李 博，馬榮方

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院重慶有限公司，重慶401121)

0 引言

超高壓變電站二次系統(tǒng)主要有集中布置和分散布置兩種布置方式，如果集中布置，存在電纜用量大、工程造價高、電氣接線復(fù)雜等問題。目前，超高壓變電站普遍采用將二次系統(tǒng)分散布置，在配電裝置區(qū)設(shè)置繼電器室的方案。

保護/控制設(shè)備分散布置在節(jié)約大量電纜、降低施工量和工程造價的同時，也使得二次設(shè)備更容易受到高壓電氣設(shè)備運行過程中開關(guān)操作、短路故障、雷擊等暫態(tài)過程產(chǎn)生的強電磁騷擾的影響，特別是隨著二次設(shè)備不斷向數(shù)字化、集成化和高速化方向發(fā)展，它們對外界干擾的電磁敏感度遠遠大于傳統(tǒng)的保護/控制設(shè)備，微機保護和自動化裝置中的信號電纜和電源線極易耦合空間輻射電磁場。因此，非常有必要研究保護下放后的二次設(shè)備的電磁兼容性。

本文就分散布置帶來的保護/控制設(shè)備的電磁干擾問題，有針對性地分析我國超高壓變電站開關(guān)瞬態(tài)電磁場的幅值和主頻特性，并與國外相關(guān)數(shù)據(jù)進行全面詳盡的比較，提出繼電器室的設(shè)計方案及保護裝置的抗干擾要求和措施。

1 超高壓變電站干擾源及其特性

配電裝置區(qū)是變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備最集中的場所，高壓配電裝置周圍的強工頻電場和磁場、雷擊、系統(tǒng)短路故障、開關(guān)操作等產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場，都能夠通過傳導或輻射的方式耦合二次電纜或電源線在二次設(shè)備中產(chǎn)生干擾。

1.1 瞬態(tài)電磁干擾源［1］

1.1.1 雷擊

架空線路遭受的直擊雷或感應(yīng)雷擊過電壓，沿線路侵入到變電站不僅直接作用于一次設(shè)備，而且通過一、二次回路間的各種耦合途徑或接地網(wǎng)作用于二次設(shè)備。變電站也可能直接遭受雷擊，當雷電直接擊中變電站時，雷電流將經(jīng)由接地點泄入到接地網(wǎng)中，此時若二次回路接地點靠近雷電流的入地點，則會造成二次回路接地點電位升高，二次回路中形成共模干擾，產(chǎn)生過電壓，嚴重時會造成二次設(shè)備絕緣擊穿。對于兩端與接地網(wǎng)相連的二次電纜來說，當雷電流流過接地網(wǎng)時，會在二次電纜屏蔽層兩端產(chǎn)生電位差和在屏蔽層上產(chǎn)生電流，該電流可在二次電纜芯線上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，從而對二次設(shè)備造成干擾。雷電沖擊在二次回路中產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓幅值最大可達30kV，上升時間約幾個μs。

1.1.2 操作時產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓

變電站內(nèi)各元件呈現(xiàn)不同的感性或容性，當斷路器、隔離開關(guān)操作使其狀態(tài)發(fā)生變化時，會產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。特別是熄弧能力較差的斷路器或隔離開關(guān)操作時，觸頭間會發(fā)生一系列的電弧熄滅/重燃過程，從電弧第一次重燃至最后一次重燃，有時會持續(xù)幾十秒鐘。電弧的多次重燃和熄滅，會在母線上和設(shè)備間連線上引起一系列快速暫態(tài)電壓波和電流波，在這種情況下，母線和設(shè)備間連線就成為一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天線，向空間輻射上升沿極陡的電磁脈沖，成為頻帶很寬的強烈干擾源，同時母線上的快速暫態(tài)過程通過電流互感器、電壓互感器等傳導途徑耦合到二次回路中，會在二次回路產(chǎn)生1kV～5kV的衰減振蕩電壓。

1.1.3 故障時的短路電流

當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流峰值可達平常的10～12倍，大電流經(jīng)接地點泄入地網(wǎng)，使得接地點或整個地網(wǎng)的電位升高，進而在二次回路中造成共模干擾電壓。外皮兩端與地網(wǎng)相連的二次電纜，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，進而通過電磁耦合在二次電纜芯線上感應(yīng)縱向電勢，疊加在信號上造成干擾。

1.1.4 靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖

工作人員接近電子設(shè)備時產(chǎn)生的電磁脈沖，其放電瞬時電壓很高，足可以使信號發(fā)生畸變。當它超過電子電路器件中的擊穿場強時，就會損壞設(shè)備。靜電放電產(chǎn)生的脈沖幅值取決于物體的電容量，有時可達25kV(典型值為8kV～15kV)，上升時間約幾個ns。

1.1.5 其它

變電站工作人員用的步話機，也是變電站內(nèi)高頻場源之一，其工作頻率為70MHz和100MHz，但其干擾頻帶在27MHz～590MHz，額定功率為4～7W。額定功率為5W的步話機在50cm遠處產(chǎn)生的電場強度約為7V/m，所以持機工作人員和電子設(shè)備應(yīng)有50cm的距離。

二次回路中繼電器工作時的開合，會在二次系統(tǒng)自身內(nèi)部產(chǎn)生頻帶為30kHz～lMHz，電壓峰值小于2kV暫態(tài)電壓。

變電站內(nèi)的瞬態(tài)干擾源還包括大負荷啟動和關(guān)停引起的電壓波動，投切電容器和電抗器組時等產(chǎn)生的瞬態(tài)過程，自動或手動重合閘引起的電壓突降和電壓中斷，非線性設(shè)備引起的諧波等。

1.2 電磁干擾源強度分析

美國EPRI在1l5kV、230kV及500kV敞開式變電站中進行了操作瞬態(tài)電磁場實測，測量點在母線下方地面，操作是斷開一段短母線，1l5kV母線長48m，230kV及500kV母線長8m～9m;ll5kV、230kV斷路器為油斷路器，500kV斷路器為SF6斷路器。美國EPRI測量數(shù)據(jù)如表4所示

表4 美國EPRI變電站開關(guān)瞬態(tài)電磁場實測數(shù)據(jù)

華北電力大學利用引進的瞬態(tài)電磁場測量系統(tǒng)和武高所合作對5座正在調(diào)試的500kV變電站開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場進行測量。開關(guān)類型包括隔離開關(guān)和斷路器，斷路器包含SF6斷路器和油斷路器;開關(guān)操作包括:隔離開關(guān)操作空載母線、隔離開關(guān)操作設(shè)備間連線、斷路器操作空載變壓器等;隔離開關(guān)操作包括電動和手動。

在分析總結(jié)測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們把測量結(jié)果與美國EPRI的測量結(jié)果進行比較，比較條件為:電壓等級為500kV變電站，隔離開關(guān)均為電動操作，斷路器均為SF6，電動操作，比較結(jié)果如表5、表6、表7、表8 所示

表5 隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電場

表6 隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場

表7 斷路器操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電場

表8 斷路器操作產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場

分析測量結(jié)果表明，開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場具有如下特性:

(1)開關(guān)瞬態(tài)電磁場的幅值隨電壓等級的增高而增高，500kV變電站最大開關(guān)瞬態(tài)電場幅值可達19kV/m;主導頻率隨電壓等級的增高而降低;我國變電站開關(guān)瞬態(tài)電磁場在幅值、持續(xù)時間和主導頻率上與美國測量數(shù)據(jù)有一定的差別;

(2)斷路器操作與隔離開關(guān)操作相比，瞬態(tài)幅值小，主導頻率高、脈沖總數(shù)少;

(3)所有隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場中，脈沖上升時間為80ns～1.46μs，斷路器操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場上升時間最小為60ns;

(4)快速開關(guān)比慢速開關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)重復(fù)頻率低，持續(xù)時間短，慢速隔離開關(guān)一次操作可產(chǎn)生上萬個脈沖，而快速開關(guān)只產(chǎn)生幾十個。

1.3 電磁干擾對二次回路的影響［5］

考慮到電磁干擾對變電站二次回路的作用主要是通過控制導線/電源線的傳導和輻射進行的;以下針對電磁干擾對控制導線/電源線的耦合方式進行討論，分析電磁干擾對二次回路的作用。

1.3.1 傳導性干擾

傳導性耦合就是當某個回路/導體中的電流電壓變化時，在與該回路/導體有共同相連的電阻、或有相互間電感和電容的回路/導體中產(chǎn)生干擾的一種耦合方式。當屏蔽或非屏蔽控制電纜與超高壓CT或CVT相連接時，控制回路與高壓回路就有耦合途徑。頻率足夠高時，CT和CVT通過一次和二次間的并聯(lián)電容與高壓母線產(chǎn)生傳導性耦合，通過該耦合方式，部分母線暫態(tài)電流直接耦合至屏蔽或非屏蔽電纜內(nèi)的導體。傳導性耦合方式不因控制電纜屏蔽層而衰減，所以影響特別大，裝設(shè)瞬態(tài)抑制設(shè)備可以減小該類耦合效果。

1.3.2 輻射性干擾

變電站瞬態(tài)電磁場輻射性干擾主要由開關(guān)操作產(chǎn)生的開關(guān)瞬態(tài)電磁場、靜電放電以及高空核爆炸產(chǎn)生的輻射電磁場耦合二次電纜產(chǎn)生的。處于空間輻射電磁場中的任何導線就相當于一個接收天線，所以輻射電磁場可直接耦合二次設(shè)備控制電纜或者電源線，在電纜負載上產(chǎn)生暫態(tài)電流和暫態(tài)電壓。

瞬態(tài)電磁場對屏蔽電纜的耦合有兩個步驟:首先，瞬態(tài)電磁場與屏蔽層耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，作用在屏蔽層任一小段上的電場切線分量對電纜阻抗來說就是一個電壓源;對由電纜屏蔽層和任一與其有阻抗耦合的導體形成的有效回路來說，磁場分量也是一電壓源，在環(huán)路中引起環(huán)流，且在電纜屏蔽層上產(chǎn)生暫態(tài)感應(yīng)電流，進而耦合至電纜導體。屏蔽層電流電壓可以通過屏蔽層和導線之間相連的阻抗耦合芯線，另一種耦合途徑是通過屏蔽層和導線間的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導納，耦合至導體的干擾量大小隨著頻率的增加而增加，當頻率高于1 MHz更明顯。當電纜屏蔽層的屏蔽效果足夠好時，瞬態(tài)電磁場主要是通過端口縫隙對電纜芯線造成耦合干擾。

用高質(zhì)量的電纜屏蔽層可減小輻射電磁場的耦合作用，但對于二次設(shè)備本身可以在電纜接頭，即裝置信號入口處采取隔離措施，減少干擾電壓、電流的入侵。

2 保護/控制設(shè)備的抗干擾性能

國內(nèi)現(xiàn)有繼電保護設(shè)備在設(shè)計時，都考慮了抗干擾措施，具有較強的抗干擾能力，并經(jīng)過了試驗驗證。對直接安裝在高壓配電裝置區(qū)內(nèi)的繼電器室電磁干擾問題，運行經(jīng)驗還較少，有關(guān)科研單位對此進行了試驗，根據(jù)試驗結(jié)果確定保護控制設(shè)備的抗干擾能力。

一般認為在高壓配電裝置區(qū)內(nèi)的繼電器室應(yīng)采取屏蔽措施才能達到40dB的屏蔽能力。由于不同材料的屏蔽性能是不同的，國內(nèi)外科研機構(gòu)和高校通過現(xiàn)場測量、試驗和計算的方法對屏蔽室的屏蔽效能進行了相應(yīng)的研究。

以下是武高所給出的三組不同材料組合構(gòu)成的繼電器室的屏蔽效能測量值，見表 9、表 10、表 11［4-7］。

表9 金屬門+鋼板屋頂+22目鋁網(wǎng)的屏蔽效能

表10 金屬門+鋼板屋頂+22目鋼網(wǎng)的屏蔽效能

表11 金屬門+鋼板屋頂+9cm2大網(wǎng)格鋁網(wǎng)的屏蔽效能

解放軍理工大學對鋼筋混凝土的屏蔽效能進行了試驗研究，由單層鋼筋網(wǎng)構(gòu)成2m×2m×2m的屏蔽室，或再利用鋼筋網(wǎng)澆筑100mm厚混凝土，構(gòu)成鋼筋混凝土屏蔽室。各屏蔽室在EMP模擬器的屏蔽效能測量結(jié)果如表9所示，EMP模擬器工作區(qū)間長寬高尺寸為10m×8m×5m。試驗研究表明，建筑結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)經(jīng)專門設(shè)計可構(gòu)成屏蔽室，對電磁脈沖具有一定的屏蔽作用。鋼筋網(wǎng)屏蔽室對電場的時域屏蔽效能在40dB左右，對磁場的時域屏蔽效能在20dB上下。鋼筋越粗，鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)孔越小，屏蔽作用越強。在鋼筋用量不變的條件下，選細鋼筋密網(wǎng)格，可提高屏蔽效能。

華北電力大學對鋼筋網(wǎng)組成屏蔽室進行了屏蔽效能計算，計算方法采用國際先進的瞬態(tài)電磁場計算軟件NEC，并結(jié)合解析推導。屏蔽室尺寸為18m×6m×4m，鋼筋網(wǎng)直徑為12mm。鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸分別為500mm×500mm，200mm×200mm，100mm×100mm，干擾平面波頻率分別為5MHz和20MHz，電場強度在上述不同情況下的頻域屏蔽效能如表12所示。

表12 鋼筋網(wǎng)屏蔽效能計算結(jié)果

計算結(jié)果初步表明，鋼筋網(wǎng)構(gòu)成的屏蔽室的屏蔽效能基本能夠達到40dB，但還需要進一步的計算和試驗研究。

綜合上述試驗和計算表明，由金屬門和金屬網(wǎng)組成的屏蔽室的屏蔽效能能夠達到40dB;鋼筋混凝土構(gòu)成的屏蔽室的屏蔽效能與網(wǎng)格尺寸和鋼筋直徑有緊密關(guān)系，它的屏蔽效能能夠達到30dB～40dB，能否作為變電站繼電器室，還需要更深一步的計算和試驗研究。利用先進的電磁場計算軟件NEC和FDTD程序，能夠計算不同材料和結(jié)構(gòu)的屏蔽室的屏蔽效能，這為繼電器室的優(yōu)化設(shè)計提供了有力保證。據(jù)此，我們就能夠更加科學和有效地采取抗電磁干擾的措施。

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