变电站计算机场地电磁干扰分析

周利强

(广西电网公司崇左供电局，广西 崇左 532200)

1 引言

随着电力工业的迅速发展，电力自动化设备越来越广泛的应用于控制与调度。随着这些电力控制与保护设备功能强，体积小，但对外界的电磁干扰敏感性远大于传统设备，而且电力系统的大部分控制保护设备都在变电站［1－4］。

目前，变电站的微机保护装置己经突破常规继电器的概念，正向智能化、计算机化、网络化发展，保护、控制、测量和数据通信实现了一体化，而且计算机硬件、软件设计也越来越复杂，致使计算机场地的装置对电磁骚扰具有更明显的敏感性和脆弱性，这些装置如果工作在电磁环境极其恶劣的变电站中，其电磁兼容水平、可靠性等因素对电力系统的安全、稳定极其重要［5－9］。而且位于变电站场内的继电保护装置比主控制室内继电保护所遭受的传导性骚扰及辐射性骚扰强许多，微机保护装置的电磁兼容问题变得十分突出。如何保证继电保护装置在日益复杂的电磁环境下安全可靠地工作，保证继电保护的电磁兼容性，已经成为电力工程界日益关注的问题［10－12］。

基于此，本文分析了变电站计算场地的电磁干扰源与传播路径、电磁干扰强度的计算方法以及电磁干扰的预防措施。

2 电磁干扰源、传播路径与危害

首先分析几种典型的变电站电磁干扰源:在变电站中，输电线路或母线会产生工频电磁场，这种工频电磁场是时刻存在的。一般在容量不变的情况下，电压等级越高，电场强度越大，磁场强度越小。在220kV户外变电站内的高压母线或线路下，当线路电流为0.5kA时，工频磁场的最大强度为14A/m，而当电压等级为500kV时，工频磁场的最大强度为6A/m。

当电网发生短路时，短路电流电流经接地点流入地网，会导致接地点和整个接地网的电位升高，此时如果变电站计算场地与短路电流入地点的距离较近，这些接地点的电位也会升高，就会在变电站二次回路中产生共模干扰电压。据统计变电站内高压母线的单相接地时，在二次回路的电缆芯线上产生的干扰电压比较严重，其峰值可达到几十伏到近万伏。

雷电电流是比较强烈的电磁扰源，会在周围空间辐射电磁场，从而变电站内的金属设备外壳感应出很高的电压。变电站中的信号线与电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲，可能会造成一次设备绝缘的破坏，而且雷电压和雷电流通过容性耦合、感性祸合或阻性祸合而传到二次设备上，也可能造成二次设备的不正确动作。

此外，变电站内的断路器开断高压母线和高压线路、变压器与电抗器的投入和退出、电容器组的投入和退出以及隔离开关的开断都会产生暂态过电压，形成一个衰减振荡过程，直接影响到变电站二次回路。

根据变电站电磁干扰传输途径的不同，可以将其分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰是通过金属导体及变压器、电容器或电抗器等的传导，其特点是，载体在传导电磁干扰信号的同时会消耗干扰源的能量。

辐射干扰是以发射电磁波的形式进行传播，其特点是干扰源对外辐射能量，具有一定的方向性，并且辐射的能量随着距离的增加而逐渐减弱。

变电站的电磁干扰会产生一系列的危害:电磁干扰引起的电网电压、频率的波动会影响计算机的供电，可能造成计算机系统工作不稳定甚至死机。电磁干扰信号如果侵入保护系统，就会和系统信号叠加，引起模拟量失真，造成采集信号的错误和计算的准确性，严重时会引起保护误动作。

综合自动化系统在变电站中应用广泛，其开关量的输入，主要依靠断路器、隔离开关的辅助触点等，而且开关量的输出，大多数也是依赖对断路器、隔离开关的控制。变电站中的断路器和隔离开关都处于强电一次回路中，如果与二次系统直接相连，必然会引起较强的电磁干扰，干扰可能使断路器或隔离开关的辅助触点抖动甚至造成分闸、合闸位置的判断错误。

3 变电站的电磁干扰强度计算

变电站计算机监控系统的工作电磁环境的重要指标是磁场强度。在干扰源近区，满足电磁场的似稳条件，不计推迟作用，干扰源传导电流的磁场干扰满足安培环路定律:

图1 有限长线电流的磁场强度

对于有限长的线电流，根据安培环路定律，可得图1中三点处的磁场强度为:

式中，R1，R2，R3为被研究点到导线的垂直距离。

为了工程计算方便，可设定坐标，取线电流i的起点坐标为(x1，y1，z1)，终点坐标为(x2，y2，z2)，研究点的坐标为(x，y，z)。由于水电站中干扰源线电流通常是有规律排置的，故设线电流平行与坐标轴。

以线电流平行于Z轴为例:

图2 平行Z轴的线电流及其磁场

如图2(a)，由于线电流平行于Z轴，则x1=x2，y1=y2，P(x，y，z)点到线电流直线垂足坐标是(x1，y1，z)，所以P点的磁场强度为:

由图2(b)得三坐标轴方向的分量:

如果在某点P，受到若干线电流干扰源的影响，则:

上式也可用于三相敞露母线的磁场干扰的计算。

在计算不连式封闭母线的磁场强度时，先要计算每相外壳的涡流，则母线外的磁场强度就等于母线电流和外壳涡流所产生的总磁场。不计外壳电阻，假定进行了3级映射，各相的外壳涡流计算式如下:

式中，IA、IB、IC为三相母线电流;bn为原电流源与n级映射电流源的轴偏，轴偏的计算如下:

bn=1/qn

qn+1=s+bn

bn+1=1/(s+bn)

qn+2=2s+bn

bn+1=1/(2s+bn)

其中，s为导体间半径。

4 电磁干扰预防措施

电磁干扰对变电站计算机系统在线运行的影响严重，若不采取有效措施，将产生严重后果，一般通过屏蔽、接地、滤波等措施予以消除。

4.1 屏蔽措施

屏蔽是变电站中常用的电磁干扰预防的措施，它是以金属屏蔽的方法来消除电磁干扰。其电场屏蔽是通过使用导体制作而成的接地网络以保证零电位，可以有效阻止设备外的电场干扰;磁场屏蔽是在低频段使用导磁材料较好的硅钢等金属作为屏蔽体，是干扰磁场的磁力线沿磁阻较小的屏蔽层通过，以阻止干扰磁场进入设备内部。

4.2 接地屏蔽

变电站中一次系统接地是以防雷和保证安全为目的，但它对二次回路的电磁兼容有重要的影响。如果接地合适，可以减少站内的高频瞬变电压幅值，特别是减少电网中各点的瞬变电位差，减低了电网中的瞬变电位升高，这对二次设备的电磁兼容很有好处。

4.3 滤波屏蔽

变电站中的电磁干扰是不可能完全消除的，设置滤波器的目的在于尽量将干扰衰减到符合标准的技术水平，不会导致计算机系统装置工作错误。在各类电磁干扰中，快速瞬变干扰是比较严重的一类，其频率成分最高可考虑到400MHz，在有条件的场合应尽可能地采用低通滤波器。

5 总结

随着电力系统的不断发展，变电站的电磁环境会越来越恶劣，国内外对产品的电磁兼容测试要求也会越来越严格，选用的严酷度等级会越来越高，所以不断研究新方法、新型的抗电磁干扰材料、提高电子元件自身的抗电磁干扰能力，具有十分重要的意义。针对变电站运行中发现的电磁干扰问题，需要进行系统的分析，提出最优的预防方案。由于运行条件的限制，实现时可能具有一定的困难，在实践中需要结合现场实际情况，进行系统的研究。

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