开关柜HMI和综合保护装置EMC问题及解决

开关柜HMI和综合保护装置EMC问题及解决

摘要：某地铁工程变电所送电过程中，发现35kV开关柜保护装置有误跳现象，HMI有死机并重新启动现象。现场采取了有关临时应急措施，在满足工期要求的同时，避免了重大事故的出现。同时，在工厂试验室进行了不同解决方案测试，确定了原因后，采用了相关的抗干扰方案，最终有效解决了保护装置误跳、HMI死机重启的问题。

关键词：送电35kV 保护装置误跳HMI 死机应急措施抗干扰方案

Abstract: This article analyzes the EMC problems of protective device of the 35kVGIS used in the metro

during the testing period. Through the testing, the cause of the EMC was confirmed. After the effective

measures were adopted, the EMC problems were solved.

Key words: 35 kV GIS, protective device, the EMC problem, effective measures

1、问题描述

某地铁工程调试阶段，在往动力变压器送电的过程中发现，35kVGIS馈线开关柜断路

器（图一中1041A断路器）合闸时时，开关柜综合保护装置发送速断保护信号，导致馈线

柜无法正常送电。同时，HMI（人机操作界面板）出现死机并重启现象。该变电所的主接线

及开关柜接线示意图见下图（图一：变电所主接线及开关柜接线示意图）。

图一：变电所主接线及开关柜接线示意图

通过相关测试，确认电缆、变压器没有故障。通过测试主回路的电阻、断路器动静触头

间的接触电阻，确认开关柜一次回路没有问题。分析了综合保护装置记录故障波形后，确认

由于保护装置误发速断信号，导致无法正常送电。在其它变电所送电过程中，还发现进出线

柜的综合保护装置有误跳现象，HMI死机并重启现象。通过对综合保护装置、HMI的本体

检查，也没有发现问题。因此，可以判断，开关柜二次装置EMC电磁兼容的设计出现了问

题。

2、现场问题判断及产生原因分析

将现场出现故障的综合保护继电器，送回继电器公司进行测试，发现继电器测试结果正

常，没有出现误动作等现象。考虑到试验室条件和现场条件的差别，说明开关柜母线带上电

压后，在开关操作时，干扰信号通过耦合或者感应等途径，影响了回路的正常工作。

在现场，比较母线空载时合闸断路器，母线带载时分闸断路器这两种条件下，保护装置

的动作情况，发现空载合闸时的误跳明显要多于带载分闸时的误跳。合闸时的高频干扰是明

显高于分闸时的高频高扰，这和EMC电磁兼容的经典理论和经验是一致的。

针对误发速断动作信号开关柜，读取其保护装置误发信号后的波形，波形如下（图二）：

图二：保护装置误发信号后的波形

对波形分析，断路器操作时，检测到了干扰信号。

该干扰信号产生的原因及可能的传导途径为：

本工程的开关柜一次高压系统主要元器件的布置如下图（图三）：

图三：开关柜相关内部结构示意图

在母线空载时，母线动静触头可能存在不等电位，在开关操作过程中，当动触头快接近（合闸操作）或刚离开（分闸操作）静触头连接位时，由于电场的影响，会产生含有多种频率分量的衰减震荡波。此过程中，断口间会出现几十次乃至几百次重复燃弧及断弧的过程。由于变化的频率高，从而在母线及引线上产生幅值及频率均较高的暂态电压和电流。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，此时母线就像一高频天线，以瞬态电磁场的形式向周围空间辐射能量，同时母线上的瞬态过程还可以通过连在母线上的设备（如CT、PT等）直接耦合到低压回路（一二次间的耦合类似于法拉第电容效应）。

开关操作时，可达50kW的瞬时功率尖峰。在接地不良的情况下（此时不长的接地线上就会感应出很高的电位），其高频干扰信号会通过传输线传入继电保护，在一些特定的频段下影响到继电器保护产生错误的信号，从而导致综合保护装置保护误动作、HMI死机并重启等现象。

可以判断，断路器操作时的短时瞬变功率是造成二次装置误跳、HMI死机的干扰源。

3、现场可能的应急措施分析

在确认了干扰源之后，对于EMC问题，接着需要分析的是装置本身的抗干扰能力和干扰的传导路径。保护装置本身的抗干扰能力，与其内部结构设计有关，一般保护装置本身已设有滤波电路，而且保护装置已经是模块化制作，故在现场一般较难调整。对于现场的应急措施，只能从传导路径予以优化。

目前在设备产品有关EMC的测试标准有以下7个：

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验；射频场感应的传导骚扰抗扰度试验；雷击浪涌（冲击）抗扰度试验；静电（ESD）抗扰度试验；电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验；工频磁场抗扰度试验；脉冲磁场抗扰度试验。

本工程干扰源确定为高频干扰，参照电快速瞬变脉冲群抗扰度试验标准中的有关描述，在现场根据工程实际情况，分别采取改良接地、调整布线、增加屏蔽、改进接线方式等措施，作为现场的可能应急措施。

3.1现场可能应急方案1

20MHz-30MHz的高频干扰源，即使在1米长的接地线上，由于接地线的走线导致其有一定的电感，在高频干扰源下也能感应出高达100Ω的电阻。为避免这种情况，就必须改良接地。为尽量减小接地电阻，在柜体主接地和接地网（变电所内接地干线）间增加铜膜（厚0.2mm，宽300mm）的方法，如图4所示。该方案现场测试情况为，开关操作五次，有三次发生误动现象，试验结果表明，该方案在本工程中效果不明显。

图4：现场强化接地方案示意图

3.2现场可能应急方案2

采用增加磁氧铁环的方案。磁氧铁环在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很小，当信号频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。磁氧铁环对电磁干扰有较大的抑制作用，具有较宽的频率抑制范围，具有足够的抑制频率带宽。

本工程选用日本PDK公司的磁氧铁环，分别加在有关的信号线和电源线上做测试。具体为：在综合保护装置的电流回路和电压回路上加装磁氧铁环；综合保护装置的电源线上加装磁氧铁环；在HMI电源线上加磁氧铁环。如下图所示（图五、图六），一个开关柜内共增加4个磁环。在增加磁环后，操作开关柜内的三工位隔离开关分闸和合闸各10次，在20

次的操作中，综合保护装置共出现2次死机现象。该措施相当程度的改善了综合保护装置的抗干扰能力。

在现场通过对不同方案的测试，最终确定现场应急方案采用HMI增加金属保护罩和对