变电站电磁干扰影响因素及抗干扰措施分析

王 辉，范 震，郭旭光

（河北省送变电公司，石家庄 050051）

变电站电磁干扰影响因素及抗干扰措施分析

王 辉，范 震，郭旭光

（河北省送变电公司，石家庄 050051）

介绍电磁干扰的组成要素和来源，从直接耦合、电场耦合、磁场耦合、辐射耦合四方面分析电磁干扰的影响因素，提出电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽等抗干扰措施，并对各种措施的适应性、有效性进行对比，认为其可以有效保障继电保护的可靠性和稳定性。

变电站；继电保护；抗干扰

由于电力系统设备都处在比较空旷的地方，电力系统经常遇到雷电侵扰，不时发生短路等故障。为满足系统运行方式及设备检修的需要，经常对一次高压设备（断路器、隔离开关等）进行各种操作，此时会产生暂态干扰电压，通过静电耦合、电磁耦合或直接传导等途径进入继电保护装置，其峰值高达几百伏至几千伏，甚至几十千伏，频率则在几百千赫兹至几千千赫兹，甚至高达几兆赫兹。当干扰水平超过装置逻辑元件和逻辑回路的干扰水平时，将引起装置逻辑回路的不正常工作，从而使整个装置的工作不正确。因此，变电所的电磁干扰和继电保护与自动化装置的抗干扰就成为一个很重要的问题［1－2］。

1 电磁干扰

电磁干扰发生作用需要3个“要素”的存在。一个简单的电磁干扰模型，由三部分组成：电磁干扰源、耦合路径和接收器，如图1所示。

图1 简单的电磁干扰模型

产生电磁干扰信号的干扰源可以分为如下3种：

a.自然干扰源，指自然界中存在的干扰源，主要是指雷电，如一次系统遭雷击对二次设备引起干扰。根据雷击点的不同，雷电流将通过不同路径传入变电站。这种干扰源与人类的活动无关，但可以通过各种方法控制其对电力系统的干扰作用。

b.电力系统内的干扰源，指系统本身存在的干扰源。高压变电站是具有高强度电磁场环境的特殊地域。装在高压变电站内的继电保护和自动装置不断受到正常运行情况下和某些偶然情况下产生的强电磁场干扰。研究结果表明在设计条件相同的情况下，弱点情况的暂态干扰电压与运行电压成三次方关系。电力系统内的干扰源也应包括来自二次回路本身的干扰，如断开二次回路中的电磁线圈产生的干扰。

c.电力系统外部干扰源，是与电力系统无关而与人类活动有关的干扰源，如无线电干扰，工作人员在近处使用步话机以及人身触及电子设备外壳产生的火花放电等干扰。

2 电磁干扰影响因素分析

在高压变电站，有多种渠道将电磁干扰源和受干扰的二次回路或二次设备连接起来。这些耦合渠道包括了直接耦合、电场耦合、磁场耦合和辐射耦合。虽然从理论上可以把不同方式的耦合机理明确地予以区分，但实际上，被干扰设备接收的电磁干扰水平往往源于几种耦合方式产生的综合效应。

2.1 直接耦合

接地线引起的直接耦合式多电流回路经公用地线的点耦合。图2是两回路经共用地线耦合示意图。共用接地线是电磁干扰发生的最经常的原因。当大电流接地系统发生单相接地短路时，在变电站的接地网中会流过故障电流，此电流流经接地体的阻抗时便会产生电压降，使变电站内各点的地电位有较大差别。在同一回路中有不同的接地点，当其分布在变电站的不同区域时，各接地点间地电位差就会在连接的电缆芯中产生电流。此外，地电位差也能在两端接地的电缆芯和多点接地的电缆屏蔽层中产生电流，使电缆芯线中产生干扰电压。

图2 两回路经地线耦合

2.2 电场耦合

电场耦合方式：通过干扰源与二次回路之间的耦合电容，将干扰信号加到二次回路。其耦合回路如图3所示。两根具有不同电位的导线之间存在电场，在电场中的其他导线（或设备）与带电体间有杂散电容存在，因此均会有一定电位。

图3 电场耦合方式

2.3 磁场耦合

两电流回路间的磁场耦合如图4所示，磁场干扰耦合由2个或多个电流回路互联磁通为媒介而产生。当回路交流电流产生的磁通交链电流回路时，在回路就感应出干扰电压。此感应电压作用在等值电路中，常用互感电动势或源电压的概念来描述。为干扰源电流，为干扰源与二次回路之间的互感值，则二次回路产生的干扰电压为。

图4 磁场耦合方式

2.4 辐射耦合

输电耦合式以电磁波传播形式进行能量传播的，射线耦合电压和电流的情况具有特殊性。虽然是按波阻抗端接研究，但在导线上还是因共模量的多次反射形成严重的行波震荡。使用屏蔽电缆可减少干扰影响，但投射到地表面的直达波和反射波的叠加场还会使屏蔽上流过电流，借助耦合阻抗的概念，不难理解对电缆芯线还是有影响的。

3 抗干扰措施及其对比

对变电站二次设备而言，特别是微机型的继电保护装置，对干扰信号比以前的保护装置更加灵敏，因此，需要更加完善的抗干扰措施。基本上屏蔽的措施可以区分为，电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽［3］。

3.1 电场屏蔽

屏蔽的作用是通过一个导电外壳，将外壳内区域封闭起来实现的。屏蔽外壳可以使金属隔板式、盒式，也可以使电缆屏蔽和连接器屏蔽。屏蔽的外壳一般都是无缝无孔的、有缝有孔的、金属编织带等3种，后者主要用作电缆的屏蔽。机壳接地也可以使得由于静电感应而激烈在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。

3.2 磁场屏蔽

磁场分为低频磁场和高频磁场，针对不同磁场应采取不同屏蔽措施。针对低频磁场，可用高导磁材料做屏蔽体来实现磁场屏蔽，屏蔽的元器件在平行于磁场的方向不得出现缝隙，以避免漏磁。对高频磁场，由于同时存在电场分量和磁场分量，因此要求电场屏蔽和磁场屏蔽同时进行。高频磁屏蔽是利用屏蔽体产生的涡流反磁场，抵消干扰磁场，从而实现磁屏蔽，因此它要求采用高导电率的材料，如铜、铝等。

3.3 电磁场屏蔽

对电磁辐射的抑制主要采用屏蔽的方式，基本原理和高频磁屏蔽一致，是利用电磁波在屏蔽界面上的反射损耗和屏蔽层内部的吸收损耗（涡流）来衰减电磁场能量。不同材料，不同的材料厚度，对于电磁波的吸收效果不一样的。电磁波的反射问题比较复杂，他不但与屏蔽材料的表面阻抗有关，也与波阻抗的大小及辐射源的类型有关。电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收这两种机理。

3.4 3种屏蔽的对比

3种屏蔽的共性是防止外界的电磁场进入到要保护的区域中去。都是利用屏蔽壳上有外场感应产生的效应，来消抵外场的感应产生的影响。但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽壳的要求及其效果也不相同。

静电场的屏蔽是根据电感应来实现。封闭导体的屏蔽作用是完全的，对屏蔽壳的厚度和电导率并无要求。也就说厚一点和薄一点的屏蔽壳，效果并无差别，导电率低得和导电率高的金属，效果是一样的。

用磁路定理来屏蔽磁场时，封闭外壳的内部，磁场减弱更是明显。但是从理论上讲，壳的内部的磁场并不能等于零。因此，用磁路定理静磁场屏蔽是不完全的。壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响，壳越厚，导磁率越高屏蔽的效果也越好。如果用超导体时，可以得到完全屏蔽磁场的目的。这与超导体的厚度无关。

对于低频交流电的电场，就可以归结到静电屏蔽一类中来解。静电屏蔽依据的原理是：在外场的作用下，导体表面电荷将重新分布。直到导体内部场强处处为零才停止。高频电场的屏蔽是基本上由良导体上的反射来实现。

3种屏蔽的结果见表1。表中的正号表示可以屏蔽，负号表示不能起屏蔽作用。

表1 3种屏蔽的结果

4 结束语

继电保护干扰是直接关系到整个电网的安全运行的关键。除了以上提到的防护办法以外，还可在变电站内形成一个良好的接地系统，在关键位置加装滤波装置等措施。只有完整缜密的抗干扰措施，才能将电磁干扰的影响程度减到最小。

［1］宋继成.220～500kV变电所电器接线设计［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］黄 海，张 辉，华 栋.变电站内的电磁干扰及电磁兼容问题［J］.电力建设，2002，23（2）：32-33.

［3］景敏慧.变电站电气二次回路及抗干扰［M］.北京：中国电力出版社，2010.

本文责任编辑：王丽斌

AnalysisonSubstationElectromagneticInfluencing FactorsandAnti-interferenceMeasures

Wang Hui，Fan Zhen，Guo Xuguang
（Hebei Electric Power Transmission ＆ Transformation Company，Shijiazhuang 050051，China）

Introduces elements and the source of electromagnetic interference，analysis of the influence of electromagnetic interference factors from direct coupling，four aspects to electric field coupling，magnetic coupling，radiation coupling，and such as electric field shield，magnetic screen and electromagnetic shielding anti-interference measures，and comparing of various measures adaptability，effectiveness，it can effectively guarantee of relay protection reliability and stability.

substation；relay protection；anti-interference

TM77

B

1001-9898（2015）03-0049-03

2015-03-03

王 辉（1985—），男，工程师，主要从事变电站建设、调试方面技术工作。