开关柜HMI和综合保护装置EMC问题及解决

邹 东

0 引言

某地铁工程调试阶段，在向动力变压器送电的过程中发现，35 kV高压组合电器馈线开关柜断路器合闸时，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。同时开关柜人机操作界面板（HMI）出现死机并重启现象。

通过相关测试，确认电缆、变压器没有故障。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。在其他变电所送电过程中，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。经对综合保护装置、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。

1 现场问题判断及原因分析

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和母线带载时分闸断路器条件下，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。合闸时的高频干扰明显高于分闸时的高频干扰，它和EMC电磁兼容的经典理论和经验相一致。

针对误发速断动作信号开关柜，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分析如下：

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。该过程中，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（如电流互感器、电压互感器等）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，瞬时功率尖峰可达50 kW。在接地不良的情况下（该时刻在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，在一些特定的频段影响继电器保护装置，使其产生错误的信号，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。

2 现场应急措施分析

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，且保护装置已是模块化制作，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。

目前有关EMC的测试标准有以下7种：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。

该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。

2.1 现场可能应急方案1

20～30 MHz的高频干扰源，即使在1 m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100 Ω的电阻。为避免该情况，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0.2 mm，宽300 mm）。该方案现场测试情况为，开关操作5次，有3次发生误动现象，试验结果表明，该方案在该工程中效果不明显。

2.2 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，具有足够的抑制频率带宽的作用。

该工程选用日本PDK公司的磁氧铁环，分别加在相关的信号线和电源线上做测试，即在综合保护装置的电流回路、电压回路、电源线和HMI电源线上分别加装磁氧铁环。如图 1、图 2所示，1个开关柜内共增加4个磁环。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。该措施在一定程度上改善了综合保护装置的抗干扰能力。

图1 综合保护装置电源线、电流回路、电压回路加磁氧铁环示意图

图2 HMI电源线加磁氧铁环示意图

2.3 现场可能应急方案3

在HMI人机界面上增加不锈钢金属外罩。外罩设计尺寸为330 mm×270 mm×290 mm（长×宽×深），厚1 mm。通过一段时间的观察，增加金属外罩后，HMI发生死机现象明显减少，该方案对HMI的抗干扰有一定效果。

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相关的二次回路增加磁氧铁环的方案。

3 最终解决措施

为了从根本上解决综合保护装置和HMI的电磁兼容问题，在设备厂试验室进行了有关测试，通过深入研究分析，最终确定了该工程的解决措施。

安排生产跟现场配置条件一样的开关柜。按照现场的接线，将现场换回的综合保护装置装到新生产的开关柜上。为了得到一次电压，将母线三相连在一起，通过工频耐压仪施加相电压，柜体一次接地采用 50 mm2铜线连接到耐压试验室的主接地上。操作隔离开关，在不同的措施下，检测二次侧的该干扰量并观测干扰的影响。

3.1 综合保护装置EMC问题的解决

在外部措施没有明显效果的情况下，对现场送返问题最严重的2台综合保护装置内部进行检查。将综合保护装置打开后，逐段检查接触，测试接地电阻，并与不同的板卡进行比较。在检查板卡的过程中，发现模拟量输入卡存在接地不良的情况。

通过对该接地部位状态的重复试验，发现其接地状态对整机的抗干扰能力有着决定性的影响。人为地制造（模拟）接触不良的情况，发现综合保护装置受干扰的现象多次重现；而在其接地良好的状态下，操作隔离开关分合多次，均未出现异常。通过工厂试验，可以判定综合保护装置抗干扰性能差是由于保护装置内板卡部位的接触不良造成的。

现场通过更换综合保护装置的隔板，使模拟量输入卡可靠接地，避免了接触不良的情况，在现场没有发生误跳的现象，证明了该措施是有效的。

3.2 HMI的EMC问题解决

在设备厂内，对二次布线进线作了较大的调整。主要措施包括：对带电显示器传感器二次线进行隔离；带电显示器传感器二次线屏蔽层两端接地，增加屏蔽层在低压室的接地；将HMI的接地线由柜门框架上部移到柜门接地的扁平线上（降低阻抗）；将HMI的数据线进行隔离，单独布线；将HMI的数据线屏蔽层双端接地。

以上措施都没有改变接线原理，只是布线和接线方式的优化。在试验的过程中发现，对于带电显示器传感器二次线隔离有明显的效果。即：带电显示器传感器二次线从开关柜断路器右侧二次线槽分开时，操作50次未再现HMI死机现象。而将带电显示器传感器二次线放入二次线槽时，操作开关，出现HMI死机现象。

现场将带电显示器传感器二次线独立布线，与其他二次线隔离开后，没有发生HMI死机的现象，证明该措施是有效的。

4 需要探讨的问题

根据现场的情况和工厂试验情况，开关柜综合保护装置在受到了快速瞬变干扰，尤其是高频干扰信号时，误发了保护动作信号，并不正常地触发了HMI，使得 HMI出现死机现象。在外部电磁环境不容易改变的情况下，应尽可能提高设备的抗干扰能力。这就需要在工程前期就发现这个问题，并及时予以解决。

对于开关柜综合保护装置，目前都是通过确定抗干扰等级来考核其EMC能力。但是具体是几级，针对地铁环境，笔者认为是一个值得商榷的问题。

工程中，中压开关柜厂家提供的国家继电器质量监督检验中心出具的电磁兼容检验报告指出：其智能保护控制装置通过了 IEC60225-22，IEC61000-4规定的严酷等级为III级的8个电磁兼容试验项目（试验方法根据《继电器及装置基本试验方法》（GB/T 7261-2000））。为了进一步研究，将该开关柜厂的综合保护装置送至南京南瑞试验室，该装置没有通过电磁兼容IV级严酷等级试验。

笔者认为：由于该工程中压开关柜涉及投资巨大，为了保证可靠性，在不增加较多成本的情况下，用户需求中，电磁兼容可按IV级严酷等级考核。

5 结束语

一个地铁工程的 35 kV开关柜的数量往往在200面左右，这对应着同样数量的综合保护装置，涉及的投资额度在千万元等级。对于该工程出现的问题，应充分认识到其严重性以及现场更改的困难。由于将保护装置运回设备厂，进行模拟试验、深入分析原因、拟定最终采取的应对措施及其验证都需要时间，因此建议在工厂中尽量模拟现场情况，尤其是一次系统带电的情况，测试其二次装置的功能，以避免在施工现场发生类似问题。