干扰性能已得到全面地提升，但在现场运行中的微机装置在雷电或操作高压电器中还会出现异常状态，甚至损坏装置；仍在电网发生严重故障时，微机保护装置出现不明原因的不能正确动作，……。其实不难看出，电磁干扰仍然在影响着变电站的运行安全。
虽然国家电网公司及科研部门已认识到这一问题，并从行政管理和技术应用上提出了如何应对策略：国家电网公司也发文《(十八项电网反重大事故措施)继电保护专业重要实施要点》(以下简称“要点”)；国家电力科学院已翻译出版《发电厂和变电站电磁兼容导则》(以下简称“导则”)介绍电磁兼容新技术，为采用抗干扰新措施提供了有力支持。在此以“要点”为导向，以“导则”为基准，对变电站内的与抗干扰措施有关设施进行全面的检查。
(1)地下主接地网
地下主接地网主要是适用于向大地土壤疏散接地电流，同时也能起到降缓电磁干扰能量的作用。在旧变电站改造中，由于有的变电站多期扩建，或运行年代已久。变电站掩埋于地下的主接地网有可能在某些地方断开，不同地段的接地网出现较大的接地电阻。在出现地电流时，有可能从地表面的接地体中流过的电流较大，如电缆屏蔽体、接地铜排等。从而产生磁耦合干扰和共阻抗耦合干扰。所以要检查接地网各处的电阻率是否平衡，不平衡说明不是一个完整的接地网，需要重新连接。一个完整的地下接地网能有效的协助地面等处接地网降缓电磁干扰。
(2)等电位接地网
①接地铜排是用于搭建等电位接地网的低阻抗导体，其作用是将所有不带电导电体及设备外壳连接在一起，构成纵横交错的地面接地网。因此，屏柜底部和电缆沟道的接地铜排应与柜体及其它接地体连为一体，而不应该采用绝缘子隔离。
然而，现在不少人错误认为敷设接地铜排就是建等电位接地网，并且还认为等电位接地网与接地极是两个互为独立的接地设施。所以，在搭建等电位接地网中，没有用接地铜排将不带电导体搭接成统一的接地网，并且在接地铜排与接地体间还采用了绝缘子隔离措施。这种错误的做法不但不能起到降缓电磁干扰的作用，而且适得其反。
为满足用户要求，现在的设备在出厂时屏内接地铜排大多都装有绝缘子，并将铜排用导线接地。这只能是增加接地回路的接地阻抗。对此应予更正，取消绝缘子，保持接地铜排与其它接地体之间良好地电接触，可减小接地网格的面积。
②接地导体在敷设中要构成网格，网格包围的面积越小越好。于是要求各屏柜之间的接地铜排要首尾相连，构成闭合环路，一定不要出现开环的断口，这些都 是降低接地回路阻抗的重要措施。
(3)互感器二次回路应在开关场接地
从电磁兼容方面讲，由雷电和高压操作产生的浪涌电压的频带很宽，高频部分可通过一、二次绕组间的耦合电容传导到二次回路，而且这种传导是不遵循互感器线圈匝数比等相关的变比关系，耦合进二次回路形成共模干扰。如果不在开关场就近接地即刻将干扰泄放入地，而是将其传导进控制室的过程中，会通过多种环节耦合进装置，对二次回路设备构成极大的威胁。在现场运行维护工作中发现，直接与电缆连接的装置插件损坏较多可能与此有关。因此在“导则”中强调必须在开关场接地，即使有多组互感器二次回路相连，采用隔离手段实现各互感器二次回路在开关场一点接地。这有利于抗干扰，更有益于安全。除了避免阻抗耦合干扰，将一、二次绕组的接地点分开外，还需将二次回路接地与屏蔽地都要在互感器箱体上接地，尽可能减少中性线和接地连接线所形成的环路，而不是分开链接到接地网(见图2)。
在电力行业技术规程中，对有关互感器二次回路中性线一点接地的接地位置选择已做了较全面的阐述：其一，单组电流互感器的二次回路中性线在开关场一点接地；其二，多组电流互感器的二次回路有相互连接的中性线在控制室一点接地，如差动保护等。
然而，目前大多数工程在设计和施工安装中，一见到差动保护就在控制室内接地，而不管差动保护各组电流互感器是否被TA隔离，已成为相互之间没有电路联系的单组电流互感器。这种将差动保护各单组电流互感器在控制室一点接地的做法，给设备带来事故隐患。
另外，对于有电路联系的电压互感器二次回路的接地点目前只能选择在控制室内。在对电压互感器二次接线稍作改动，将不同PT的中性线不是直接连接在一起，而是纳入电压切换回路，也同样具备在开关场接地的条件。因此建议在新规程修改中，强调把互感器二次回路接地改到开关场内，取消在开关场将二次线圈中性点经放电间隙接地的建议，以避免两点接地的情况发生。
(4)屏蔽电缆的屏蔽体及其接地
①屏蔽电缆屏蔽效能不高
变电站二次回路受干扰主要来自由电缆引入的传导性干扰，电缆的屏蔽效能的高低，直接影响到其连接设备的安全。从图3中可见，目前变电站所使用电缆的屏蔽层结构多为铜带螺旋绕包和铜丝编织网，其转移阻抗随频率的升高而升高，屏蔽性能不好。这是因为两者的屏蔽结构存在纵向不连续的问题。因此当屏蔽体感受到高频干扰源时，屏蔽内的电流不能平行于轴向流动，降低了反射屏蔽效果；又因表面横向有断口，表面涡流吸收干扰的能力也不好。于是，高频骚扰波透入屏蔽体内产生干扰。
铜丝编织网的网孔能让干扰波穿透屏蔽体进入电缆内层空间，作用到电缆芯线也会形成干扰电压；随着电缆安装时间的延长，编制网中的铜丝表面氧化后，彼此不能在电路上连通，因而也不具有对骚扰源以涡流转换成热能的形式加以吸收损耗的作用。这种不良影响将随频率升高而升高。使电缆在高频信号下的屏蔽效能降低。
②管状屏蔽结构的屏蔽效能
目前，对电站使用的电缆的抗干扰效能，国际上还没有一个明确的检验标准。考虑到干扰耦合方式中，感应耦合干扰是变电站中电磁干扰的主要耦合方式，所以常用“转移阻抗”Z1Z1为电缆芯线中屏蔽间电压与屏蔽层中流过的电流之比)的大小来间接的鉴别屏蔽电缆的屏蔽效能高低，转移阻抗低，则屏蔽效能高。电缆的转移阻抗是由屏蔽层结构方式所决定，是在电缆生产中形成。屏蔽层结构形状不同，电缆的转移阻抗就不同，其值越低越好。图3显示了几种不同结构的屏蔽电缆的转移阻抗随着频率变化而变化的实验曲线。
从图3(“导则”提供)可见，在对微机型装置最敏感的高频信号下，铜管的转移阻抗随着频率的升高而降低，并降到可显示的最低值。也就是说，管状屏蔽电缆对高频信号的屏蔽效能最高。可见，在本变电站实现综合自动化后，主要考虑防高频干扰为主的前提下，应采用纵向连续的管状屏蔽电缆是最相适宜的，有助于改善变电站的电磁环境。
③减少或缩短接地引线
等电位接地网是实施电磁兼容技术的基础装备，许多抗干扰措施的有效性如何，很大程度上看是否利用了等电位接地网。因地制宜的应用好了等电位接地网，就可获得更好的抗干扰效能。否则，可能使所采用措施完全失效。
如果电路不是借用机箱与柜体接通，或柜体不是与接地网搭接，而是经长引线接地，即在接地回路中串入了一个电感(考虑引线自感1μH／m)。如装置安装在屏柜的上部，到屏柜底部的接地铜排的接地引线长达2m以上，对高频(假定10MHz)骚扰电流形成了较大的接地电抗(ωL=126Ω)。如变电站遭雷击或电网发生弧闪等接地故障，将产生强骚扰磁场时，长电缆和接地引线构成的接地环路中如感应高频电流(如10A)，将产生较高的共模干扰电压(1260V)，可造成装置损坏。
在柜体与等电位接地网实现低阻抗搭接后，柜体就成为地面向上延伸的接地母线。在装置的组屏装配中，实现机箱与柜体的搭接，以保证机箱与柜体低阻抗连接。这样，装置接地就可利用机箱金属外壳经柜体实现无引线接地。
在工程施工安装中，为避免屏柜和装置外壳表面的涂覆层使装置与屏柜不能在电气上连通，需卸下装置的接地引线检查装置外壳是否与地连通。假如装置外壳与接地体未连通，需要把装置固定于屏柜的螺丝取出，在装置外壳与屏柜间插入一个锯齿垫圈后，重新上紧固定螺丝，确保装置外壳与柜体的可靠连通。
④管状屏蔽电缆的安装
电缆屏蔽层采用连续纵包成管状结构后，与其表面用挤朔工艺加工的电缆外护套复合为整体，增强了电缆护套承受的外力，可承受所有外部挤压拖拽和敷设电缆时的纵向拉力。另外，屏蔽层所采用的铜带在纵包时进行了波纹轧制，有利于弯曲、电缆柔软性好，敷设方便灵活。
电缆屏蔽层为铜带，可以与接地引线很方便的连接，其方法与铜带绕包屏蔽层相同。
2.3.8 实施改进
(1)对站内各区域的主接地网进行接地电阻测量，不同处所测得的接地电阻相对误差很小(5％以内)，主接地网是完整的。
(2)按等电位接地网的要求做好屏柜间铜排的首尾连接成环，室外接地铜排构成环路，不应在断口。
(3)电流互感器的二次回路中性点在开关场一点接地，包括主变差动保护的电流回路。
(4)全站的控制电缆采用了KVVP2-G管状屏蔽电缆；对各接地点采用了就近接地的做法，以满足尽量缩短接地引线的要求。
2.3.9 验收
(1)查看主接地网接地电阻测量记录，验证接地电阻相对误差，确认主接地网是完整的。
(2)直观查看屏柜间铜排是否首尾连接成环；在电缆沟转角处和端头撬开盖板，查看室外接地铜排构成环路，不应在断口。
(3)到开关场查看电流互感器的每一组二次回路中性点是否仅在开关场端子箱处一点接地，包括主变差动保护的电流回路。
(4)检查全站的二次电缆屏蔽层是否两端就近可靠接地，满足尽量缩短接地引线的要求。
3 效益评价
3.1 湖北大冶110kV永胜变电站改造前电磁干扰引发的事故
大冶110kV永胜变电站技改工程是我工区第一个采用上述电磁兼容新技术的工程。该站在本地区各变电站中设备故障率是最高的，尤其是在有雷电发生时和高压电器倒闸操作时。表1为几年来的事故统计，所有事故的起因不是大气过电压，就是高压电器操作过电压，此时产生宽频谱干扰所至。
从表1中所记载的内容还可发现一个规律，前三次事故间隔是2年半左右，后来的事故时间间隔缩短到一年、半年了。
从事故原因可见，雷雨产生的大气过电压和电器操作产生的操作过电压引发的干扰所致。因此在对变电站电磁兼容实施全面地技术改造，必须采用抗干扰新技术，提高变电站的抗干扰能力，以此提高变电站的运行水平。
永胜变电站综合自动化系统改造于2008年3月31日正式开始实施，除更换设备和敷设部分电缆外，对地面上的等电位接地网做了上述处理(地下的接地网未动)，于2008年4月30日全部完工投运，至今已有一年之久，已取得了良好的技改效果。
2008年5月16日110kV线路故障，继电保护装置正确动作切除故障，110kV进线备用电源自动投入，保证了变电站的连续供电。5月底本地区雷雨天气开始出现，特别在2008年6月10日大冶地区10年一遇的雨雷电天气中，变电站处于电闪雷鸣、暴雨倾盆之中，户外高压电器电晕闪烁，放电声噼叭作响，此时的电磁骚扰是很强的。然而，整个保护控制系统运行正常，新改造后的电磁兼容设施有效地防范了雷电的强骚扰，保证了全站综自设备运行正常，经受了改造后的首次强雷电考验；2008年6月22日夜晚城区持续雷电天气近6个小时，此期间多条10kV线路发生故障，其保护装置均能正确动作，及时地切除了故障，确保了健全线路的安全运行。此时，全站综自系统运行正常，无一误动。在新改造系统经受强雷雨恶劣气象考验的同时，变电站也进行了多次高压电器操作，同样也经受住了操作过电压的干扰考验。如果不是有这次变电站的合理改造，在此环境下很难获得如此安全运行的结果。
4 结束语
我们作为集变电站运行维护、技术改造工程施工于一体的工作人员，为了确保设备的安全运行，更注重于在工程施工安装的质量和使用性能优越的安装材料。在永胜变电站技术改造工程中，我们按电磁兼容新技术的要求，设备运行中的电磁环境已得到了比较好的改善。在以后的运行中，注意设备的每一个细小异常变化，并做好统计分析，与实施技改工程前的设备运行状态作比对分析，从中总结出好的经验，以便运用到后续的工程中，从而降低事故率，减少运行维护工作量，将变电站安全运行水平提高到一个崭新的阶段。