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如何解決繼電保護裝置抗干擾問題

時間：2022-01-04

中試控股技術博士為您解答：在繼電保護裝置中廣泛應用微電子器件，但其承受干擾的水平極低、且大多為電磁敏感設備，因而很容易受到干擾的影響和危害，可能會導致保護裝置誤動或拒動等各種異常現象的出現，從而嚴重影響了電網的安全、穩定運行。高壓變電所一次回路強電磁干擾和二次回路本身的電磁干擾，通過感應、耦合和輻射等途徑，引入到半導體型電子元器件上。當干擾水平超過了裝置邏輯元件和邏輯回路允許的干擾水平時，將引起裝置邏輯回路的不正常工作，甚至直接造成這些元器件的損壞。

1 電磁干擾的來源和途徑
       電力系統的電磁干擾源有外部干擾和內部干擾兩個方面：外部干擾是指那些與系統結構無關，而是由使用條件和外部環境因素所決定的干擾，主要有其它物體和設備輻射的電磁波產生的強電場或強磁場，如雷擊、隔離開關操作、中壓開關柜操作、直流電源的中斷與恢復、步話機輻射及來自電源的工頻干擾等等。內部干擾是指由系統結構、元件布局和生產工藝等所決定的干擾，主要有雜散電感和電容的結合，引起的不同信號感應，長線（對高頻信號而言）傳輸造成電磁波的反射，多點接地造成的電位差干擾，寄生振蕩和尖峰信號引起的干擾等等。但是，不論是外部干擾還是內部干擾，都具有相同的物理特性，故而其消除和抑制的措施基本是相同的。
       在高壓變電所內，有多種渠道將電磁干擾源和受干擾的二次回路和二次設備聯接起來，這些耦合渠道包括：輻射、感應和耦合。而被干擾設備接收的電磁干擾水平，往往源于幾種耦合方式產生的綜合效應。
       輻射：高頻感應加熱設備、高頻焊接等工業設備以及電視發射臺、雷達等大功率電子設備都可以通過電磁波輻射，干擾附近的精密儀器及儀表；架空輸電線輻射出電磁場也會通過供電線路侵入電子設備，造成干擾信號。
       感應：同一電纜內的感應，當同一電纜中某一芯線通過很強的干擾電流時，將在其他芯線感應出很高的干擾電壓，并在終端聯接設備上以共模干擾與差模干擾的形式出現。此外，不同能量等級的強電與弱電回路共用同一電纜時，當強電回路的電能突變，也會對弱電回路感應出不能接受的干擾，因而，應當盡量避免這種做法。
       耦合：在開關場，電磁干擾主要經電感耦合、電容耦合及傳導耦合等途徑引入二次設備。
      電感耦合：電感耦合有兩個渠道。
    （1）當隔離開關操作產生的高頻電流或雷電電流通過高壓母線時，在高壓母線周圍產生了磁場,其中的一部分磁通 H2將二次電纜包圍，因此在二次回路中感應出對地的共模干擾電壓傳到繼電保護裝置等二次設備的端子上。如果二次回路來回的兩根芯線在同一根電纜中時，由于相互間間隙極小，中間通過的磁通很小，因而感應產生的差模干擾電壓不大。但如果二次回路的走線不合理，例如同一個回路中的一根導線利用了一根電纜中的一芯，而其回程導線卻利用了另一根電纜的一芯時（例如為了節省纜芯或別的什么原因），由于這兩根芯線間的距離很大，在它們之間將包圍很大的磁通，從而會在同一回路的兩根導線間產生很大的差模干擾電壓，這種設計或施工中的失誤，必須避免。
     （2）通過高壓母線的高頻電流，容易通過接在母線上的集中電容注入地網，電容式電壓互感器（CTV）、高頻通道的高壓耦合電容器就是這樣的高頻電流入地通道。2 電磁干擾對繼電保護裝置的影響
       近年來，微機型繼電保護裝置在電力系統中得到了廣泛的運用。和常規保護相比，微機保護具有先進的原理及結構，安裝調試簡單，運行維護方便，保護動作迅速、靈敏可靠，能自動記錄故障信息等顯著的優點。但是在現場運行過程中，如果運行環境差，抗干擾措施落實不當，則很容易受到外界環境的干擾，造成保護不正常，甚至發生保護誤動作，嚴重威脅到電網的安全運行。

微機保護裝置是以微機為核心的自動控制系統。其硬件組成主要包括數據采集單元、數據處理單元、開關量輸入輸出系統、通信接口及電源。在干擾信號產生后，干擾對模擬電路和對數字部件所造成的后果是不同的。模擬電路在干擾作用下往往使開關電路誤翻轉．在沒有完善閉鎖措施時，將會導致誤操作；數字電路受干擾作用往往造成數據或地址傳送錯誤，從而導致微機運行故障或功能障礙。也能引起保護的不正確動作。干擾對微機保護裝置的影響主要表現在以下幾個方面。

       2.1 計算或邏輯錯誤
       微機保護裝置的輸入輸出數據、微處理器計算的中間結果、控制標志字都存放在隨機存貯器RAM中。在強電磁干擾信號作用下，有可能使存放在RAM中的數據發生變化。這樣，在進行讀或寫數據時，數據總線和地址總線可能在干擾的作用下，發生讀寫錯誤數據，或將數據傳送到錯誤的地址上，造成計算錯誤或邏輯紊亂，引起裝置誤動或拒動。
       2.2 程序運行出軌
所謂程序只是微處理器可識別的機器碼，在干擾信號的作用下，將可能出現微處理器無法識別的機器碼，致使微處理器無法工作。此外，如果干擾信號改變了控制程序流向的標志字時，也將改變運行程序的執行順序，使微機的運行程序出軌，出現死機等問題。
       2.3 元件損壞
       在微機保護裝置中的一些半導體芯片，在強電磁干擾作用下，可能受到損壞，使裝置無法工作。
3 電磁干擾的抑制措施
       3.1 構造繼電保護裝置等電位面
       基于微機的繼電保護裝置的重要特點：一是具有自檢能力；二是具有通信功能。如果微機繼電保護裝置集中在主控制室，為了實現可靠通信，必須將聯網的中央計算機和各套微機保護，以及其他基于微機的控制裝置，都置于同一等電位平臺上。這個等電位面應該與控制室地網，只有一點的聯系，這樣的等電位面的電位可以隨地網的電位變化而浮動，同時也避免控制室地網的地電位差竄入等電位面，從而保持聯網微機設備的地網之間無電位差，保證聯網通信的可靠運行。
       各微機設備都應有專用的、具有一定截面的接地線直接接到地等電位面上，設備上的各組件內外部的接地及零電位，都應由專用聯線聯到專用接地線上，專用接地線接到保護盤的專用接地端子，接地端子以適當截面的銅線接到專用接地網上，這樣就形成了一個等電位面的地網。
       構造等電位面有兩種可能做法，一是將微機保護盤底部已有的接地銅排通過焊接聯通，同時在盡頭用專用100 mm2銅線聯通，形成一個銅網格，這個網格與由電纜溝引來的粗銅導線聯通。借該粗銅導線對控制室的接地點，形成要求的對地網的唯一一點接地。
       另外一種做法，是在保護盤底部的下面構造一個專用的銅網格，各保護盤的專用接線端子，經一定截面銅線聯到此一銅網格來實現。
       3.2 高頻同軸電纜屏蔽層兩端分別接地
       高頻同軸電纜屏蔽層在開關場和控制室兩端分別接地，可以顯著地降低收發信機入口的干擾電壓，保護收發信機的安全運行。若高頻同軸電纜只在一端接地，在隔離開關操作空母線等情況下，必然在另一端產生暫態高電壓，從而可能會在收發信機端子上產生高電壓，中斷收發信機的正常工作。
       3.3 控制電纜屏蔽層在兩端同時接地
       當控制電纜為母線暫態電流產生的磁通所包圍時，在電纜的屏蔽層中將感應出屏蔽電流，由屏蔽電流產生的磁通，將抵消母線暫態電流產生的磁通對電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結果，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通為零，屏蔽層形成了一個理想的法拉第籠。這也和帶有二次短路線圈的理想變壓器一樣，鐵芯中的磁通將為零。
       當雷電經避雷器注入地網，使變電所地網中的沖擊電流增大時，將產生暫態的電位波動，同時地網的視在接地電阻也將暫時升高，與正常交流電阻相比，地電阻常常增大10倍以上。
       當低壓控制電纜在上述地電位升高的附近敷設時，電纜電位將隨地電位的波動而受干擾。因此，接地浪涌電流引起的地電位升高，將可能對低壓控制回路的絕緣配合帶來嚴重影響。
       繼電保護裝置抗干擾措施是一項十分重要的工作，深入開展保護裝置抗干擾措施的研究，對電網安全穩定運行有著重要的現實意義。針對保護裝置實際運行存在的電磁干擾問題，提出了相應的抑制措施，實踐證明能有效提高變電所繼電保護裝置等二次設備的可靠性。