浙江大學碩士學位論文 摘要 摘要 隨著我國電力工業技術的快速發展 電網規模不斷擴大 電網結構日趨復雜 系統容量也在日益增長 而作為對電力系統一次主設備進行控制 測量 監控 保護的二次設備組成的系統即電力系統變電站二次系統則越來越向著微機化 信 息化的方向發展 而整個二次系統目前已經形成比較典型的綜合自動化系統 此外 目前我國變電站中越來越多的保護和控制設備采用就地布置的方式 由于高壓設備的操作 短路或雷擊故障 低壓交直流回路內電氣設備的操作 電 氣設備周圍的靜電場和磁場 電暈和電磁波幅射等引起的電磁干擾則越來越嚴重 為此 變電所電磁兼容設計是一個重要的問題 這一問題越來越受到人們的重視 本文通過分析目前變電站系統中產生的各種干擾源及其傳播途徑 以及其對 微機保護系統的各種影響 提出了對整個二次回路以及微機保護裝置所采取的抗 干擾措施和工程實踐應用 關鍵詞 微機保護抗干擾屏蔽接地 浙江大學工程碩士學位論文 a bs t r a c t a sc h i n a sp o w e ri n d u s t r y sr a p i dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t e x p a n d i n gt h es c a l eo f p o w e rg d d s p o w e rg e ds t r u c t u r eo ft h eg r o w i n gc o m p l e x i t yo fs y s t e mc a p a c i t yi sa l s og r o w i n g a so n eo ft h em a i np o w e rs y s t e mc o n t r o le q u i p m e n t m e a s u r e m e n t m o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o n e q u i p m e n t t h es e c o n dc o m p o n e n to ft h es y s t e mt h a ti st h ep o w e ra u x i l i a r ys y s t e mi sm o r ea n d m o r et o w a r dc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd i r e c t i o n s e c o n d t h ee n t i r es y s t e mh a sb e e n c o m p a r e dw i t ht h et y p i c a lf o r mo fi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m i na d d i t i o n c h i n a ss u b s t a t i o ni nag r o w i n gn u m b e r o fp r o t e c t i o na n dc o n t r o le q u i p m e n t u s e do nt h es p o tl a y o u to ft h ew a y a st h eh i g h v o l t a g ee q u i p m e n t l i g h t n i n go rs h o r t c i r c u i tf a i l u r e l o w v o l t a g ea c d cc i r c u i ti ne l e c t r i c a le q u i p m e n t e l e c t r i c a le q u i p m e n ta r o u n dt h ee l e c t r o s t a t i c f i e l da n dm a g n e t i cf i e l d t h ec o r o n aa n de l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n s u c ha sc a u s e db y e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s t ot h a te n d e m cs u b s t a t i o n d e s i g ni sa ni m p o r t a n ti s s u e t h ei s s u ei sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n t h r o u g ha n a l y s i s o ft h ec u r r e n ts y s t e mo fs u b s t a t i o n si nt h ev a r i o u ss o u r c e so f i n t e r f e r e n c ea n di t sr o u t eo ft r a n s m i s s i o n a sw e l la si t sc o m p u t e rs y s t e m st op r o t e c tt h ev a r i o u s e f f e c t so nt h es e c o n d a r yc i r c u i ta saw h o l e a sw e l la st h ep r o t e c t i o no fc o m p u t e re q u i p m e n tt a k e n b yt h ea n t i j a m m i n gm e a s u r e sa n dt h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e f i n gp r a c t i c e k e y w o r d s r e l a yp r o t e c t i o n a n t i j a m m i n g s h i e l d i n g g r o u n d i n g 2 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成 果 據我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經發表 或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得逝姿盤堂或其他教育機構的學位或證書而使 用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示謝意 學位論文作者簽名 簽字日期 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解逝婆基鱟有關保留 使用學位論文的規定 有權保 留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人授 權逝望盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 可以采用影 印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編學位論文 保密的學位論文在解密后適用本授權書 學位論文作者簽名 導師簽名 簽字日期 年 月 日簽字日期 年月 日 學位論文作者畢業后去向 工作單位 通訊地址 電話 郵編 浙江人學碩 學位論義摘曼 第1 章緒論 1 1 電力系統中抗干擾研究的意義 隨著我國電力工業技術的快速發展 電網規模不斷擴大 電網結構日趨復雜 系統容量也在日益增長 電力系統一次主設備 變壓器 斷路器 隔離開關等直 接用于傳輸電能的設備 隨著技術水平 制造工藝的發展 其可靠性及安全性較 以前有了明顯的提高 而作為對電力系統一次主設備進行控制 測量 監控 保 護的二次設備組成的系統即電力系統變電站二次系統則越來越向著微機化 信息 化的方向發展 二次系統裝置特別是保護系統裝置先后經歷了電磁型 感應型 電子管型 晶體管型 集成型和目前廣泛應用的微機型 而整個二次系統目前已 經形成比較典型的綜合自動化系統 變電站綜合自動化系統是利用先進的計算機技術 現代電子技術 通信技術 和信息處理技術等實現對變電站二次設備 包括繼電保護 控制 測量 信號 故障錄波 自動裝置及遠動裝置等 的功能進行重新組合 優化設計 對變電站 全部設備的運行情況執行監視 測量 控制和協調的一種綜合性的自動化系統 通過變電站綜合自動化系統內各設備問相互交換信息 數據共享 完成變電站運 行監視和控制任務 變電站綜合自動化替代了變電站常規二次設備 簡化了變電 站二次接線 變電站綜合自動化是提高變電站安全穩定運行水平 降低運行維護 成本 提高經濟效益 向用戶提供高質量電能的一項重要技術措施 另一方面 對電力系統本身而言 正常運行時 其生產和傳輸電能的方式就 是靠電磁轉換 換言之 電力系統就是一個巨大的電磁網 電力系統一 二次設 備就是在這個環境下工作 從而這一電磁網不可避免地會對電力設備特別是二次 設備產生電磁干擾 這一情況在早期的變電站系統中 由于其采用的元件都以機 械式為主 對各種電磁干擾 所謂電磁干擾是指任何可能引起裝置 設備或系統 性能的降低或者對生物或非生物產生不良影響的電磁現象 的敏感度較低 影響 也不明顯 隨著計算機及微電子技術在電力系統的廣泛運用 由于這些設備本身 耐受電磁干擾的能力較弱 從而使得由其組成的二次系統更容易受電力系統這一 浙江大學工程碩上學位論文 大的電磁網的影響 此外 目前我國變電站中越來越多的保護和控制設備采用就 地布置的方式 由于高壓設備的操作 短路或霄擊故障 低壓交直流回路內電氣 設備的操作 電氣設備周圍的靜電場和磁場 電暈和電磁波幅射等引起的電磁干 擾則越來越嚴重 為此 變電所電磁兼容設計是一個重要的問題 這一問題越來 越受到人們的重視 為了做好變電站二次系統的抗干擾工作 有必要對各種干擾源進行分析 找出其內在規 律 從而有針對性地進行防護 1 2 國外電磁兼容方面的研究歷史 電磁兼容性 英文e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 簡稱e m c 這一新的 課題隨著電力系統的發展也應運而生 按照國際電工委員會 i e c 的定義 電 磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何事 物構成不能承受的電磁干擾能力 根據這個定義可知e m c 的主要研究對象是電磁 干擾 即干擾源的形成及其性質 干擾的耦合各傳輸 敏感設備的響應特性和抗 干擾措施等 換句話說 電磁兼容是研究在有限的空間 有限的時間 有限的頻 譜資源條件下 各種用電設備可以共存并不致引起降級的科學 對于電磁干擾的研究可以追溯到19 世紀 最早出現的電磁干擾現象是單線 電極之間的串擾 希維賽德于1 8 8 1 年寫了一篇 論干擾 的文章 被認為是最 重要的早期文獻 但這類干擾現象并未引起干擾者和被干擾者的重視 隨著電氣 運輸的出現 在一根通信線與一根不對稱的強電線有較長的平行運行 干擾問題 e l 益嚴重 這樣在18 8 7 年柏林電氣協會就成立了全國干擾問題委員會 2 0 世紀 2 0 年代以后 各個工業先進的國家日益重視電磁兼容問題的研究 于是相應的 國際組織紛紛產生 2 0 世紀初索末菲在這方面進行了卓越的研究 以后人們對 電磁感應影響的研究日益深入 其中波拉切克 卡爾森 哈波蘭德 尚德 克留 威 柯列 韋特 拉如莫夫等的工作都很突出 直到目前 此類干擾問題仍為國 際電信聯盟 i t u 第五研究組及第六研究組在各研究期的主要研究課題 除了感性 容性及阻性等耦合方式引起的干擾外 人們還對輻射性干擾進行 了大量的研究 雖然在早期這些工作進行的比較零散 但以后逐步走向正軌 各 國陸續建立起相關的機構 目前國際上除了e m c 專業學會外 還有國際無線電干 擾特別委員會 c i s p r 等組織從事與e m c 有關的高頻干擾課題研究 浙江人學工程碩士學位論文 美國至1 9 4 5 年開始 頒布了一系列電磁兼容方面的軍用標準和設計規范 并不斷加以充實和完善 使得電磁兼容技術進入新的階段 6 0 年代以來 現代 科學技術向高頻 高速 高靈敏度 高安全密度 高集成度 高可靠性方向發展 其應用 范圍越來越廣 滲透到了社會的各個角落 正由于大規模集成電路的出現 把人類帶入信息時代 近年來信息高速公路和高速計算機技術的不斷應用 也使 得電磁兼容方面的要求也越來越突出 1 3 國內電磁兼容方面研究的歷史 我國在電磁兼容方面的研究相對較晚 但隨著生產和科研的發展 e m c 的研 究也日益受到重視 并得到迅速發展 國家有關部門 如國家科委 國防科工委 國家無線電管理委員會 國家技術監督局 國家安全局 公安部等等都加速了 e m c 的研究步伐 紛紛成立了與e m c 有關的學術組織 1 9 8 4 年 首先由中國通信 學會 中國電子學會 中國電機工程學會 中國鐵道學會在重慶聯合召開了第一 屆全國環境電磁學學術會議 交流論文4 9 篇 內容涉及工頻 音頻 射頻 視 頻 核電磁脈沖及雷電等 電力系統中 在電網容量增大 輸電電壓增高的同時 以計算機和微處理器 為基礎的繼電保護 電網控制 通信設備得到廣泛采用 因此 電力系統電磁兼 容問題也變得十分突出 例如 集繼電保護 通信 s c a d a 功能于一體的變電站 綜合自動化設備 通常安裝在變電站高壓設備的附近 該設備能正常工作的先決 條件就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產生的極強的電磁干擾 此外 由于現代的高壓開關常常與電子控制和保護設備集成于一體 因此 對這 種強電與弱電設備組合的設備不僅需要進行高電壓 大電流的試驗 同時還要通 過電磁兼容的試驗 g i s 的隔離開關操作時 可以產生頻率高達數兆赫的快速暫 態電壓 這種快速暫態過電壓不僅會危及變壓器等設備的絕緣 而且會通過接地 網向外傳播 干擾變電站繼電保護 控制設備的正常工作 隨著電力系統自動化 水平的提高 電磁兼容技術的重要性日益顯現出來 1 4 電磁兼容技術的主要內容和發展趨勢 電力系統電磁兼容的主要內容包括 電磁環境評價 即通過實測或數字仿真等手段 對設備在運行時可能受到的 浙江人學工程碩l 學位論文 電磁干擾水平 幅值 頻率 波形等 進行估計 例如 利用可移動的電磁 兼容測試車對高壓輸電線路或變電站產生的各種干擾進行實測 或通過電磁 暫態計算程序對可能產生的瞬變電磁場進行數字仿真 電磁環境評價是電磁 兼容技術的重要組成部分 是抗干擾設計的基礎 電磁干擾耦合路徑 弄清干擾源產生的電磁搔擾通過何種路徑到達被干擾的 對象 一般來說 干擾可分為傳導型干擾和輻射型干擾2 大類 傳導干擾是 指電磁搔擾通過電源線路 接地線和信號線傳播到達對象所造成的干擾 例 如 通過電源線傳入的雷電沖擊源產生的干擾 輻射干擾是指通過電磁源空 間傳播到達敏感設備的干擾 例如 輸電線路電暈產生的無線電干擾或電視 干擾即屬于輻射型的干擾 研究干擾的耦合途徑 對制定抗干擾的措施 消 除或抑制干擾有重要的意義 電磁抗擾性評價 研究電力系統中各種敏感的設備儀表 如繼電保護 自動 裝置 計算機系統 電能計量儀表等耐受電磁干擾的能力 一般是采用試驗 來模擬運行中可能出現的干擾并在設備盡可能接近工作條件下 試驗被試設 備是否會產生誤動或永久性損壞 設備的抗擾性決定于該設備的工作原理 電子線路布置 工作信號電平 以及所采取的抗干擾措施 隨著電力系統中 各種自動化系統和通信系統的廣泛采用 隨著強電設備與強電設備集成為一 體的趨向 如何評價這些設備耐受干擾的能力 研究實用和有效的試驗方法 制定評價標準將成為電力系統電磁兼容技術的重要課題 抗干擾措施 電磁干擾的產生和耦合 敏感設備是不可能完全避免電磁搔擾 的 因此 往往比較經濟合理的解決辦法是在敏感設備上應用抗干擾措施 例如 電力調度大樓遭受雷擊是不可避免的 但通往系統和調度 自動化系統 的安全運行可通過正確的接地 屏蔽 隔離措施加以保證 研究有效經濟和 適用的抗干擾措施也是未來電磁兼容領域的重要任務 電能質量 國際大電網會議3 6 學術委員會 電力系統電磁兼容 把電能質 量控制也列入電磁兼容的范疇 研究頻率變化 諧波 電壓閃變 電壓驟降 等對用戶設備性能的影響 4 浙i 1 2 人學 程碩i j 學位論文 第2 章電力系統的主要干擾源及其傳播途徑 力系統經常遇到雷電侵擾 還不時發生短路等各類故障 為了滿足系統運 行方式及設備檢修的需要 經常還會對一次高壓設備 斷路器 隔離開關等 進 行各種操作 此時都會產生暫態干擾電壓 通過靜電耦合 電磁耦合或直接傳導 等途徑進入繼電保護繼電保護裝置 其峰值高達幾百v 至幾千v 甚至數幾十k v 頻率則在幾百k h z 至幾千k h z 甚至高達幾m h z 這些電磁信號稱為電磁干擾信號 常常對我們變電站的控制系統及繼電保護裝置產生不可忽視的影響 特別是大量 采用電子元器件及計算機監控及保護系統的今天 這種影響尤其不能忽視 如果 不采取有效措施防御 容易造成繼電保護及安全自動裝置的誤動或拒動 造成監 控系統的數據混亂及死機等現象 嚴重時會損壞二次回路的絕緣及保護裝置中的 電子元器件 對電網的安全構成嚴重威脅 2 1 各種主要干擾源 同一電力系統中的各種電氣設備 由于運行方式的改變 故障 開關操作 等引起的電磁振蕩會波及很多電氣設備 使其工作發到性能受到影響甚至遭到破 壞 電力系統電磁干擾主要表現在一次與一次設備之間 一次和二次設備之間 二次和二次設備之間 包括工頻 諧波 沖擊和高頻振蕩 變電站和發電廠本身是一個強大的電磁干擾源 在正常和故障情況下都會 產生各種電磁干擾 干擾源大致可分為以下兒類 電磁藕合干擾 電力系統一次設備和二次之間幾乎都是通過電磁禍合進 行工作的 同時 電場效應和磁場效應也無處不在 因此 一次設備本 身的高壓電場可通過電容藕合到二次設備 大電流產生的磁場也可通過 電感耦合到二次設備 射頻干擾 由于天線效應 大型變壓器 大型發電機和電動機 高壓導 線等都會發射出工頻和諧波頻率的電磁輻射 雷電干擾 雷電流平均2o k a 最高可達2o o k a 其發生時間處于此級 雷 電流對二次的影響主要是在二次電纜上的干擾 雷電流經避雷器入地 使得地網上的電位分布極不均勻 另外引起地電位升高 將耐屏蔽層接 浙江大學工程碩十學位論文 地的電纜上產生干擾 操作引起的干擾 次系統中的開關操作 斷路器 隔離開關的操作會引 起電氣回路狀態變化 特別是隔離開關動作時 沒有滅弧裝置 產生多 次電弧重燃引起的電磁能量振蕩 一般認為開關操作是引起干擾和過電 壓的重要原因 短路電流 短路產生的大電流通過禍合對二次設備造成干擾 且短路入 地電流會引起地電位升高 形成地電位差 二次回路操作干擾 如繼電器回路 當斷開直流回路電感線圈時會產生 高頻過電壓 每次開關觸點都要在回路中產生一次波過程 一連串的暫 態過程直接影響著同一電源b 的回路 同時通過電磁禍合到其它回路 局部放電 高壓導線表面及絕緣子金具尖端部位的電暈放電 接觸不良 產生的火花放電以及污穢絕緣子表面的局部火花等都會產生電磁輻射 形成輻射干擾源 對講機和通信設備 通信設備 高頻載波機 對講機都會產生不可忽視 的輻射干擾 裝置內部電子干擾 如電子設備的電子線路產生各種雜音干擾等 由上分析可見 在電力系統中的電磁干擾形成的原因和類型復雜 不僅強度 大 而且頻譜范圍極寬 可以從幾十到數百m h z 這給電磁防護造成很大困難 2 2 各種主要的耦合方式 2 2 1 靜電耦合 一次的強電通過靜電耦合到二次回路的干擾電壓 實質上是經由耦合 電容加到二次回路的 如圖2 1 所示為靜電耦合產生干擾的簡化電路 其對 地阻抗z 包括電氣連接的二次回路對地總阻抗 耦合阻抗z 包括設備的一 二次繞組間以及一次母線和二次電纜之間的禍合阻抗 如一次干擾源的干擾 電壓為u 則二次回路產生的干擾電壓u 可由下式表達 浙江大學工程碩上學位論文 坼2 麥嵋 一次干擾導線 圖2 1靜電和產生干擾的簡化電路圖 2 1 在不對稱的二次回路中 靜電耦合的等效電路如圖2 1 所示 因二次回路的 對地絕緣阻抗遠大于負載阻抗 故二次回路對地阻抗近似等于負載阻抗 在這種 情況下干擾電壓能在二次回路的負載上產生一個附加的電壓 此電壓大到一定程 度會引起二次設備的不正確動作 這種干擾類似于加到電流 電壓互感器二次回 路的干擾電壓 在對稱的二次回路中 靜電耦合的等效電路如圖2 2 所示 其二次回路對地 的阻抗為二次設備和控制電纜的對地電容 因為在一般情況下二根電纜芯和設備 的二次繞組對地分布電容是相等的 所以 在對稱電路的兩部分上產生相等的干 擾電壓 而加在負載上的干擾電壓u 接近為零 但當干擾電壓達到一定幅值時 會造成二次設備或電纜芯的絕緣擊穿 這種干擾類似于加到直流控制母線上的干 擾電壓 一q 一次干擾導線 圖2 2 對稱二次回路的靜電耦合 浙江火學工程壩 j 二學位論艾 2 2 2 電磁感應 電磁感應產生的干擾電壓 是由一次回路和二次回路之間 二次回路的強電 與弱電之間 交流與直流之間存在互感而引起的 干擾電壓的大小與各回路之間 的互感阻抗 干擾源的電流的大小 電流的頻率以及各回路的相對位置有關 現 用圖2 3 對回路間電磁感應的大小作一分析 i i m s i n o t 十砷 八n ba 被干擾導線 uu l 圖2 3 平行導線間的電磁干擾 圖中干擾源與被干擾導線平行 其矽等于0 當干擾源流過一電流i i sin t 中 時 兩者之間的互感可以下式計算 膨 i a o l n s 緲 q t 式中 u0 一一空氣的導磁系數 l 一一平行的電纜芯長度 a b 一一兩根導線分別與干擾源的距離 矽一一干擾源與導線間的夾角 此時負載上產生的干擾電壓可按下式計算 m 祟 警t n 扣c 烈m s 緲 q q 從式 2 3 可以看出 干擾源通過電磁干擾加到負載上的干擾電壓大小 與導線的長度及通過的干擾源電流成正比 與干擾源的頻率成正比 還與兩者之 間的平行度有關 當兩者平行時 干擾電壓最大 當兩根導線與干擾源的距離相 浙江大學1 程碩 學位論文 等時 干擾電壓最小 反之則增大 通過分析 2 3 式 我們可以理解影響電 磁干擾電壓大小的因素 尋找出降低電磁干擾的辦法 2 2 3地電位差 在變電所中 為了減少地電位差對電氣設備及人員造成的安全威脅 建設了 相對完善的地電網 但由于接地體本身存在一定的電阻與電感 要做到完全等電 位是不可能的 當大電流接地系統發生單相或兩相接地短路時 變電所的接地網 中會流過很大的故障電流 此電流流經接地體的阻抗時便會產生電壓降 使得變 電所內各點的地電位有較大的差別 當同一回路連接到變電所的不同區域并且有 多點接地時 各接地點間地電位差就會在連接的電纜芯中產生電流 例如 在主 變差動回路中 如果各側電流互感器二次回路的中性點各自單獨在端子箱中接 地 而各側電流回路又在保護屏處有電氣連接 如圖2 4 所示 這時在有地電位 差時將在差動回路中流過電流 影響差動保護動作準確性 u t 圖2 4 地電位差在兩點接地回路中引起的干擾 在變電所中 曾經在故障時測量到地電位差達3 萬多伏的情況 當時這一干 擾電壓使全所的計算機監控系統失靈 由此可見電位差造成的干擾是不能忽視 的 這一電位差將形成很大的地網電流 當這一電流通過電纜線或外皮時 可能 會將其燒斷 2 3 由開關操作引起的干擾 一次回路中 當開關進行切合操作時 引起回路的狀態發生變化 從一種穩 定狀態經過振蕩達到新的穩定狀態 從而產生暫態過電壓 圖2 5 所示的簡化等 9 浙江大學丁程碩 學位論文 c 圖2 5 切合開關產生暫態過電壓的簡化等值電路 值電路 當閉合開關k 時的振蕩頻率為 廠 上 2 丌 1 斤 2 石1 瓦 2 4 如果回路參數l 和c 的數值都比較小 如切合小電容負載等 則產生頻率很 高的振蕩 試驗結果表明 用隔離開關切合空載母線時 開關觸頭間將產生電弧 重燃 在回路中形成一系列高頻振蕩 分閘操作時 振蕩幅值隨著重燃次數的增 加而增大 合閘操作時鍘相反 振幅隨著電弧重燃次數的增加而降低 下面以隔離開關切合空載母線為例 分析電弧的重燃過程 合閘時 動角頭以一定的速度向靜觸頭移動 斷1 3 逐漸縮小 當斷口間的電 位差足以使其間的空氣絕緣擊穿時 就產生了第一次電弧 空載母線上的電位從 初始狀態的零值經過短暫的振蕩過程后變為當時電源電壓的瞬時值如果忽略工 頻電流 則當高頻電流為零時 電弧熄滅 母線再次和電源斷開 此時若忽略母 線上的電荷泄漏 母線上的電位一直保持熄弧時的數值 隨后 電源電壓繼續按 正弦規律變化 斷1 3 兩端的電位差又逐漸增大 直到斷1 3 氣隙又被擊穿為止 母 線電位再經過振蕩以后改變為此時電源電壓的瞬時值 電弧隨即又熄滅 這樣 電弧的重燃和熄滅過程反復出現 直至動觸頭和靜觸頭相互接觸為止 因為在合 閘過程中 斷口間隙逐漸縮小 則電弧重燃時斷口兩端電位差也逐漸縮小 故在 工頻一個周期內電弧重燃次數逐漸增加 母線電壓成為越來越密的階梯狀波形 同理 分閘時 當觸頭分離后 第一次工頻電流過零 母線的充電電流即被 切斷 電弧熄滅 在空載母線上保持斷開瞬聞的電位 此后隨著電源電壓變化 斷1 3 兩端的電位差增加 直到間隙被擊穿 發生第一次電弧重燃 經過短暫的高 頻振蕩以后 當母線電壓重新等于電源電壓時 電弧再次熄滅 這個過程也是重 復進行的 直到斷口距離足夠大 斷口之間的氣隙的介質恢復強度超過兩電源電 壓幅值時為止 電弧不再重燃 分閘時 隨著斷口之間的距離逐漸增大 每次電 浙江人學工程壩i j 學位論文 弧重燃時斷口兩端的電位差也階躍式增加 不過 和合閘情況相反 在一個工頻 周期內的重燃次數逐漸減少 電弧每次重燃都引起一次高頻振蕩 振蕩的幅值等于電弧重燃以前斷口之間 的電位差 即母線上電壓的突變值 顯然 合閘情況下的最大幅值等于電源相 電壓的幅值 出現在第一次電弧發生時 即 it 畢壓 2 5 一 3 式中 u 1 為合閘時第一次電弧引起高頻振蕩的電壓幅值 u n 為變電所電網 的運行線電壓 分閘情況下 高頻振蕩的最大電壓幅值發生在最后一次電弧重燃 的時刻 此時 考慮母線上的電荷泄漏 其最大電壓幅值為 u l 訾q 1 c 去 2 6 式中 u 2 為分閘時最后一次電弧重燃引起高頻振蕩的電壓幅值 f 為電源頻 率 t 為母線上電荷泄漏的時間常數 由母線對地電容和母線泄漏電阻決定 用隔離開頭操作時 電弧重燃過程的總時間隨著隔離開頭的結構不同而異 通常三支柱轉臂式雙斷口的隔離開關的重燃時間比單斷口雙支柱式的隔離開關 要短 故操作時對二次回路的干擾時間也短一些 般來講 由于斷路器的斷口之間有滅弧介質 而動觸頭的運動速度比隔離 開頭快 所以操作時的電弧重燃概率很小 所產生的干擾較之隔離開關操作時也 低得多 當斷口間有抑制操作過電壓的并聯電阻時 對二次回路的干擾就更小 圖2 6 分別為隔離開關單相合閘和分閘時二次回路中暫態電壓的幅值和重 復率與動觸頭運動時間的關系曲線 由圖可見 在分閘時 二次回路中暫態電壓 的幅值隨動觸頭運動時間的增大而增大 在合閘時則相反 暫態電壓出現的重復 率 合閘時逐漸增大 分閘時逐漸減小 但在分閘過程剛開始和合閘過程即將結 束的一段時間內 重復率隨動觸頭運動時間的變化關系出現相反的規律 這主要 是由于在這段時間內斷口距離很小 間隙的介質恢復速度較慢 同時因為重燃 電壓低 高頻電流小 電弧電流中的工頻分量起主要作用 電弧只有在工頻電流 過零時才能熄滅 故重燃次數反而減小 浙江人學t 程壩上學位論義 l 5 一 g 1 矗 霉 o s o 芒 爆 誓 群1 牖列嘲 礴 窮嬲 殄孵 圖2 6 隔離開關單相操作時二次回路中暫態電壓的幅值和重復率 由于開關操作的母線上接有其他電氣設備 構成了復雜的振蕩網絡 這就決 定了暫態振蕩電壓的波形為包含多種頻率分量的衰減振蕩波 現場實測的結果也 證明了這一點 圖2 7 提供了3 種不同的暫態電壓波形 似 圖2 7 三種不同暫態電壓的實測值 根據實測結果 這種干擾波形的頻率一般從2o o k h z 到約1 m h z 每串干擾波 的持續時間為20 5ous 高頻振蕩波的幅值多半在2 5 3 個周波內就衰減到 初始值的1 2 左右 每串干擾波的能量一般從幾毫焦到數十毫焦 單相操作時 在一個工頻周期內 干擾波的出現次數大約從1 2 0 次 平均每秒超過1 5 6 次 二次回路中反復出現這親的高頻干擾 其累積作用是不容忽視的 特別是有記憶 單元或積分單元的電路對此甚為敏感 晶體管保護及微機保護在其作用下會誤動 作 而在幅值很高時還會發生絕緣擊穿事故 泔 一 h 浙江人學工程頌士學位論義 2 4 阻性耦合產生的干擾 變電所中電玩雷擊 系統對地短路等原因引起的地電位升高 對變電所設備 會造成很大威脅 也是對二次回路干擾的主要來源之一 近年來 一些變電所的 接地裝置年久失修或維修不當 接地網嚴重腐蝕 引下線斷裂 以致事故頻頻發 生 不少設備包括二次設備 通信設備和電纜等大量損壞 使變電所的正常運行 受到很大威脅 當雷擊直接擊中變電所或發生單相接地短路時 大電流經接地點 包括雷擊 接地點 變壓器的中性點接地點 泄入地網 使接地點乃至整個地網的電位升高 這時 接地點的電位可由下式決定 u r 2 7 式中 i g 為流經接地點的電流 r g 為接地電阻 例如 某變電所接地電阻為0 2 5 7q 單相短路電流為8 6 7 4 k a 則接地點地 電位升高為o g 2 3 k v 如果二次回路和接地網的連接點 如二次電纜外皮 互感 器二次繞組的中性點等靠近大電流的入地點 則這些連接點的電位也隨之升高 在二次回路中造成共模干擾過電壓 當過電壓數值過大時 會引起二次設備絕緣 擊穿 二次電纜外皮在電纜兩端與地網相連 由于兩端的接地點電位不相等 將 有電流流過二次電纜外皮 通過電磁耦合在二次電纜芯線上感應縱向電勢 疊加 在信號上造成干擾 當大量電流流過二次電纜外皮時 還會燒壞或燒斷二次電纜 2 4 1二次電纜外皮中電流的計算 設變電所接地網由主接地網和主控制室接地網兩部分組成 中間用聯絡地線相 連 如圖2 8 所示 計算在二次電纜一端的外皮接地點a 處發生單相接地短路時 流過二次電纜外皮的電流 圖2 8 單相接地短路時接地網 r 乜流分布示意圖 鬟如l 一 圖2 9 計算二次電纜外皮 電流的等值電路 浙江人學1 程壩l 學位論文 顯然 i dt t 2 8 f j j 2 9 圖2 9 為計算二次電纜外皮電流的等值電路 得 t 2 彘j 2 由聯立方程式 j 奴 j j 國a 彳1 2j j 奴 印 甜a 夕1 2j 2 1 1 2 j r 可以解出流過二次電纜外皮的電流為 當聯絡地線和二次電纜距離很近 并 耦合緊密時 可簡化為 z 器州 12 再躉巧r g l 雨麗 式中 尺 砥r i r 2 盈 2 一i3 r l 14 2 1 4 當聯絡地線和二次電纜距離較遠 且耦合很弱耐 則 7 墾 j 竺蘭 墾 蘭 2 15 8 r r 2 2 j o j l 設r r r 則 z a b 一妄 詹 2 16 j 緊等 t 生一歹 2 只 2 甜 r 礎 階r 2 17 去 尺 礎 尺 1 r r j t o l 2 r 尺 比較上述兩式 可以得出結論 在其他條件相同的情況下 耦合緊密比耦合 不緊密的二次電纜外皮電流稍小 所以 將二次電纜沿電纜走向盡量靠近聯絡地 線 對減小二次電纜外皮的電流較為有利 浙江大學t 程碩士學位論文 2 4 2 二次電纜外皮電流產生的干擾 圖2 10 為研究二次電纜外皮電流產生的干擾模型圖 甜 一f t r p i 甜 u 一p m l i j 則干擾電壓u 為 u a b u a u b r p l m o i z p i 2 1 8 2 一1 9 圖2 一l o 研究二次電纜外皮電流產生的干擾模型圖 式中 z p 稱為轉移阻抗 因為屏蔽電纜外皮的自感和外皮與 心1 4 線間的互感相 等 所以轉移阻抗又可以寫成 z p r 2 2 0 上式表明 如果忽略二次電纜兩端連接線的影響 則由電纜外皮電流產生的干擾 電壓與流過外皮的電流和外皮電阻有關 而與電纜截面尺寸無關 采用高電導率 的金屬材料作為二次電纜的外皮可以有效地抑制這種干擾 2 5 直流回路操作產生的暫態干擾 斷路器的分合閘線圈 電磁式繼電器的工作線圈等直流操作回路中常具有圈 套的電感 當直流回路斷開時 由于電感內儲存的磁能釋放 線圈兩端可能產生 幾千伏的過電壓 這種過電壓可以直接或間接地影響由直流電源供電的二次設 備 如微機保護裝置等 圖為中間繼電器和斷路器跳閘線圈斷開時線圈兩端的過 電壓波形 波形的前面部分為鋸齒形 后面部分則為衰減振蕩 鋸齒波形成的原 因是因為線圈電路斷開時 線圈中的磁能向分布電容c 充電 當分布電容上的電 壓 即開關斷口上的電壓 上升到足以使斷1 2 擊穿時 斷口間產生電弧 分布電 容通過電弧放電 斷口兩端的電壓下降 由于放電回路的時間常數非常小 斷口 電壓迅速下降至0 斷口的絕緣恢復 分布電容又一次被充電 這個過程反復進 浙江大學t 程幀 1 學位論文 行下去 電弧多次重燃 每次電弧重燃 分布電容即完成一次放電過程 形成一 個鋸齒波 由于每次放電要消耗一部分磁能 同時隨著開關斷口距離拉長 絕緣 強度恢復速度加快 所以斷口距離嗇到某一限度后 電弧不再重燃 此后 線圈 中剩余的能量和分布電容中的電場能量互相交換形成衰減振蕩的波形 一直持續 到能量全部耗盡為止 支h 釋力 一 一一 吒 yy 一一 等嬗電焉渤過吃匿礁意 圖2 1 1 直流線圈電路斷殲時的等值電路和過電壓波形 電感線圈斷開的速度對暫態過電壓的幅值和重復率有很大影響 斷開速度加 快 幅值增高 重復率降低 反之 當斷開速度較慢時 過電壓幅值降低 重復 率增高 表2 1 隔離開關斷開一個2 2 0 vd z 1 7 型電磁繼電器線圈時的暫態電壓實測結果 線圈兩端電壓電源 虬 極間電壓電源 一 極對地電境 幅值 v最大2 0 0 0 快拉 1 2 04 0 最小7 0 0 慢拉 3 0 重復率 最大 2 0 0 3 0 0 慢拉 3 0 0 03 0 0 0 干次木s 1 最小6 0 9 0 快拉 持續時間 m s6 7 快拉 直流回路電感元件操作所產生的暫態過電壓通過線間耦合和傳導將在其他 二次回路中激發起頻率更高 幾兆赫 的干擾電壓 在電磁式中間繼電器線圈兩端并聯二極管 或在開關分合閘線圈上并聯適當 數值的電阻 可明顯地抑制這種暫態過電壓的幅值 2 6 電磁式電壓互感器對暫態電壓的響應 電磁式電壓互感器通過感性耦合和容性耦合兩種方式將一次回路產生的干 擾電壓傳x 次回路 隨著二次設備逐漸向微電子化方面發展 對干擾電壓的敏 感性增強 因此抑制來自電壓互感器方面的干擾有著重要的意義 作用在電壓互感器一次側的干擾電壓大部分是在系統短路 雷電波侵入以及 1 6 浙江入學工程碩二i 學位論義 開關操作時產生的 干擾電壓的基本方程式為 u 主u p f i 圭u s i n 功 緲 2 一競 2 2 1 式中 u 為1 1 和m 項干擾電壓的幅值 t n 和t m 分別為n 和m 項干擾電壓衰減時 的時間常數 1 1 1 為高頻干擾電壓的角頻率 e1 1 1 為高頻干擾電壓的相位角 上式表明 一次干擾電壓基本上可分為衰減直流部分和高頻振蕩部分 下面分析 電磁式互感器對這兩部分電壓的響應 2 6 1 對衰減直流電壓的響應 設一次側干擾電壓為按指數衰減的電壓波形為 u t u e 爭 2 2 2 式中 時間常數t 一般為幾個周波 相對于這樣的衰減速度 電壓互感器內部的 分布電容可以忽略不計 其等值電路圖如下所示 焉一一夷纛撤囊齲粕一捷疑囊屹麓盼孵蠢馕 上 k 一一次穗麓蟛 囊 一文t l f 的一囊豹靜篝糠 k 一麴t 蟪曩 吖 o 一 t 電飄鞫奄曩扮打i i 馕 圖2 1 2 電壓互感器等值電路圖 根據等值電路圖可寫出下列方程式 u p i l p r l p l i n p p l i p p l i 2 p r 2 十p l 2 t 1 2 p i p i 2 p i p u 2 p 2 i 2 p r 2 p l 2 式中 p 為拉普拉斯算子 解此聯立方程式可得 u 驢u 印 蒜罐甍島 式中 r r r r l l l 2 l j 將式 2 2 2 經過拉氏變換后得 2 2 3 2 2 4 啦 i ll f 浙江人學工程壩f j 學位論文 2 25 1 1 p 2u i 彳 p i 將式 2 2 5 代入式 2 2 4 則式 2 2 4 可寫成 出艫饑柱 屯6 式中 t 旦 t l 量其中 t m 為電壓互感器的時間常數 r 1 r 對式 2 2 6 進行拉氏反變換可得 以歸u l c 主口麥 扣亡 皆 南口南 圳 對于110 3 3 0 k v 的電壓互感器而言 由于t n t m 則式 2 2 7 中的第二項可以 忽略不計 同時由于t 比較小 第三項衰減很快 對u t 的影響也比較小 也 要吧忽略不計 二次側響應電壓基本上由第一項決定 由此可見 一次側衰減的 直流干擾電壓可以充分地得到響應 相當真實地由電壓互感器傳到二次回路 2 6 2 對高頻干擾電壓的響應 如前所述 由開關操作引起的高頻振蕩 其頻率可高達數百千周 因此 研 究電壓互感器對高頻干擾電壓響應時 必須考慮電壓互感器內部的分布電容 將 其視為l r c 的復雜網絡 精確地計算這些參數是相當困難的 為作工程上的應用 可以用下圖所示的等值電路 偽 t 帕尊重瓴囊 z 卜q 抽 俺i 乏的尊筐咆蠢 一疚囊一群埝嗽尊 c 寰鐮韁對 電劈 c 一 衣 一a i u l z 的 龠蕊舅t c 一嗽壓童曩 文囂t 蟊 z 氟建捩發鯽兩囊電霉 j 蛋t 髓錠 圖2 一1 3 計及繞組分布電容的電壓互感器等值電路 并可寫出下列聯立3 程式 u2 p u l p i i p r p l f u 拈 p 志f 2 2 8 浙江大學工程碩士學位論文 解之可得 u 脅i i 葛u j l p 甄 l q p 烈芒 意 謗1 考慮到一般r w 丟 詈 志 故式 2 3 1 可簡化為 盯 三c r w 兩1 川赤 2 2 9 2 3 0 2 3 1 2 3 2 2 3 3 令衰減系數口 1 2 上1 自振蕩角頻率國 下三并代入式 2 3 0 中 同時 l r c l c 計及式 2 3 2 的關系 則式 2 3 0 可變為 u 2 p p 口h 0 9 0 萬麗u l p 2 面囂麗u l p 由此可得電壓互感器對高頻干擾電壓的傳輸系數為 舯 豁z 南2 2 3 4 2 3 5 由圖1 4 給出電壓互感器的傳輸系數k 與 m o 的關系曲線 1 1 1 為電壓角頻率 1 9 浙江大學t 程顧l 學位論義 i y 口 o 嬲 l 門 一一 卜y a 一 1 a 虬 l 二 一o 1 曩 尊t 圖2 一1 4電壓互感器對高頻干擾電壓的傳輸系數k 與 m 的關系 比較圖1 4 中的曲線可以看出衰減系數o 對響應電壓的影響 當a 很小和 i m 2c 1 o 時 干擾電壓的響應幅值很高 增加僅可以減少干擾電壓 實際上 由于 一般互感器存在多個諧振頻率 單純采用這一種方法不能完全抑制干擾響應電 壓 其他有效地抑制干擾電壓幅值的方法是在電壓互感器的輸出回路或者在繼電 保護等的輸入回路中采取措施 如可采用適當的輸入濾波器 屏蔽以及穩壓管等 抑制措施 2 7 電容式電壓互感器對暫態電壓的響應 電容式電壓互感器以其結構簡單 并可兼做載波通信的耦合電容器用等優 點 廣泛應用于超高壓變電所中 高壓臂電容對高頻電流形成低阻抗通道 所以 高頻振蕩及其他暫態干擾極易通過電容式電壓互感器傳入二次回路 2 7 1 對衰減的直流電壓的響應 圖2 1 5 為電容式電壓互感器的原理接線圖 沁 i 矽 z o f 浙江人學工程碩士學位論文 c c 鼉 五廄 電毫 一靜話電基 c 曦辱 屯一磚鬈姣 潼 弼懿鞠尼宅翻 圖2 一1 5電容式電壓互感器的原理接線圖 若忽略電壓互感器的負載 鐵磁諧振阻尼電阻上的功耗一般為4 0 0 6 0 0 w 遠大于電壓互感器的額定功率 則電容式電壓互感器的等值電路如圖2 i 6 所示 根據戴維南定理 可以將圖1 6 a 的等值電路進一步簡化為1 6 b 當輸 入端施加按指數規律衰減的直流電壓時 計算表明 輸出的干擾電壓中飲食有低 頻及高頻振蕩 振蕩頻率與電壓互感器的參數有關 當忽略電壓互感器內部的等 值電容時 輸出電壓中只包含低頻的衰減電壓 如圖i6 a 所示 如果考慮等值 電容 輸出電壓中將產生高頻電壓分量 如圖l6 b 所示 高頻分量的幅值與阻 訌 等毽電爵 t b 兩化國鼉蕾電焉 l 嬲期妁電 式電壓置驀 一次簟垌翱二文茂甓盼曩噶既i 一趣括玲曩彤蓐 龜內的巨墨毒鎊總冀電器 圖2 1 6電容式電壓互感器的等值電路 浙江人學t 程碩上學位論文 尼電阻r f 功耗p r f 在關 p r t 越大 高頻分量的幅值越低 因此采用適當的阻 尼電阻增加功率損耗可以抑制干擾電壓 但是 為了保證在臨界條件下高速繼電 哭不誤動作 最好采用濾波閨怨直流干擾電壓從二次回路中濾掉 6 曩鼉摶矗辱冀電寡 m 冉露 僵奄軎雋 o 予哆 一 琢囊 定萄摹 圖2 一1 7電容式電壓互感器的響應電壓曲線 2 7 2對高頻干擾電壓的響應 研究結果表明 電容式電壓互感器對高頻干擾電壓的阻尼能力比電磁式電壓 互感器高得多 這種特點對二次回路的保護 特別對靜態繼電保護裝置是有利的 而且 阻尼電阻r f 對阻尼高頻振蕩電壓有明顯的效果 圖1 8 表示2 2 0 4 0 0 k v 的電容式電壓互感器具有不同功耗的阻尼電阻r f 時的傳輸系數k r f 與0 0m 的關系曲線 其中傳輸系數的計算公式為 k u u 2 3 6 式中 u u 分別為高頻輸入和輸出電壓的同幅值 4 3 工穢2 l o 囊冀屯玨髀囊鐮串 一電垮置為囂蠹皇霞甍曩蕊曩鐮乍 圖2 1 電容式電壓互感器對高頻電壓的傳輸系數與u m u 的關系 浙江人學工程碩 學位論文 由圖18 可以看出 在一般阻尼電阻的情況下 是高傳輸系數比較低 不超過3 倍 而且當 m 1 4 時 出現對干擾電壓的強烈抑制作用 在這種情況下 經 電容式電壓互感器傳遞到二次回路的高頻干擾電壓對靜態保護元件一般不會產 生很大的危害 2 8 高壓變電所中的高頻輻射干擾源 高壓變電所中的局部放電是主要干擾源 高壓導線表面及絕緣子金具尖端部 位的電暈放電 接觸不良產生的火花放電以及污穢絕緣子表面的局部電火花等都 會產生電磁輻射 形成輻射干擾源 另外 變電所中的高頻載波 對講機等也會 產生不容忽視的輻射干擾 以上這些干擾源都應在二次回路設計時予以考慮 當然 附近的雷電現象以及大功率的發射機 如電臺 通信等也會影響到變 電所中的敏感設備 2 8 1 電暈 電暈放電時不斷形成流注 引起強烈的電流脈沖 這些電流脈沖將產生電磁 波傳播到空間 在工頻交流電壓下 由于每半周內都存在電暈的起