500kV变电站电磁骚扰和防护措施的研究(一)
[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.Italsopresentstheimmunitytestsfortherelayingequipmentandthenconfirmstheimmunityoftheequipment.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