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1、变电站设备抗扰性能要求作者：邬雄来源：不详关键词：电磁骚扰;电磁兼容;抗扰性;端口论文摘要：电力系统电磁兼容是当今电力的前沿技术问题之一。这一个技术问题主要包括电磁环境的评估和变电站的电磁兼容性。前者是由来已久的问题;后者则因电网的扩大和微电子技术的应用而越来越受到普遍的关注，国际大电网会议(CIGRE)就于 1997 年底出版了发电厂和变电站电磁兼容性导则 。随着电网容量的增大、系统电压的升高，变电站的电磁骚扰现象更为严重，比如开关操作产生的暂态过程、各种放电现象等;另外，以微电子技术为基础的变电站综合自动化设备对电磁骚扰的敏感度也比老的继电保护装置高，而且为了节约电缆、减小工程量和提高运行
2、的安全可靠性，目前也趋向于将测量、保护和控制设备分散安装于变电站中高压设备的附近。所以，控制骚扰强度和提高自动化设备抗电磁骚扰能力，就显得尤为重要。1 变电站电磁骚扰现象变电站是复杂电磁环境的代表，绝大多数电磁骚扰现象在变电站中均有发生。主要的电磁骚扰及其起因和传播途径如下。1.1 高压隔离开关和断路器的操作这些操作可能在母线或线路上引起含有多种频率分量的衰减振荡波;母线(或电气设备间的连线)相当于天线，将暂态电磁场的能量向周围空间辐射，同时通过连接在母线或线路上的测量设备(TA、 TV、CVT 等)直接耦合至二次回路。开关操作产生的电磁骚扰的频率一般为 0.180 MHz，每串电磁骚扰波的持
3、续时间为10s 10 ms。 由理论分析和实测数据可得出如下规律：暂态电磁场的幅值随电压等级的增高而增高，主导频率随电压等级的增高而降低。 与隔离开关操作相比，断路器操作所引起暂态电磁场的幅值小，主导频率高、脉冲总数少。 快速隔离开关比慢速隔离开关产生的暂态重复频率低、持续时间短。慢速隔离开关一次操作中可能产生上万个脉冲，而快速隔离开关只产生几十个脉冲。1.2 雷击线路、构架和控制楼直接雷击到户外线路或构件，会有大电流流入接地网，二次电缆的屏蔽层在不同的接地点接地时，就会因地网电阻的存在而产生流过屏蔽层的暂态电流，从而在二次电缆的芯线中感应出骚扰电压;线路感应的过电压也会通过测量设备引入二次回
4、路。由雷击变电站在二次回路中产生的暂态过电压的最大值可达 7.9 kV;而二次电缆的骚扰电压最高可达 30 kV，其频率可达几兆赫。1.3 系统短路故障 系统短路故障与雷击构架一样会引起地网电位的升高，从而在二次电缆中引起骚扰电压。变电站内高压母线单相接地时，在二次电缆芯线上产生的骚扰电压可以从几十伏到近万伏(12.3 kV)，暂态骚扰电压的频率约为几千赫到几百千赫。1.4 靠近高压线路受其工频电磁场作用 这对于电子束类的显示设备产生电磁骚扰是十分明显的。在户外变电站中，高压线路或汇流排会产生工频电磁场。一般而言，电压等级越高，产生的电场也越大，但磁场相反减小。在载流约 0.5 kA 的线路母
5、线下， 220 kV 变电站的工频磁场为 14 A/m，而 400 kV 的只有 9A/m。1.5 局部放电( 电晕、沿面放电) 产生频率较高的电磁辐射;可能在电子设备的线路中引起电磁骚扰。1.6 二次回路中的开关操作 由于感性负载的存在，在二次回路的信号电源端口以及控制端口产生快速瞬变的脉冲骚扰。由于电磁继电器的大量使用，在二次回路自身工作时会产生中等频率的、振荡的暂态电压。其特征是：频带为 30 kHz1 MHz;幅值小于 2 kV(峰值)。1.7 电源本身存在问题 如电压波动、电压暂降、短时中断、电源频率变化及谐波等。1.8 静电放电 这是由于工作人员对设备造成的，可能引起设备丧失其功能
6、。控制设备可能遭受到工作人员向金属外壳或电子线路静电放电的影响。最大的人体静电电压可达 15 kV 或更高，在采取防范措施后可降至 4 kV 以下。1.9 无线电发射机(步话机 )产生的影响 变电站工作人员用的无线电通信工具 (发射机)，是变电站内高频电磁场的主要来源，它也比局部放电(电晕、沿面放电) 要严重些。一个 5 W 发射机在 50 cm 远处产生电磁场的场强约为 7 V/m，所以持发射机的工作人员离电子设备至少应有 50 cm 远。广播发射机(0.15 kHz20 MHz)的场强可忽略不计( 100 V/m。2 抗扰性要求 如果因某种骚扰现象而造成监测设备测量不准，甚至使保护设备误动
7、，可以设想将会出现什么样的后果。美国就曾发生过因电磁骚扰而大面积停电的事件。所以，要能够在变电站这样的电磁环境中可靠运行，设备必须具有足够的抗扰性能。2.1 什么是抗扰性抗扰性是在存在电磁骚扰的情况下，器件、设备或系统运行功能不被劣化的能力。不被劣化的含义是仍保持或具有运行时的功能，所以可以把抗扰性的评估分成以下四级。A 级：在出现骚扰时，性能正常 ; B 级：功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复 ; C 级：功能或性能暂时降低或丧失，但需操作者干预或系统复位; D 级：因设备(元件)或软件损坏、或数据丢失而造成不能自行恢复至正常状态的功能降低或丧失。在 A、B 、C 级抗扰性下，要求设备或
8、系统都在不同程度上保持或具有功能;在 D 级抗扰性下，设备或系统则将丧失功能。不同的设备或执行的功能重要性不同，可以按不同级别评估，比如，继电保护设备和计量设备，不管是在经常出现的暂态现象，还是在偶尔发生的暂态现象情况下，都应该保持其功能，即 A 级;而数据传输和通信设备则允许在偶尔发生的暂态现象情况下，暂时降低或丧失功能，但能自行恢复，即 B 级。2.2 端口概念谈到抗扰性，还得介绍一下端口概念，因为不管是什么耦合方式，电磁骚扰是通过端口进入设备的。端口(port)是一个给定设备与外部电磁环境的特定界面接口(见图 1)。端口分为外壳端口和电缆端口两类。外壳端口是设备的物理边界，电磁场通过这个
9、边界可以向外辐射或进入;电缆端口是导线或电缆与设备相连接的端口，包括电源端口、信号端口和功能接地端口。电源端口：包括交流电源输入、直流电源输入以及向其他设备供电电源输出(例如电力变流器 )。信号端口是与以下的连接有关。(1)本地连接，是指在较好的电磁环境下运行的电缆。根据性能规范和安装技术要求，凡满足下列条件之一者，都属于本地连接：不直接与高压设备相连接的电缆;长度相对较短，例如几十米以下的电缆;在同一建筑物内与通信有关的电缆。(2) 现场连接，是低压控制设备相连接的电缆。(3) 至高压设备连接，包括与断路器、电流互感器、电压互感器和电力线载波系统等高压设备的连接。(4) 至远距离通信设备连接
10、，即与电信网或远距离通信设备相连接，可以达到接地网边缘的通信电缆。(5) 功能接地端口不同于信号端口、控制端口和电源端口，是用来与地连接、但不是作为电气安全用的电缆端口。由以上端口的概念，可以认为传导性电磁骚扰侵入设备的机会比辐射性电磁骚扰侵入的机会要大得多，因为屏蔽的外壳总是局部的，而电源、信号连线和接地可以把设备与很广的范围联系起来。由此还可以认为抗扰性是体现在整体设备(包括相关设备) 的运行之中，因为即使单个部件或单台设备能达到某种抗扰性级别，但组合起来，由于它们之间的连线及布置又可能构成新的耦合环节。2.3 抗扰性水平抗扰性水平是特定的器件、设备或系统在施加给定的最高电磁骚扰水平的作用
11、下，能在要求的性能级别下保持运行的能力。如果不从经济的角度考虑的话，设备的抗扰性水平当然是越高越好，从而保证充分的可靠性，但是这势必要提高设备的生产成本。因此，应该合理地考虑设备的抗扰性水平。设备的抗扰性水平是与其安装的位置和环境有关，设备安装位置不同或端口不同，对抗扰性要求也不同。显然，在办公室中使用的设备就不需要象变电站中的设备一样具有一定的抗扰性水平。IEC 61000-2-5电磁兼容-环境- 电磁环境的分类 就专门说明了环境与抗扰性水平的关系。变电站实际上也可分为不同的区域，安装在开关场中的设备当然应比安装在控制室中的设备抗扰性水平高。3 抗扰性能检验抗扰性试验是检验设备抗干扰能力的重
12、要方法，目前变电站中出现的电磁现象基本上可通过标准的方法模拟产生，并注入到被检验的设备中。3.1 抗扰性试验(1) 抗静电放电试验。模拟工作人员在地毯上行走时，身上所带的电荷，通过接触放电和空气放电两种方式释放到设备中。(2) 抗辐射电磁场试验。模拟变电站工作人员用的步话机或其他类似设备发射的电磁场。(3) 抗电快速瞬变脉冲群骚扰试验。模拟电力系统中隔离开关、断路器的各种操作所引起的电磁快速瞬变过程形成的电磁骚扰。(4) 抗冲击( 浪涌) 试验。模拟电力系统中的各种操作在变电站中的保护控制设备上引起的单向冲击电磁骚扰。一般而言，由雷电引起的冲击电压幅值最大，高压母线单相接地故障引起的冲击电压幅
13、值次之，隔离开关及断路器操作引起的冲击电压幅值较小。(5) 抗射频场感应的传导骚扰试验。模拟使用较大功率的便携发射机或附近有大功率广播发射机和工科医设备时，辐射电磁场在与保护设备相连的电压线、电流线、电源线上耦合即成为传导骚扰。(6) 抗工频磁场试验。模拟母线中流过的工作电流、接地故障电流所产生的工频磁场的影响。运行于变电站户外开关场中的保护控制设备必然会遭受到该磁场的影响，和以下两种磁场试验一样是针对设备的外壳端口的。(7) 抗脉冲磁场试验。模拟在防雷接地导体和传导瞬态电流的金属构架附近的脉冲磁场。(8) 抗阻尼振荡磁场试验。模拟隔离开关操作引起的振荡产生的磁场，比如在变电站电容式电压互感器
14、附近的阻尼振荡磁场和处在隔离开关操作的高压母线附近位置。(9) 抗振荡波试验。振荡波分振铃波和阻尼振荡波两种。振铃波是由线路上的操作和雷击在设备的端口上产生的; 阻尼振荡波是由于在变电站断路器操作过程中的电弧重燃而引起的。(10) 抗电压暂降、短时中断和电压变化试验。模拟电网中的故障或负荷出现大的突然变化引起的电磁现象。3.2 有关标准的情况 IEC 已出版了 IEC 61000-4 系列的抗扰性基础标准，这个系列为 IEC 的通用标准和产品标准提供了基本的方法和参数，同时就如何选择抗扰性水平，IEC 61000-2-5 提出了指导意见。欧洲同样也有对应于 IEC 61000-4 的 EN 标
15、准，除此之外，欧洲部分国家已采用了国际发供电联盟的 UNIPEDE NORM(SPEC)13发电厂和变电站自动和控制设备电磁兼容抗扰度要求标准，美国则在 ANSI/IEEE C37.90.1-1989保护用继电器及其系统冲击耐受能力试验的 IEEE 标准中规定了变电站中设备的抗扰性试验。近来 IEC 也把变电站设备的抗扰性要求作为通用标准，开始了编制工作，编号为 IEC 61000-6-5。对应于 IEC 61000-4 系列的抗扰性基础标准我国已发布了国家标准，另外针对 500 kV 变电站保护设备，我国电力行业即将发布指导性技术文件，以推荐保护设备的抗扰性要求。 4 参考文献1 GB/T1
16、7626.1-1998 电磁兼容 试验和测量技术 抗扰度试验总论2 姚世全主编 电磁兼容标准实施指南 北京：中国标准出版社，1999 3 IEC TC77/199/NP Automation and Control Apparatus for Generating Stations and High voltage Substations. October 1997 4 国家电力公司武汉高压研究所科学技术报告 99-03. 500 kV 南昌变电站保护小室屏蔽效能研究报告 1999 作者简介：邬雄邬雄，(1962-)，男，高级工程师( 教授级)，从事电力系统电磁环境和电磁兼容性技术研究。联系方式：国家电力公司武汉高压研究所 湖北 武汉 430074
