變電站電磁干擾影響因素及抗干擾措施分析

王 輝，范 震，郭旭光

（河北省送變電公司，石家莊 050051）

變電站電磁干擾影響因素及抗干擾措施分析

王 輝，范 震，郭旭光

（河北省送變電公司，石家莊 050051）

介紹電磁干擾的組成要素和來源，從直接耦合、電場耦合、磁場耦合、輻射耦合四方面分析電磁干擾的影響因素，提出電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽等抗干擾措施，并對各種措施的適應性、有效性進行對比，認為其可以有效保障繼電保護的可靠性和穩定性。

變電站；繼電保護；抗干擾

由于電力系統設備都處在比較空曠的地方，電力系統經常遇到雷電侵擾，不時發生短路等故障。為滿足系統運行方式及設備檢修的需要，經常對一次高壓設備（斷路器、隔離開關等）進行各種操作，此時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裝置，其峰值高達幾百伏至幾千伏，甚至幾十千伏，頻率則在幾百千赫茲至幾千千赫茲，甚至高達幾兆赫茲。當干擾水平超過裝置邏輯元件和邏輯回路的干擾水平時，將引起裝置邏輯回路的不正常工作，從而使整個裝置的工作不正確。因此，變電所的電磁干擾和繼電保護與自動化裝置的抗干擾就成為一個很重要的問題［1－2］。

1 電磁干擾

電磁干擾發生作用需要3個“要素”的存在。一個簡單的電磁干擾模型，由三部分組成：電磁干擾源、耦合路徑和接收器，如圖1所示。

圖1 簡單的電磁干擾模型

產生電磁干擾信號的干擾源可以分為如下3種：

a.自然干擾源，指自然界中存在的干擾源，主要是指雷電，如一次系統遭雷擊對二次設備引起干擾。根據雷擊點的不同，雷電流將通過不同路徑傳入變電站。這種干擾源與人類的活動無關，但可以通過各種方法控制其對電力系統的干擾作用。

b.電力系統內的干擾源，指系統本身存在的干擾源。高壓變電站是具有高強度電磁場環境的特殊地域。裝在高壓變電站內的繼電保護和自動裝置不斷受到正常運行情況下和某些偶然情況下產生的強電磁場干擾。研究結果表明在設計條件相同的情況下，弱點情況的暫態干擾電壓與運行電壓成三次方關系。電力系統內的干擾源也應包括來自二次回路本身的干擾，如斷開二次回路中的電磁線圈產生的干擾。

c.電力系統外部干擾源，是與電力系統無關而與人類活動有關的干擾源，如無線電干擾，工作人員在近處使用步話機以及人身觸及電子設備外殼產生的火花放電等干擾。

2 電磁干擾影響因素分析

在高壓變電站，有多種渠道將電磁干擾源和受干擾的二次回路或二次設備連接起來。這些耦合渠道包括了直接耦合、電場耦合、磁場耦合和輻射耦合。雖然從理論上可以把不同方式的耦合機理明確地予以區分，但實際上，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。

2.1 直接耦合

接地線引起的直接耦合式多電流回路經公用地線的點耦合。圖2是兩回路經共用地線耦合示意圖。共用接地線是電磁干擾發生的最經常的原因。當大電流接地系統發生單相接地短路時，在變電站的接地網中會流過故障電流，此電流流經接地體的阻抗時便會產生電壓降，使變電站內各點的地電位有較大差別。在同一回路中有不同的接地點，當其分布在變電站的不同區域時，各接地點間地電位差就會在連接的電纜芯中產生電流。此外，地電位差也能在兩端接地的電纜芯和多點接地的電纜屏蔽層中產生電流，使電纜芯線中產生干擾電壓。

圖2 兩回路經地線耦合

2.2 電場耦合

電場耦合方式：通過干擾源與二次回路之間的耦合電容，將干擾信號加到二次回路。其耦合回路如圖3所示。兩根具有不同電位的導線之間存在電場，在電場中的其他導線（或設備）與帶電體間有雜散電容存在，因此均會有一定電位。

圖3 電場耦合方式

2.3 磁場耦合

兩電流回路間的磁場耦合如圖4所示，磁場干擾耦合由2個或多個電流回路互聯磁通為媒介而產生。當回路交流電流產生的磁通交鏈電流回路時，在回路就感應出干擾電壓。此感應電壓作用在等值電路中，常用互感電動勢或源電壓的概念來描述。為干擾源電流，為干擾源與二次回路之間的互感值，則二次回路產生的干擾電壓為。

圖4 磁場耦合方式

2.4 輻射耦合

輸電耦合式以電磁波傳播形式進行能量傳播的，射線耦合電壓和電流的情況具有特殊性。雖然是按波阻抗端接研究，但在導線上還是因共模量的多次反射形成嚴重的行波震蕩。使用屏蔽電纜可減少干擾影響，但投射到地表面的直達波和反射波的疊加場還會使屏蔽上流過電流，借助耦合阻抗的概念，不難理解對電纜芯線還是有影響的。

3 抗干擾措施及其對比

對變電站二次設備而言，特別是微機型的繼電保護裝置，對干擾信號比以前的保護裝置更加靈敏，因此，需要更加完善的抗干擾措施。基本上屏蔽的措施可以區分為，電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽［3］。

3.1 電場屏蔽

屏蔽的作用是通過一個導電外殼，將外殼內區域封閉起來實現的。屏蔽外殼可以使金屬隔板式、盒式，也可以使電纜屏蔽和連接器屏蔽。屏蔽的外殼一般都是無縫無孔的、有縫有孔的、金屬編織帶等3種，后者主要用作電纜的屏蔽。機殼接地也可以使得由于靜電感應而激烈在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內部的火花放電而造成干擾。

3.2 磁場屏蔽

磁場分為低頻磁場和高頻磁場，針對不同磁場應采取不同屏蔽措施。針對低頻磁場，可用高導磁材料做屏蔽體來實現磁場屏蔽，屏蔽的元器件在平行于磁場的方向不得出現縫隙，以避免漏磁。對高頻磁場，由于同時存在電場分量和磁場分量，因此要求電場屏蔽和磁場屏蔽同時進行。高頻磁屏蔽是利用屏蔽體產生的渦流反磁場，抵消干擾磁場，從而實現磁屏蔽，因此它要求采用高導電率的材料，如銅、鋁等。

3.3 電磁場屏蔽

對電磁輻射的抑制主要采用屏蔽的方式，基本原理和高頻磁屏蔽一致，是利用電磁波在屏蔽界面上的反射損耗和屏蔽層內部的吸收損耗（渦流）來衰減電磁場能量。不同材料，不同的材料厚度，對于電磁波的吸收效果不一樣的。電磁波的反射問題比較復雜，他不但與屏蔽材料的表面阻抗有關，也與波阻抗的大小及輻射源的類型有關。電磁屏蔽體對電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收這兩種機理。

3.4 3種屏蔽的對比

3種屏蔽的共性是防止外界的電磁場進入到要保護的區域中去。都是利用屏蔽殼上有外場感應產生的效應，來消抵外場的感應產生的影響。但是由于所要屏蔽的場的特性不同，因而對屏蔽殼的要求及其效果也不相同。

靜電場的屏蔽是根據電感應來實現。封閉導體的屏蔽作用是完全的，對屏蔽殼的厚度和電導率并無要求。也就說厚一點和薄一點的屏蔽殼，效果并無差別，導電率低得和導電率高的金屬，效果是一樣的。

用磁路定理來屏蔽磁場時，封閉外殼的內部，磁場減弱更是明顯。但是從理論上講，殼的內部的磁場并不能等于零。因此，用磁路定理靜磁場屏蔽是不完全的。殼的厚度和磁導率對屏蔽效果有很明顯的影響，殼越厚，導磁率越高屏蔽的效果也越好。如果用超導體時，可以得到完全屏蔽磁場的目的。這與超導體的厚度無關。

對于低頻交流電的電場，就可以歸結到靜電屏蔽一類中來解。靜電屏蔽依據的原理是：在外場的作用下，導體表面電荷將重新分布。直到導體內部場強處處為零才停止。高頻電場的屏蔽是基本上由良導體上的反射來實現。

3種屏蔽的結果見表1。表中的正號表示可以屏蔽，負號表示不能起屏蔽作用。

表1 3種屏蔽的結果

4 結束語

繼電保護干擾是直接關系到整個電網的安全運行的關鍵。除了以上提到的防護辦法以外，還可在變電站內形成一個良好的接地系統，在關鍵位置加裝濾波裝置等措施。只有完整縝密的抗干擾措施，才能將電磁干擾的影響程度減到最小。

［1］宋繼成.220～500kV變電所電器接線設計［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］黃 海，張 輝，華 棟.變電站內的電磁干擾及電磁兼容問題［J］.電力建設，2002，23（2）：32-33.

［3］景敏慧.變電站電氣二次回路及抗干擾［M］.北京：中國電力出版社，2010.

本文責任編輯：王麗斌

AnalysisonSubstationElectromagneticInfluencing FactorsandAnti-interferenceMeasures

Wang Hui，Fan Zhen，Guo Xuguang
（Hebei Electric Power Transmission ＆ Transformation Company，Shijiazhuang 050051，China）

Introduces elements and the source of electromagnetic interference，analysis of the influence of electromagnetic interference factors from direct coupling，four aspects to electric field coupling，magnetic coupling，radiation coupling，and such as electric field shield，magnetic screen and electromagnetic shielding anti-interference measures，and comparing of various measures adaptability，effectiveness，it can effectively guarantee of relay protection reliability and stability.

substation；relay protection；anti-interference

TM77

B

1001-9898（2015）03-0049-03

2015-03-03

王 輝（1985—），男，工程師，主要從事變電站建設、調試方面技術工作。