高压开关柜继保装置电磁干扰案例分析张恺

高压开关柜继保装置电磁干扰案例分析张恺
发布时间：2021-08-27T06:41:27.462Z 来源：《基层建设》2021年第16期作者：张恺[导读] 近年来，微机综合保护测控装置因其集成测量、控制、保护、通讯一体化等特点
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摘要：近年来，微机综合保护测控装置因其集成测量、控制、保护、通讯一体化等特点，在地铁牵引供变电系统中得到了广泛使用，但在工程案例中，装置本身电磁敏感元件受干扰致使测控装置死机重启的案例也时有发生。

电磁干扰传播途径主要源于高压变电所内电磁空间辐射、二次线缆耦合及不可靠接地线的电磁感应三个方面，其中任一方面较高的电磁干扰水平都会造成继保装置重启、误动或拒动等各种异常情况出现，这种电磁干扰甚至可以直接造成这些元器件的损坏，严重影响电网系统的安全稳定运行。

关键词：强电磁干扰；传输途径；非正常重启；解决方案
一、案例初步分析
1.1电磁干扰源研究
在给定的系统中，电子元器件电磁干扰来源主要体现在系统结构及运行环境两个方面。

伴随着大量高速半导体器件的发展应用，装置本身电路（如微处理器、微控制器、传送器、静电放电和瞬时功率执行元件）产生的谐波干扰高达300MHz，这种干扰是由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的，也是内在因素；外在运行环境方面，城市轨道交通供电系统中主要体现在交直流电源的稳定性、一次回路的强电场、强磁场、直流系统杂散电流、接地系统、列车频繁取流及开关柜操作对电场的影响等多个方面，当然也包括电话机、对讲机及机电设备使用造成的辐射干扰。

某线33kV馈线微机保护测控单元F650在33kV母线带电状态下，操作隔离开关受电磁干扰重启，若在母线无压时进行操作，则不会发生。

综合比较分析受电磁干扰重启F650运行内外部环境、系统结构、交直流电源的稳定性、一次回路电磁场、直流系统杂散电流、接地系统、列车频繁取流及开关柜操作对电场的影响等多个方面信息，可确定的是电磁干扰源来自于母线有压空载时对隔离开关的操作。

母线空载时开关断口间存在不等电位，断口间的电场在动静触头距离改变过程中产生突变，出现高达几百次的重复燃弧及断弧的过程，包含有多种高频分量的衰减振荡波，波形的持续时间从μs至ms不等，上升时间为ns级，典型过电压瞬时上升至约为相电压幅值的2倍。

电弧的熄灭和重燃在母线上产生一系列的高频电流和电压波，以瞬态电磁场的形式向周围空间辐射能量，并可通过与母线相连接的PT、CT及避雷器等一次设备直接耦合到二次控制回路。

无论该瞬变电磁场以何种形式耦合传导，均可以对变电所内控制设备形成强烈的干扰，并在一些特定频段影响微机综合保护测控装置，造成死机或重启。

研究开关操作产生的瞬态电磁场特性，完善防护措施十分必要，目前，切断干扰途径或降低耦合程度的传统方法是屏蔽、接地、隔离及滤波。

1.2电磁干扰传输途径分析
在断口间引起的重复燃弧及息弧通过母线以瞬态电磁场的形式向周围空间辐射能量或由母线传输经电流互感器及电压互感器直接耦合，即传输途径的三种可能性：①空间辐射；②通过二次线缆的直接耦合；③不可靠接地线的感应电位。

依据初步分析内容，若要从根本上改变带电操作时引起瞬态干扰电磁场，工程现场不具有可操作性，问题的解决方法是必须找到电磁干扰的具体传输途径，在传输途径中把电磁干扰降到合理的可接受的干扰量内。

根据工程实际情况，可以分别采取增加屏蔽、调整布线、改进接线方式、改良接地等措施去找到电磁干扰产生的主要途径。

(1)空间辐射电磁干扰排除。

工程实际中微机保护测控单元F650后部接线模块及内部板件单元均安装在密封的33kVGIS开关柜中，要采用增加屏蔽的方式减少电磁干扰，有效且易行的方法莫过于加装铁质屏蔽罩。

研究人员在考虑装置散热，安装空间及是否造成其他负面影响等多种因素的前提下，对金属屏蔽罩进行了图纸设计，生产并经干扰试验屏蔽功能有效后用作现场测试。

现场安装后的测试过程中仍出现了F650重启现象，发生重启的统计几率较加装前并未减少，说明HMGS80型产品干扰电磁场在开关柜二次室内的空间辐射不是造成电磁干扰的主要因素。

(2)二次线缆直接耦合电磁干扰排除。

金属屏蔽措施对电磁波的空间传导辐射有削弱作用，然而本案例在1.2.1的措施下却没有明显效果。

有必要进一步对综合保护装置各器件单元进行逐个检查，不同板卡间进行比较。

在检查外部接线的过程中，发现跳闸回路监视接点F15、F16在解开时，保护非正常重启现象会偶尔消失。

分析装置非正常重启是发生在隔离刀合分时，而此I/O板的F15、F16接点在隔离刀合分过程中会有状态改变，干扰信号有可能通过二次线缆耦合进入I/O板。

保护装置的CPU板与此I/O板相邻，CPU的微处理器芯片和F15、F16接点紧邻，从而进一步判断是否会通过二次线缆直接耦合致使CPU板的微处理器芯片受到电磁干扰，使得保护装置非正常重启。

将I/O板上的跳闸回路监视接点F15、F16换至离CPU板微处理器等芯片较远的F1、F2接点。

在33kV母线带电状态下，操作隔离开关测试，多次测试及运行观察过程中仍出现了装置重启现象，通过此判断二次线缆的直接耦合并非电磁干扰的主要原因。

(3)不可靠接地线的感应电磁干扰。

F650装置原有接地线截面积为2.5mm2，与装置采集、保护及控制回路接线同一路径布置，在柜内接线端子排汇同其他二次回路接地统一连接至柜内接地小母排。

依据干扰电磁波有可能的传播途径，考虑不可靠接地线感应电位引起装置死机重启的可能性。

测试过程中将装置原有接地线解除，选用截面积为4mm2接地线，改变原有接地线敷设路径，与二次室内其他接线及地线分开布置，直接连接至柜内接地小母排，在33kV母线带电状态下，进行多次隔离开关操作测试及长时间运行观察，非正常重启现象完全消除，初步判断不可靠接地线感应电位的干扰电磁波是造成前期F650装置非正常重启的重要原因。

二、电磁抗干扰最终解决方案
根据上述实验分析，最终制定故障解决技术方案如下：①取消F650装置原有截面积为2.5mm2接地线；②增加新接地线截面积要求为4mm2；③改变原有接地线敷设路径，与装置采集、保护及控制回路接线分开布局；④与二次室内其他接线及地线分开布置，直接连接至柜内接地小母排。

观察F650装置接地改造后12个月的运行情况，未再发生电磁干扰现象，说明通过增大接地线截面积，改变接地线敷设路径及接线方式方法行之有效。

结论
变电所内高压母线空载运行时，开关动静触头存在不等电位，在开关操作过程中，会产生含有多种频率分量的衰减震荡波。

在断口间引起的重复燃弧及息弧的瞬变电磁场，通过三种途径传输：通过母线以瞬态电磁场的形式向周围空间辐射能量；由母线传输经电流互感器及电压互感器二次线缆直接耦合；在不可靠接地线产生的感应电位。

当其干扰水平超过继保装置逻辑原件和电路允许的干扰水平时，将会导致继保装置重启、误动或拒动等各种异常情况出现，甚至直接造成这些元器件的损坏，严重影响电网系统的安全稳定运行。

配备F650微机保护测控单元的HMGS80型33kVGIS开关柜，在33kV母线带电状态下，拉合或拉分隔离刀闸，不可靠接地线感应电位的干扰电磁波是造成部分馈线微机保护测控单元F650受电磁干扰重启的主要原因。

不可靠接地线可通过增加横截面积、合理规划线缆布局及优化接地连接方式等方法解决。

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