[作者：孙竹森 张禹方 张广州 邬雄 聂定珍|转贴自：武汉高压研究所|点击数：673|更新时间：2005-1-24|文章录入：sjnh]
摘 要：根据现有的数据和资料，对变电站的电磁现象及其骚扰源的强度和特性进行分析；确定继电保护设备所应进行的电磁抗扰度试验及抗扰性能，得出这类设备应用于高压变电站开关场地时，应采取的保护措施。
关键词：变电站 电磁骚扰 继电保护设备 抗扰度StudyonEMDisturbancein500kVSubstationandProtectionMeasuresAbstract：basedonsomeofthedataandinformation,thispaperanalyzestheintensityandcharactristicoftheEMphenomenaandtheirsourcesintheHVsubstation.Italsopresentstheimmunitytestsfortherelayingequipmentandthen/confirm/istheimmunityoftheequipment.TheprotectionmeasuresoftheequipmentusedintheswitchyardinHVsubstationisfound.
Keywords：substation electromagenticdisturbance relayingequipment immunity▲0 概 述在变电站复杂而恶劣的电磁环境中，会出现工频电流和雷电、操作冲击以及多种放电现象的电磁骚扰。随着变电站一次系统电压的升高、容量的增大，电磁骚扰可能更加严重。为此，研究变电站的电磁现象及其骚扰源的强度和特性，并通过试验确定保护设备的抗扰性能，提出应采取的保护措施是本文的重点。1 高压变电站电磁骚扰的产生及强度1.1 变电站电磁骚扰的起因
变电站的电磁环境虽然复杂，但产生电磁骚扰的主要起因可归纳为［1～3］：
1)高压隔离开关和断路器的操作；
2)雷击线路、构架；
3)系统短路故障；
4)工频电流的作用；
5)局部放电(电晕、沿面放电)；
6)二次回路中的开关操作；
7)静电放电；
8)无线电发射机(对讲机)；
9)电源本身的电压波动、暂降、短时中断、频率变化及谐波等。
1.2 高压变电站电磁骚扰的特性
1.2.1 开关操作引起的骚扰
1)变电站中主要有几种开关操作：
——隔离开关切合高压母线；
——断路器切合高压母线和高压线路；
——投切电容器组；
——投切空载变压器及电抗器。
由于电容、电感均为储能元件，当开关操作使其状态发生变化时会产生暂态过电压。而开关操作母线上接有其它电气设备，构成了复杂的振荡网络，决定了暂态振荡电压波形包含多种频率分量的衰减振荡波。这一暂态过程可通过母线上连接的CT、PT及CVT等直接耦合到二次回路中。因此，在二次回路中可出现大量快速衰减振荡的脉冲，图1为某500kV变电站隔离开关断开时，二次回路的电压电流暂态波形。图1 二次回路的电压电流暂态波形2)开关操作的暂态电磁场特性
开关操作产生骚扰的频率一般为0.1～80MHz，每串骚扰波的持续时间为10μs～10ms。如，隔离开关单相合、分闸时，二次回路中暂态电压的幅值和重复率(即单位时间内出现电弧重燃的次数)与动触头运动时间的关系曲线见图2。分闸初期重复率很高，暂态电压幅值较小，随触头间距离的加大，重复率减小，幅值增大。合闸时则相反，暂态电压的幅值随触头运动时间增大而减小，重复率则增大。但在分闸过程刚开始和合闸过程即将结束的一段短时间内，重复率随动触头时间的变化出现相反的规律。其主要原因是这段时期断口距离很小，间隙的介质恢复速度较慢，重燃电压低，高频电流小，电弧在工频电流过零时熄灭，重燃次数减少。
图2 二次回路中暂态电压的幅值和重复率3)开关操作的暂态电磁场强度
开关操作所产生的暂态电流流经母线(或电气设备间的连接线)时，向周围辐射电磁场。据有关资料介绍，美国对变电站中操作暂态电磁场实测工作做得较多。表1列出了美国在115、230及500kV户外变电站中的实测结果。测点在母线下方地面，操作是断开一段短母线(115kV母线长48m，230及500kV母线长8～9m)。115、230kV断路器为油断路器，500kV断路器为SF6断路器。图3为不同电压等级变电站中暂态电磁场的波形图。
图3 不同电压等级变电站的暂态电磁场表1 高压变电站中电磁场的实测结果
参 数
平均值
最大值
电场/(kV.m－1)
115kV站
3.7
3.8
230kV站
0.9
1.0
500kV站
5.6
7.0
磁场/(A.m－1)
115kV站
0.62
0.70
230kV站
5.30
9.00
500kV站
19.00
22.00
这种暂态场随距离衰减。该暂态场由开关操作引起暂态电流产生，若把母线当作骚扰源天线，则随与骚扰源天线距离的增加，暂态场幅值有明显的衰减趋势。但是，暂态场中含有多种频率，衰减不明显。某一位置的观察点对电流高频为远场；对低频则为近场。远场中电磁场随对源的距离按线性衰减；而近场中电磁场则视场源的性质，分别以对源距离的二次和三次方衰减；再加上周围接地或其它物体的折反射，变电站中干扰源与距离的关系不能以简单的关系计算。
4)二次回路的开关操作
由于电磁继电器的大量使用，二次回路自身工作时，要经常闭合或开断继电器或二次系统的低压电源，在二次系统自身内部产生“中等频率振荡的暂态电压”。
1.2.2 雷击、故障时接地大电流引起的骚扰
1)雷电冲击
a)雷击高压线路、杆塔、避雷线时引起的绝缘子闪络或雷击大地在线路上产生的暂态过电压，经测量用的互感器(CT、PT、CVT)传递到二次回路。
b)雷击避雷线或杆塔或变电站构件时，流入接地系统的暂态电流地电位发生变化，使流过在不同两点接地电缆外皮的电流增加。
雷击高压线或变电站接地元件时，脉冲峰值越高，二次回路中过电压值也越大，脉冲上升时间越短，二次回路中的过电压也越大。据有关资料，1.2/50μs波形雷击变电站在二次回路中产生的瞬态过电压测量最大值可达2.15kV；而二次电缆外皮的骚扰电压最高可达30kV，其频率可达几MHz。
表2是国外某研究所在5个变电站施加不同的冲击波，在二次回路中所形成的过电压最大值实测部分结果，瞬态过电压是在变电站继保室的二次回路终端测量的。表2 二次回路中瞬态过电压最大值
变电站
雷电冲击波
二次回路中瞬态过电压
最大值/kV
峰值
/kV
波形
/μs
PT
CT
指令-信号
-电路
TS“Nikola
TeslaA”220kV
1150
1.2/50
1.0
2.0
2.15
1.2/50*
2.95
8.90
9.95
*在前沿截波2)高压母线单相接地故障
如果变电站内系统对地短路，大电流经接地点流入地网，则接地点乃至整个地网的电位升高。如果二次回路和接地网的连接点靠近大电流的入地点，则电位随之升高，在二次回路中造成共模骚扰电压。从武汉高压研究所对变电站内高压母线单相接地时，在二次电缆上产生骚扰电压的研究结果看，电缆芯线电压可从几十V到近10kV，且暂态电压远超稳态，频率约为几kHz到几百kHz。
1.2.3 高压线路产生的工频电磁场
户外变电站高压线路或汇流排产生工频电磁场。一般，电压等级越高，产生的电场越大，磁场减小。在载流约0.5kA的线路母线下，220kV站的工频磁场为14A/m，400kV为9A/m。
1.2.4 其它骚扰源
1)静电放电
控制设备可遭受到工作人员向金属外壳或电子线路静电放电的影响。人体最大静电电压可达15kV或更高，在采取防范措施后可降4kV以下。
2)无线电发射机
变电站工作人员用的通信工具(对讲机)是变电站内高频场的主要来源。一个5W对讲机在50cm处产生电磁场的场强约为7V/m。而持机的工作人员一般离电子设备有50cm远。广播发射机(0.15kHz～20MHz)的场强可忽略(<100μV／m)。此外，电晕、火花放电及局部电火花等会产生电磁辐射，高频载波也产生不容忽视的辐射骚扰。
1.3 变电站内区域的划分和电磁骚扰水平
在变电站内，设备所处位置不同，其受干扰的强度也不同。变电站内的位置一般可分为：
1)一般性区域，如控制楼，继保室；
2)受保护的区域，如控制楼的屏蔽室。
变电站中、高压开关场地中工作的设备所遭受骚扰水平，按严重情况考虑的数值见表3。表3 变电站开关场地的电磁骚扰水平
骚扰现象
信号端口
交流电源端口
直流电源端口
冲击/kV
2
4
2
脉冲群/kV
2
4
4
辐射场感应传导/V
10
10
10
振荡波/kV
1(0.5)
2.5(1)
2.5(1)
注：括号内的数值为差模情况下的电压值电磁骚扰以传导和辐射的方式通过设备的端口(见图1)来影响设备的性能；且骚扰现象的性质和骚扰程度与端口的类型有关。如辐射骚[1][2]下一页
