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变电站开关动作瞬间电磁干扰的研究与分析
摘要 随着智能变电站的建设的不断深入，变电站内的电子设备不断增多，由于大量高电压大电流设备的存在，变电站内部的电磁环境非常复杂，很容易对这些电子设备造成干扰，影响其正常运行。在实际运行中发现，变电站的开关动作瞬间会造成比较大的电网冲击，形成较高频率电磁波，具有很强的干扰能力，严重影响电力系统可靠运行。本文通过对变电站内开关动作瞬间的电压和电流分布的计算，对暂态电磁干扰进行了分析，讨论了其对系统的影响，并对暂态干扰的防护提出了相应的措施。
关键词：变电站开关；电磁干扰；防护措施
Research and analysis of transient electromagnetic interference in Substation Switching Operation
Chen Xin
( The construction and management center of Beijing Electric Power Co., Ltd 100000)
Abstract Along with the deepening of the construction of smart substation, there are a growing number of electronic equipments in substation, due to the existence of a large number of high voltage and high current equipment, it is very complicated electromagnetic environment of the substation, easily on these electronic devices cause interference, affecting its normal operation.In the actual operation, it is found that the switching action of the substation will result in a relatively large impact on the power grid, the formation of high frequency electromagnetic waves, with strong interference ability, a serious impact on the power system reliability.Through moments of action of voltage and current distribution calculation of substation switch, for the transient electromagnetic interference analysis, discussed the influence of the system, and puts forward the corresponding measures to solve transient disturbance of the door.
Keywords随着电力系统电网建设的不断扩大，电网电压也在不断升高，电力电子设备在变电站自动化控制中得到广泛应用，在变电站内部复杂的电磁环境下，这些电子设备很容易受到大功率负载、雷电、短路故障、系统冲击等干扰信号的影响，影响其正常工作甚至损坏，从而威胁电力系统的可靠运行。在这些干扰因素中，变电站主回路开关动作瞬间产生很大的电网冲击，其电磁干扰非常严重，很容易对二次系统造成严重影响。[1]本文从开关动作瞬间的电磁过程入手，分析了开关动作瞬间暂态分量的特点和干扰引入的方式，并对电缆屏蔽对干扰的抑制效果进行了介绍，并对干扰的防护提出了一些建议。
1 变电站开关动作瞬间电磁环境分析
图1 变电站空载母线计算模型
图1为500KV变电站母线模型，实验中只对其中一路母线和引线进行分析，且母线为空载，线路和构架对系统的影响忽略不计，L2、L3为两段母线，L1是引线，L1长度为50米，L2长度为90米，L3长度为45米，线路高度为16米，母线的间隔距离为6.5米，引线的间隔距离为8米。母线的外径为51mm。不考虑母线的临近效应和边缘效应，则单位长度母线的电容和电感矩阵为：
单位长度引线的电容和电感矩阵为：
假设母线电源为三项对称余弦理想电压源，母线的初始电压为0，在时刻0对母线加电压。大地的电阻为0，开关为理想时控开关。由Bergeron法计算可得木箱的模式波主抗矩阵和模变换矩阵为：
引线的模式波阻抗矩阵和模变换矩阵为：
图2为2、3、4点由Bergeron法得出的A相电压波形，B相和C相电压的波形和A相相似只不过相位不同，在此不再列出。
图2 Bergeron法A相电压波形
在图2中，A相理想电压源峰值是1V，短时间内1点的电压不会发生变化，开关接通后，母线开始充电，母线L3上各点电压以接近光速的速度依次变为1V，点1输出的电压波形在0.15μS传输到点2，由于母线L2、L3的阻抗和引线L1的不匹配，因此造成波形的反射和折射，计算得出反射系数和折射系数分别为为-0.33和0.66，此时点2的电压大概为0.65V。随后电压以该电压值在L2和L3上继续传播，反射波在L3上的电压值为-0.35V。L3上的电压波形在0.35μS传输到点3，形成反射，其反射系数是1，因此该点电压值翻倍，大概为1.3V。同时波形也传输到点1，由于电源的影响，其电压保持为1V，因此反射系数是-1。波形在0.45μS时传输到点4，形成反射，反射系数是1，电压同样翻倍。同时，L1和L2的波形传输到点2，由于折射和反射的作用，电压幅值翻倍。由于不断的反射和折射，线路上的电压最大几乎达到最初的3倍。[2]
图3 A相电压频谱分布图
对系统电压进行傅立叶变换，可得各点电压的频谱分布图，如3所示。可以看出，变电站内，母线开关接通瞬间，电磁波频谱大部分集中在10MHZ以内，实验结果与现场测量结果相符。
2 开关动作瞬间电磁干扰对二次回路的影响
开关动作瞬间除由于暂态电磁场通过对二次回路形成电磁干扰外，还可能由于电磁和静电感应通过耦合造成干扰，当二次回路电缆带屏蔽层且接地时，以上两种干扰的影响会大大减弱。但当干扰源的频率较高时，干扰信号可能会通过电流互感器和电容式电压互感器以及屏蔽层耦合到系统中。这种耦合通过采用对二次电缆屏蔽的方式不能减弱，只能通过采用增加抑制装置的方式来控制。
2.1开关动作瞬间分量通过电流互感器和电压互感器对二次回路的干扰。
套管式电流互感器是变电站中最常用的电流互感器。当母线中有高频暂态分量通过时，可能会有电磁干扰通过互感器的套管电容和接地线对二次电缆形成影响。
图4 通过互感器接地线产生干扰原理 图5 通过互感器接地线产生干扰等效电路图
如图4所示，IT为开关动作的瞬间电流，CT为电流互感器套管电容，C1为电流互感器一次侧和屏蔽间的寄生电容，C2为二次侧和屏蔽间的寄生电容，LD为接地线电感，ZD为接地电阻，VG为瞬态电流产生的干扰分量，ZIN为二次电缆的输入阻抗，ZL为二次回路末端的负载阻抗，Z0为长度为L的二次电缆波阻抗。当电流互感器中有暂态电流通时，暂态电流由接地线进入接地网，由于接地阻抗的存在，地点位升高，引线电感点位形成，两个电位造成电流互感器的干扰，通过接地电阻、引线电感和电流年互感器二次侧绕组与屏蔽层间的寄生电容，导致干扰电压VG在二次电缆一次端形成。当高频信号存在时，若二次电缆屏蔽层单端接地或不接地时，会在二次电缆末端形成干扰电压和干扰电流。
开关动作暂态分量通过电压互感器对二次侧的干扰的原理和电流互感器大致相同，只不过电压互感器的干扰是通过分压电容引入的。
2.2电缆屏蔽层接地。
（1）电缆屏蔽接地对电场干扰的抑制。
电缆屏蔽网和内部导线之间有耦合电容存在，耦合的电场会产生干扰源，如图6所示，两根互相平行的普通电缆和带屏蔽电缆，普通电缆视为干扰源，其中C1为普通电缆和大地之间的耦合电容，C3为屏蔽和大地之间的耦合电容，C12为普通导线和屏蔽层之间的都和电容，C23为屏蔽电缆屏蔽层和导线之间的耦合电容，X2为屏蔽电缆和大地的共模阻抗，U1是干扰源的电压，U2是屏蔽电缆的耦合电压，U1经由C12和C23耦合至电缆屏蔽层。
图6 屏蔽电缆原理图及等效电路图
图7 屏蔽电缆原理图及等效电路图 当屏蔽层接地时，U1、U2都被短路接地，从而干扰源到屏蔽电缆芯的耦合会被切断，从而产生对电场的屏蔽。从电磁场相关理论和实际应用发现，接地良好的屏蔽层可以对电场干扰起到非常好的抑制效果。[3]
（2）电缆屏蔽接地对磁场干扰的抑制。
如图8两根平行电缆之间会有互感M12产生，当导线1中有电流通过时，会有感应电压在导线2中产生，才能个人造成干扰。当到导线2带有屏蔽层且未接地或单端接地时，由于没有回路形成，屏蔽层中没有电流产生，因此导线2产生的感应电压没有变化，但会有感应电压在屏蔽层产生。
图8 不带屏蔽的平行电缆磁场耦合示意图
图9 带屏蔽的平行电缆磁场耦合示意图 当屏蔽电缆的屏蔽层双端接地时，屏蔽层会有感应电流流过，从而在导体2上产生一个和导体1相反的感应电压，可得导体2上的感应电压为：
式中RS为屏蔽层电阻，LS为屏蔽层自感，可以看出当ω<
（3）电缆屏蔽接地方式分析。
屏蔽层单端和双端接地对电场干扰都具有很好的屏蔽效果，但单端接地不具有对磁场干扰屏蔽的能力。双端接地对磁场干扰的屏蔽效果要好很多。然而当现场条件异常复杂，或者二次设备特别敏感时，可对电缆进行双层接地，外屏蔽层采用双端接地，内屏蔽层单端接地，从而可以对干扰形成很好的屏蔽效果。[4]
3 结论。
在500KV的开关的动作试验中，曾经测得母线电压互感器和二次保护回路备用电缆之间的峰值电压最高可达3.77KV,如此高的瞬态电压对二次回路的威胁是相当大的。为了抑制开关动作的瞬间分量的干扰，首先我们应该对二次回路屏蔽层进行良好接地，做好双端接地或者双层接地；二次回路电缆应尽量远离母线敷设，并尽量减少平行敷设电缆的长度；对于电流互感器和电压互感器除对电缆进行屏蔽接地外，还应在回路中增加浪涌冲击保护器；此外缩短开关的动作时间也可以减少电磁干扰的总量，然而采用该方法时，干扰源暂态分量的最大幅值不一定会减少。母线开关动作瞬间分量的干扰危害巨大，对整个暂态过程的全面深入的研究中还有很多工作要做，同时如何对干扰进行更加有效的防护也需进行更加深入的研究。
参考文献：
[1] 邬雄,张文亮,电力系统电磁环境问题[J],高电压技术,1997,23(4):33-35。
[2] 崔翔,李琳,卢铁兵,尹浩柳等,电力系统电磁环境的数值预测方法及其应用[D],河北保定:全国电工理论与新技术2001年学术年会特邀报告2001.10
[3] 胡世雄,高压电力电缆对控制电缆的电磁干扰问题[J],武汉水利电力学院1979,(1):21-38。
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