19-二次回路的抗干扰

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四篇 电气二次回路,第十九章 二次回路的抗干扰,1,一、概述（1）,电力系统经常遇到雷电侵扰，还不时发生短路等各类故障，为了满足系统运行方式及设备检修的需要，经常还会对一次高压设备（断路器、隔离开关等）进行各种操作，此时都会产生暂态干扰电压，通过静电耦合、电磁耦合或直接传导等途径进入继电保护继电保护装置，其峰值高达几百V至几千V，甚至数几十kV，频率则在几百kHz至几千kHz，甚至高达几MHz。,2,一、概述（2）,这些电磁信号称为电磁干扰信号，常常对我们变电站的控制系统及继电保护装置产生不可忽视的影响，特别是大量采用电子元器件及计算机监控及保护系统的今天，这种影响尤其不能忽视，如果不采取有效措施防御，容易造成继电保护及安全自动装置的误动或拒动，造成监控系统的数据混乱及死机等现象，严重时会损坏二次回路的绝缘及保护装置中的电子元器件，对电网的安全构成严重威胁。,3,二、,干扰信号的分类,（1）,不同的干扰会对二次回路造成不同的影响，为了更好地研究和避免这些干扰的影响，需要对干扰进行分类。,4,二、,干扰信号的分类,（2）,按干扰信号的频率进行划分，可以分为低频干扰与高频干扰两类。低频干扰包括工频与其谐波以及频率在几千Hz的振荡。高频干扰则有高于低频的振荡、无线电信号，还包括频谱含量丰富的快速瞬变干扰，如雷电冲击波等。,5,二、,干扰信号的分类,（3）,干扰按发源地来分，可以分为内部干扰与外部干扰。,6,二、,干扰信号的分类,（4）,干扰按其形态或信号源组成的等值电路来分，有共模干扰和差模干扰两种。共模干扰是发生在回路中一点与接地点之间的干扰。差模干扰是指发生在回路两线之间的干扰，它的传递途径与有用信号的传递途径相同。,7,二、,干扰信号的分类,（5）,按干扰信号造成的不同后果来划分，可以分为引起设备或元器件损坏的干扰与造成保护或断路器异常动作的干扰。一般来说，高频干扰或共模干扰容易损坏元器件；低频或差模信号则常引起保护装置的不正确动作。图191是共模信号与差模信号作用于二次回路的示意图。,图191 共模与差模干扰信号对二次回路的作用,8,三、,二次回路干扰电压的来源,（1）,二次回路的干扰信号主要来源于一次回路或二次回路本身，也可以来源于雷电波及无线电信号。一次回路在正常运行情况下，电压、电流都是对称的，对二次回路的干扰很小。,9,三、,二次回路干扰电压的来源,（2）,一次回路对二次回路的干扰，主要产生在一次系统的暂态过程中和不对称运行时。其中包括，一次系统遭受雷击时，在高压母线上产生的高频行波；在一次系统发生的各种形式的短路；断路器或隔离开关的操作而引起的暂态过程。在高压隔离开关操作时，由于没有灭弧装置，且开断速度慢，往往要产生多次火花放电现象，该放电干扰的强度很大，频谱很广，对二次回路产生的干扰就更为严重，曾经发生过隔离开关操作失灵引起长时间火花放电，从而形成很大的干扰信号烧坏多台高频收发信机通道设备损坏的案例。,10,三、,二次回路干扰电压的来源,（3）,二次回路自身的干扰，主要是由于继电器或接触器的接点开断电感元件而引起的暂态干扰电压。此外，380V/220V交流，无线电干扰也会在二次回路中产生干扰电压，在继电器室使用对讲机等大功率的无线电设备是很危险的。,11,三、,二次回路干扰电压的来源,（4）,一次回路中的干扰电压主要通过以下途径作用于二次回路。,（1）由于电气设备、导线及电缆间均存在大小不等的分布电容，所以一次设备对二次设备之间的静电耦合，包括一次母线对二次电缆间的静电耦合及互感器一、二次绕组间的静电耦合。由于一次的电压幅值很高，在二次回路产生的干扰也很可观；,12,三、,二次回路干扰电压的来源,（5）,（2）由于导体周围都存在磁场，与其它导体间存在互感，所以一次回路和二次回路间还存在电磁耦合，包括一次母线和二次电缆以及互感器一、二次绕组间的电磁耦合，当一次出现扰动或暂态过程时，会通过电磁耦合传递给二次侧，对二次回路形成干扰；,13,三、,二次回路干扰电压的来源,（6）,（3）当一次系统发生接地短路或避雷器动作时，都会有大电流流入变电所的接地网，再通过接地网分散进入大地，使得接地网中电流流入点和其它地方的电位不同，这一电位差将会对二次回路产生干扰。,14,三、,二次回路干扰电压的来源,（7）,干扰信号的来源多种多样，我们可以通过图192来分析一次回路对二次回路的干扰途径，并将二次回路中产生干扰电压的主要因素分析如下。,图192 一次回路对二次回路的干扰途径,U,T,=U,S,Z,2,/(Z,1,+Z,2,),15,三、,二次回路干扰电压的来源,（8）,一、静电耦合产生的干扰,一次的强电通过静电耦合到二次回路的干扰电压，实质上是经由耦合电容加到二次回路的，如图193所示为静电耦合产生干扰的简化电路。其对地阻抗Z,2,包括电气连接的二次回路对地总阻抗，耦合阻抗Z,1,包括设备的一、二次绕组间以及一次母线和二次电缆之间的耦合阻抗。如一次干扰源的干扰电压为U,S,，则二次回路产生的干扰电压U,T,可由下式表达,图193 静电耦合产生干扰的简化电路图,U,T,=U,S,Z,2,/(Z,1,+Z,2,),16,三、,二次回路干扰电压的来源,（9）,在不对称的二次回路中，静电耦合的等效电路如图193所示，因二次回路的对地绝缘阻抗远大于负载阻抗，故二次回路对地阻抗近似等于负载阻抗，在这种情况下干扰电压能在二次回路的负载上产生一个附加的电压，此电压大到一定程度会引起二次设备的不正确动作。这种干扰类似于加到电流、电压互感器二次回路的干扰电压。,17,三、,二次回路干扰电压的来源,（10）,在对称的二次回路中，静电耦合的等效电路如图194所示，其二次回路对地的阻抗为二次设备和控制电缆的对地电容。因为在一般情况下二根电缆芯和设备的二次绕组对地分布电容是相等的，所以，在对称电路的两部分上产生相等的干扰电压，而加在负载上的干扰电压U,L,接近为零，但当干扰电压达到一定幅值时会造成二次设备或电缆芯的绝缘击穿。这种干扰类似于加到直流控制母线上的干扰电压。,图194 对称二次回路的静电耦合,18,三、,二次回路干扰电压的来源,（11）,二、电磁感应产生的干扰,电磁感应产生的干扰电压，是由一次回路和二次回路之间、二次回路的强电与弱电之间、交流与直流之间存在互感而引起的。干扰电压的大小与各回路之间的互感阻抗、干扰源的电流的大小、电流的频率以及各回路的相对位置有关。现用图195对回路间电磁感应的大小作一分析。,图195 平行导线间的电磁干扰,19,三、,二次回路干扰电压的来源,（12）,图中干扰源与被干扰导线平行（其等于,0,），当干扰源流过一电流iIsin（t）时，两者之间的互感可以下式计算：,M=,0,Lln（b/a）cos/2,式中：,0,空气的导磁系数；,L平行的电缆芯长度；,a 、b 两根导线分别与干扰源的距离；,干扰源与导线间的夹角。,20,三、,二次回路干扰电压的来源,（13）,此时负载上产生的干扰电压可按下式计算：,UT=M,di/dt,从式（193）可以看出，干扰源通过电磁干扰加到负载上的干扰电压大小，与导线的长度及通过的干扰源电流成正比，与干扰源的频率成正比，还与两者之间的平行度有关，当两者平行时，干扰电压最大，当两根导线与干扰源的距离相等时，干扰电压最小，反之则增大。通过分析（193）式，我们可以理解影响电磁干扰电压大小的因素，寻找出降低电磁干扰的办法。,21,三、,二次回路干扰电压的来源,（14）,三、由地电位差而产生的干扰,在变电所中，为了减少地电位差对电气设备及人员造成的安全威胁，建设了相对完善的地电网，但由于接地体本身存在一定的电阻与电感，要做到完全等电位是不可能的。当大电流接地系统发生单相或两相接地短路时，变电所的接地网中会流过很大的故障电流，此电流流经接地体的阻抗时便会产生电压降，使得变电所内各点的地电位有较大的差别。,22,三、,二次回路干扰电压的来源,（15）,当同一回路连接到变电所的不同区域并且有多点接地时，各接地点间地电位差就会在连接的电缆芯中产生电流。例如，在主变差动回路中，如果各侧电流互感器二次回路的中性点各自单独在端子箱中接地，而各侧电流回路又在保护屏处有电气连接，如图196所示，这是在有地电位差时将在差动回路中流过电流，影响差动保护动作准确性。,图196 地电位差在两点接地回路中引起的干扰,23,三、,二次回路干扰电压的来源,（16）,在变电所中，曾经在故障时测量到地电位差达3万多伏的情况，当时这一干扰电压使全所的计算机监控系统失灵，由此可见电位差造成的干扰是不能忽视的。这一电位差将形成很大的地网电流，当这一电流通过电缆线或外皮时，可能会将其烧断。,24,三、,二次回路干扰电压的来源,（17）,四、二次回路自身产生的干扰,变电所的二次回路回路错综复杂，有强有弱，当它们通过各种控制信号及电压、电流时，会对其它的回路产生干扰电压，但其中最为严重的干扰来源于二次回路开断继电器及断路器分、合闸线圈等电感元件。,25,三、,二次回路干扰电压的来源,（18）,电感元件在接通或断开电源时将产生暂态干扰电压，其幅值与电感元件的工作电压、工作电流、电感量大小及相应的回路参数有关。在直流系统中接有中间继电器时，如果没有采取相应的抗干扰措施，切断该继电器的电感电流将产生数千伏的干扰电压，如果二次回路及保护装置不采取相应的抗干扰措施，这一干扰电压足以使保护装置起动甚至误动。,26,三、,二次回路干扰电压的来源,（19）,如果在二次回路设计施工中不注意按规程要求合理布置电缆等二次线，不将强弱电、动力电缆与控制电缆、直流电缆与交流电缆分开，则他们相互之间将产生干扰，这一干扰也有可能造成保护装置的不正确动作。,27,三、,二次回路干扰电压的来源,（20）,五、无线电信号的干扰,在无线电通讯如此发达的今天，无线电信号可谓无所不在。在变电所中无线电对二次回路的除来源于通信设备发射的高频电磁信号外，还有高压电气设备的电晕放电及电弧放电等。对来自一次设备的无线电干扰，通常可通过对设备发射的无线电干扰水平的限制或通过电磁屏蔽措施有效地预防。,28,三、,二次回路干扰电压的来源,（21）,目前，无线电干扰对二次设备构成威胁的主要来自无线电对讲机及手机等通讯设备，由于对讲机的发射功率较大，所以威胁更大，在运行现场曾经多次发生使用无线通讯设备而造成集成电路型保护动作的情况。,29,四、,二次回路的抗干扰措施,（1）,干扰信号对二次回路安全及保护装置动作正确性的危害有目共睹，对各类干扰采取针对性的措施，抑制其强度，减小其危害是必要的。一面就列出抑制干扰的几种常用措施如下。,30,四、,二次回路的抗干扰措施,（2）,一、防止静电耦合干扰的措施,抑制静电耦合产生的干扰，可以采用增大耦合阻抗，对二次回路及保护装置进行屏蔽，合理选择二次设备元器件参数等方法进行一致。,31,四、,二次回路的抗干扰措施,（3）,（1）从式,U,T,=U,S,Z,2,/(Z,1,+Z,2,),可以看出，在相同干扰源电压U,s,情况下，当耦合阻抗Z,1,增大时，二次回路的干扰电压U,T,将下降。耦合阻抗Z,1,主要是干扰源与被干扰回路间的分布电容C,1,的容抗。适当合理布置干扰源与被干扰回路的相对位置，可以减小分布电容C,1,，可以增加耦合阻抗，从而降低干扰电压U,T,。,32,四、,二次回路的抗干扰措施,（4）,（2）在二次回路适当地点增加抗干扰电容，如在保护装置的电源入口处及电流、电压互感器二次回路接入保护装置前，可以将式,U,T,=U,S,Z,2,/(Z,1,+Z,2,),中的Z,2,减小。,33,四、,二次回路的抗干扰措施,（5）,（2）,图197是采用抗干扰电容后的静电干扰的简化电路图，图中C,1,为漏电容，对应为式191中的Z,1,； C,3,为增加的抗干扰电容，其容量一般为几分之1,F几十,F,，,等效阻抗为Z,3,；C,2,为二次回路与大地间的分布电容。此时加到二次回路上的耦合电压由下式表达。,图197 电容对干扰信号的抑制,34,四、,二次回路的抗干扰措施,（6）,按Z,2,=Z,2,Z,3,/(Z,2,+ Z,3,)计算,式中Z,2,为考虑抗干扰电容后的阻抗，由于一般C,4,的值比C,2,值大很多，所以Z,2,与Z,2,相比将小很多，对照式U,T,=U,S,Z,2,/(Z,1,+Z,2,) ，干扰电压U,T,也将下降很多。,35,四、,二次回路的抗干扰措施,（7）,采用抗干扰电容不但可以防止静电感应的干扰，对无线电干扰及二次回路内容产生的高频干扰也有很好的抑制作用。但是该抗干扰电容对二次回路也会带来一些副作用，如果容量太大，可能会造成不良后果。图198可以从一个方面说明抗干扰电容对控制回路的影响。,198 抗干扰电容对控制回路的影响,36,四、,二次回路的抗干扰措施,（8）,在图198电路中，由于直流绝缘监察系统的存在，并假定控制母线的额定电压为Ue，正负控制母线对地的绝缘电阻相等，则正常运行时+KM对地的电压为50Ue，KM对地的电压为50Ue。可以看出，这时在抗干扰电容上的充电电压为50Ue，,37,四、,二次回路的抗干扰措施,（9）,如果在出口继电器CKJ的正电源侧接地，接于负电源侧的抗干扰电容C,3,将通过两个接地电沿着虚线对CKJ放电，当C,3,的容量足够大并CKJ的动作电压小于50Ue时，CKJ将动作跳闸。这也是规程中要求直接用于跳闸的出口继电器其动作电压不能低于50Ue的原因。,38,四、,二次回路的抗干扰措施,（10）,采用屏蔽电缆并将屏蔽层可靠与地网连接，可以有效抑制静电干扰。使用屏蔽电缆的抗干扰原理可以用图199来表示。,199 电缆屏蔽的抗干扰作用,图中由耦合电容C,1,传递给二次回路的干扰信号被电缆的屏蔽层屏蔽并通过接地点传人地网。,39,四、,二次回路的抗干扰措施,（11）,试验表明，采用屏蔽电缆能将干扰电压降低95以上，是一种非常有效的抗干扰措施。,当然采用屏蔽电缆的抗干扰效果与屏蔽层使用的材料、制作工艺、接地方式等有关。下表是在现场试验中测得的各种电缆在操作500kV隔离开关时的干扰电压，试验中采用的平行于500kV母线的电缆长度为80m，母线长度为250m。,试验数据,40,四、,二次回路的抗干扰措施,（12）,从上表中可以看出，在隔离开关操作过程中产生的干扰电压很大，当使用无屏蔽的塑料电缆时，其干扰电压最大达9000V；当使用屏蔽电缆时，对干扰电压的抑制效果很好，其干扰电压的幅值被抑制到5以下；不同的屏蔽层材料抑制干扰效果很接近。,41,四、,二次回路的抗干扰措施,（13）,屏蔽电缆除了对静电干扰有较好的抑制作用外，对电磁干扰和高频干扰也有很好的抑制作用，所以屏蔽电缆在变电所二次回路中得到广泛的应用。,42,四、,二次回路的抗干扰措施,（14）,（3）充分利用变电所中的自然屏蔽物，还可以进一步提高抗静电干扰的效果。在控制电缆敷设的路径上或二次设备的安装现场，有很多自然的屏蔽物，例如，电缆隧道和电缆沟盖板中的钢筋，各种金属构件，建筑物中的钢筋等，都是良好的自然屏蔽物。只要在施工中注意将它们与变电所的接地网连接起来就能形成良好的静电屏蔽。,43,四、,二次回路的抗干扰措施,（15）,二、防止电磁感应干扰的措施,（1）减少干扰源与二次回路间的互感减小由于电磁感应在二次回路产生的干扰电压。从式（19,2）可知，互感M与控制电缆及一次导线的长度L、相互的平行度有关，还受同一回路的两根电缆芯与一次导线的距离之比b/a影响，所以在电缆沟道的布置时应尽可能与一次载流导体成直角，减少平行段的长度。从公式（193）还可以看出，当ab时，二次回路负载上的干扰电压为零。,44,四、,二次回路的抗干扰措施,（16）,为此，应尽可能使同一回路的电缆芯安排在一根电缆内，尽量避免同一回路的“”“”极电缆芯或电流、电压互感器二次回路中的ABCN四芯不在同一电缆内。这是降低感应电压最为有效的的措施，并且对任何频率的干扰电压都是有效的。,45,四、,二次回路的抗干扰措施,（17）,（2）电磁干扰需要磁性材料来进行屏蔽。在干扰源与二次环路之间设置电磁屏蔽物，使感应磁通不能进入二次环路，即可消除二次回路的感应电压。工程中常用的措施就是使用带电磁屏蔽的控制电缆，其屏蔽效果与屏蔽层材料的导磁系数、高频时的集肤效应、屏蔽层的电阻等因素有关。,46,四、,二次回路的抗干扰措施,（18）,屏蔽层采用高导磁材料时，外部磁力线大部分偏移到屏蔽层中，而不与屏蔽层内导线相关链，因而不会在导线上产生感应电势。高导磁材料的屏蔽层对各种频率的外磁场都有屏蔽作用。我们常用的钢带铠装电缆，钢板做成的保护柜，就具有较好的磁屏蔽作用。,47,四、,二次回路的抗干扰措施,（19）,非磁性材料的屏蔽层，其导磁率与空气的导磁率相近，故干扰磁通仍可达到电缆芯线。但在高频干扰磁场的情况下，干扰磁场会在屏蔽层上感应出涡流，建立起反磁通与干扰磁场抵消，使芯线不受影响。此种屏蔽的有效频率与屏蔽层的电导率、厚度和电缆外径成反比，有效频率一般在10100kHz之间。,48,四、,二次回路的抗干扰措施,（20）,在较低频率时，涡流产生反磁通的效应小，因而对外面干扰磁通场的抵御作用也小，为增强对低频干扰磁场的屏蔽，电缆的屏蔽层两端或多点接地，使电缆的屏蔽层与接地网构成闭合回路。干扰磁通在这一闭合回路中感应出的电流可产生反向磁通，减弱干扰磁通对芯线的影响。,49,四、,二次回路的抗干扰措施,（21）,减少屏蔽层和地环路的阻抗，可增强屏蔽效果。所以，在变电所要敷设100mm,2,铜排，该铜排最好连接所有屏蔽电缆的两端接地点，这样可以提高屏蔽电缆抗电磁干扰的效果。,50,四、,二次回路的抗干扰措施,（22）,三、防止电位差产生干扰的措施,防止电位差干扰对二次回路的影响，首先要确保变电所有一个完善的电网，有条件时可以补充铜排连接，将各点可能产生的电位差降到最低。其次要保证各二次回路对地绝缘良好，确保在地电网产生较大电位差时，不致损坏二次回路绝缘，影响二次回路的正常运行。对于电流、电压互感器的二次回路，要求严格按照一个电气连接中只能有一个接地点。如果一个电气回路中存在两个接地点，电位差产生的地网电流会穿入该回路，影响保护的正确动作。,51,四、,二次回路的抗干扰措施,（23）,四、其它的抗干扰措施,（1）交流回路与直流回路不使用同一根电缆，可以防止交直流间的相互干扰。强电回路与弱电回路不使用同一根电缆，屏内连线不捆扎在一起可以防止强电回路对弱电回路的干扰。,（2）保护装置内部的弱电，一般不引装置，需要引出时，必须经光电隔离或继电器转接，以隔离干扰信号。,52,四、,二次回路的抗干扰措施,（24）,（3）不采用电缆备用芯两端同时接地方法作为抗干扰措施。因为这样作，当接地的电缆芯两端地电位不同时，会在接地的电缆芯中产生电流，对不接地的电流芯产生干扰。,（4）对继电器等电感性元件，要采取防止切断感性电流产生干扰电压的措施。一般采用在感性元件两端并联串有电阻的反向二极管，而不能在继电器接点上并联电容。,53,四、,二次回路的抗干扰措施,（25）,（5）为防止户外高压配电装置等产生的无线电干扰波侵到室内，控制室及继电保护室应设电磁屏蔽网，或利用建筑体本身的钢筋连接后屏蔽体，保护屏柜及装置的外壳要可靠接地。对集成电路等抗干扰能力较差的保护装置，必要时应增加屏蔽网。在继电器室，应限制使用无线对讲机等无线通信设备。,（6）在可能引入雷电波的回路，可安装避雷装置。,54,