6kV 高压开关柜通信线路的改进

孟 杰 贾晓东

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024；2.中核北方核燃料元件有限公司，内蒙古 包头 014035）

某变电站6kV系统使用珠海万利达系列微机线路（电容器）保护测控装置，监控系统为南瑞NS2000监控装置。通过NCS222通信控制器进行规约转换后送到后台机。6kV系统与通信控制器通过485总线通信，110kV系统与通信控制器通过CAN总线通信，如图1所示。

图1 监控系统配置图

为了提高提高485通信网的可靠性，通信的实时性和准确性，增强总线的抗干扰能力，需选用合适的485通信电缆，选用合理的接线方式和布线路径。

1 电缆的选择

1.1 双绞线传输速率与距离的关系

RS485采用双绞线作为传输媒体，最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbit/s，传输速率与传输距离成反比，在100kbit/s的传输速率下，可以达到最大的通信距离，100m长双绞线最大传输速率可达到1Mbit/s。如果需传输更长的距离，需要加485中继器。

1.2 电缆的特性阻抗

在通信总线上信号源发出的功率越大，信号在通信线上传输的越远。信号源内阻抗r一定，当负载阻抗和信号源内阻抗之间达到一种特定配合关系时，信号源输出功率最大，这种配合关系叫做阻抗匹配。设信号源是电动势为ε电源，通信线是阻抗为R的负载，通过电路的电流强度为I，电源输出功率为P出，根据全电路欧姆定律

则

当外电路电阻R等于电源内电阻r时，信号源输出功率最大

如果信号源和通信线不匹配，既会影响信号源的输出频率和功率的稳定性，又使信号源不能给出最大功率，负载又不能得到全部的入射功率。RS485的输出特性阻抗一般在120Ω以上，因而选用特性阻抗为120Ω的通信电缆是保证信号高速稳定传输的首要条件。

1.3 电缆的选择

RS485通信距离与对应电缆（特性阻抗120Ω）的导体截面积也有一定关系，见表1。

表1 RS485最大无中继传输距离

综合以上对 485通信线的要求，根据某变电所6kV开关柜综合保护装置与通信控制器的距离（＜100m）和每条通信总线上所挂接的设备数量（11个），考虑日后通信点数的增加，选择型号为RVVSP4×0.3的485通信专用电缆作为通信线，特性参数和结构分别如表2和如图2所示。

2 接线方式和布线路径

2.1 连接方式

RS485总线网络拓扑结构采用总线型结构，不支持环形或星形网络，如图3所示。

表2 电缆特性参数

图2 RVVSP4×0.3结构图

图3 总线型结构

引出线增加了总线上的接点、接头的处理、引出线屏蔽的处理，这些都会导致通信网络抗干扰性和可靠性的降低，于是将总线型结构简化去掉总线到每个节点的引出线，得到如图4所示的手牵手的总线拓扑。

图4 简化后的总线型结构

2.2 变电所内的干扰

在变电所的6kV配电室内，电磁场环境非常复杂，存在以下几种干扰源：工频 50Hz干扰、高频干扰、雷电引起的干扰、控制回路产生的干扰、高能辐射设备引起的干扰。这些干扰信号，会导致通信传输信号的不稳定，因此需要通过一些措施将干扰尽可能的降低。

2.3 双绞线的抗干扰性能分析

使用双绞线在抑制外部磁场干扰时效果非常有效。双绞线消除干扰的原理如下所述：

干扰信号对扭绞双线回路的干扰，见图5。双线回路在中点位置进行了一次扭绞。在L1上存在干扰电流I11和I12，在L2上存在干扰电流I21和I22, 干扰电流I=I21+I22-I11-I12，由于两段线路的条件相同，所以，总干扰电流I=0。

图5 扰信号对扭绞双线回路的干扰

选用的RVVSP4×0.3，扭绞长度为1.5cm，按逆时针方向扭绞。相临线对的扭绞长度为12.7cm，所以为了取得更好的抗干扰效果 485+和 485-接在一对互为双绞的信号线上。

2.4 屏蔽电缆的接地

采用通信电缆屏蔽层接地是抑制电磁干扰最有效和最廉价的方法。

1）接地方式的选择

通信电缆的屏蔽层接地分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。单点接地是指设备中信号电路先参考于一点，然后把该点接至设施的接大地系统，如图6所示。其优点是简单实用，地线上其他部分的电流不会耦合进电路。

图6 单点接地

根据485通信的特点选择单点接地作为通信电缆屏蔽层的接地方式，具体做法为一条总线上到各设备通信线的屏蔽层连为一体在一端接地。这样各保护装置及通信控制装置都置于同一等电位平台上，这个等电位面应该与地网只有一点的联系，这样的等电位面的电位，可以随着接地网的电位变化而浮动，同时也避免地电位差串入等电位面，从而保持各联网设备的地之间无电位差，保证联网通信的可靠运行。

2）采用一点接地时的干扰情况分析

图7 一点接地时的干扰情况

屏蔽电缆的干扰源在外导线中产生的干扰磁通以虚线同心圆表示，这些磁通的一部分包围屏蔽电缆心和其屏蔽层（可近似认为包围这两种的磁通相等），如图7（a）所示。它在电缆心和屏蔽层中感生一电势Es，产生屏蔽层电流Is，如图7（b）所示。电势Es等于屏蔽层电流在屏蔽层电阻Rs和自感抗上Xs的电压降落，即：Es=IsRs+jIsXs。屏蔽层电流所产生的磁通包围着屏蔽层，也全部包围着电缆心，这些磁通和外导线产生的干扰磁通方向相反，故称为反向磁通，在图7（a）中以实线同心圆表示。按电磁感应原理可知，在理想情况下，如果屏蔽层电阻为零，这种反向磁通可将干扰磁通全部抵消，即反向磁通在电缆心中产生的互感电动势Er和干扰磁通在电缆心中感应的电动势Es大小相等，方向相反。设屏蔽层对电缆心的互感抗为Xm，则：Er=IsRs-jIsXm。

因屏蔽层将电缆心完全包围在内，故Xm=Xs。从上式可看出，如果屏蔽层电阻Rs=0，则 Es=-Er。但是屏蔽层不可能没有电阻，因此干扰磁通在电缆心中感应的电动势不能被抵消的部分为Es+Er=IsRs，即与屏蔽层的电阻成正比。因此，在通信电缆屏蔽层一点接地系统中，干扰电势的大小与屏蔽层的电阻率有关，要有效地消除电磁耦合的干扰，就必须采用电阻率小的材料做成屏蔽层。

我们选用的通信电缆RVVSP 4×0.3屏蔽层采用纯铜编织网90%覆盖，有效地阻止干扰源对通信信号的干扰。总体线路如图8所示。

2.5 布线路径的选择

图8 改进后通信线路图

485通信线布线路径应尽量避免与大功率电力线平行，更不能穿在同一管内。电缆沟内大量的6kV电缆在周围形成一个很强的电磁场，此次改造由于条件的限制，尽量减少485通信线在电缆沟内布线，电缆沟内的通信线固定在沟壁上，尽量远离电力线路，远离干扰。

3 结论

通过使用阻抗匹配的485通信专用电缆，和规范化的接线方式，使6kV通信系统的可靠性、实时性、有了很大的提高，尤其在抗干扰性能方面增加了屏蔽一点接地和使用双绞线双重抗干扰措施。通信系统可靠性和抗干扰性的提高，降低了在遥控操作时出现“遥控失败”的机率，缩短了简报信息的上传时间，为运行人员分析问题，处理问题提供了准确及时的信息，为事故状态下恢复供电赢得了时间，减少了损失。

[1]余锡存等主编.单片机原理及接口技术[M].西安电子科技大学出版社,2000.

[2]马骏娇编写.基于 485总线的实验教学系统研究[D].大连:大连理工大学,2004.

[3]虞日跃,史洪.RS一485总线的理论与实践[J].电子技术应用,200l.

[4]马新平.NSC系列通信控制装置技术使用说明书,2004 V3.01.