现代防雷技术课件第八章-变电所地电位干扰及防护措施研究.pptx
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1、n 因而,研究雷电流入地、工频接地短路造成的变电所接地网局部电位升高,分析地网局部电位升高对微机保护、综合自动化系统、调度自动化系统的干扰和影响,弄清这些干扰的形式、幅值和对微机保护、综合自动化装置的危害程度,找出现有抗干扰措施的不足并对其进行完善和修正,从而提高微机保护综合自动化系统和调度自动化系统的抗干扰水平,对于确保电力系统的安全稳定运行和可靠性有着重要的作用。这些研究不仅具有很强的应用背景,同时也具有较大的理论意义。n 变电所是强电设备和弱电二次设备最为集中的场所,电磁环境也极为复杂1。电源系统、控制设备等二次设备通过测量、控制、通信线路及其它电缆与一次设备和其它变电所相连,极易受到雷
2、电冲击和工频接地短路造成的局部电位升高形成的地电位干扰的影响,因而造成测量和控制的误差及错误。严重情况下还会产生过电压而损坏二次设备。特别在发生雷击时,强大的雷电流会在低压供电系统及弱电系统产生很强的感应过电压,同时使变电所的地电位升高,因地电位升高造成对线路及设备的反击而损坏线路及设备的事件时有发生,尽管变电所的外部防雷系统(避雷针、引下线及接地装置)符合国家及部颁标准的要求,且其综合自动化和通信自动化等二次弱电系统也采取了诸如屏蔽、接地、隔离、滤波等措施,但却不能完全避免强大的雷电过电压及电压反击对系统造成的干扰和破坏。因此,变电所内的抗干扰问题显得异常重要。n 最早研究变电所电磁兼容的是
3、上世纪60年美国电力工程技术人员,认识到变电所中的电磁干扰问题是主要对从电子电路到电缆的电磁干扰耦合过程进行了研究,其成果后来形成了美国国家标准协会(ANSI-American National Standards Institute)的ANSI C37.90标准中的一部分内容2。n 自1970年开始,主要对变电所高压开关场内的电磁干扰进行了研究。但由于记录仪器的触发信号不易控制,因此所测得的信号难以代表最严重的干扰情况。1978年美国电力科学研究院(EPRI-Electric Power Research Institute)启动了编号为RP1359的研究项目,建立了一套新的变电所保护和控制
4、系统,对变电所开关柜的电磁干扰进行了研究,但并未研究二次设备所处的电磁环境。通过研究表明,开关操作产生的电弧并非主要的电磁干扰源,电磁干扰主要通过母线与二次设备间的辐射性电磁耦合产生3。n 上世纪80年代初到90年代末,美国和加拿大及其它国家的电力科学工作者对变电所内开关操作、瞬时故障和雷电冲击时的电磁环境进行了合理而有效的预测,收集了一些变电所内瞬态电磁干扰数据,讨论了高压母线上干扰源耦合至屏蔽控制线各芯线上的电磁干扰特性,为继续深入研究进行了有益的尝试4-7。n 近年来,国际上对电力系统的电磁兼容环境问题非常关注。2001年8月在印度召开的第12届国际高电压会议(ISH)上将电力系统的电磁
5、环境问题列为会议的一个主要议题;在2003年8月在荷兰召开的第13届国际高电压会议(ISH)上已经将电磁环境列为会议的优先议题。许多国家在致力于研究工作及加强技术生产领域里的法规外,有的甚至还以法令的形式去贯彻执行标准。例如欧洲共同体委员会于1989年颁发了89/336/EEC指令,明确规定从1996年1月1日起,所有电子、电气产品必须通过EMC性能的认证,否则,禁止进入欧洲共同体市场8。n 在我国,随着生产、技术的发展,虽然也早已开展了电磁干扰方面的研究及标准化工作,但在工作的深度、广度以及研究试验工作的技术装备方面,还远不能满足需要。目前,国家电力公司非常重视研究变电所瞬态电磁环境问题,并
6、将电力系统电磁兼容问题列为今后电力系统发展中必须解决的关键问题之一。同时在武汉高压研究所、南京自动化研究院和华北电力大学建立了电磁兼容实验室,除了装备符合国际电工委员会(IEC-International Electrotechnical Commission)电磁兼容标准(即IEC61000-4系列的标准)的电磁兼容性实验系统外,还引进了空间瞬态电磁场测量系统和电力系统电磁干扰预测分析软件。n 变电所内的电磁兼容问题现己受到世界各国的普遍重视,各国学者对此进行了大量的理论研究和试验研究。通过分析各种参考文献,针对国内外对变电所电磁兼容问题所作的研究,概括起来主要包括以下几方面:n8.1.1干
7、扰源的分析n 国内外对干扰源的研究涉及各种干扰的来源(例如核爆、雷电、开关操作、各种无线电发射、静电放电等),干扰产生的原因、机理及其特性(如波形、幅值、频率、持续时间等)8。n 干扰的起因很多,干扰可以起源于自然界(如雷电、磁暴),也可以是人为产生的(如开关操作,各种带电导体的开合引起的放电、电晕、各种无线电发射等)9。总之,一切电磁能量的发射者,都可能成为干扰源。而接受此能量且影响到自身性能者即成为受干扰者。国内外对电磁干扰现象的大量分析表明,电磁干扰源主要包括1:n(1)正常运行的空间电磁场的分布;n(2)操作、短路或雷电时在不同位置产生的空间电磁场;n(3)开关操作或雷电时经互感器传递
8、到二次系统的电磁干扰;n(4)短路电流或雷电流经接地系统流入大地,经二次电缆传到二次系统的电磁干扰;n(5)空间电磁场在二次系统产生的电磁干扰。n 干扰的特性可按其频带或波形来分类。按频带宽度可分为宽带干扰和窄带干扰。一般认为窄带干扰的带宽只有几十赫,最高几百千赫;宽带干扰的带宽则为几十到几百兆赫甚至更宽。知道干扰的带宽及其中心频率,对采用滤波的办法抑制干扰有重要意义。按波形分类干扰波可分为周期性的、非周期性的和随机的三种类型。波形是决定干扰占有带宽的一个重要因素,脉冲波形的前沿上升速度和下降速度越快,其频谱覆盖范围就越宽。通常,脉冲波形包络的面积决定其频谱中的低频含量,而脉冲沿的陡度则决定其
9、高频成分。n8.1.2干扰的耦合途径n 上述各种途径产生的干扰进入二次电缆的耦合方式可归为两种:共模耦合和差模耦合。共模耦合(也称纵态干扰CMI-Common Mode Interference)是指出现于导线和地之间的干扰。差模耦合(也称横态干扰DMI-Differential Mode Interference)是指出现于信号回路内的与正常信号电压相串联的一种干扰。干扰源对二次电缆线路的耦合途径有电导性耦合、电容性耦合、电感性耦合等10,具体方式主要有:n (1)干扰电压通过回路空间的电容耦合在二次电缆外皮及弱电回路感应出干扰电流,形成干扰。n (2)高频电流产生的交变磁链和二次回路交链,
10、在二次电缆外皮及弱电回路感应出干扰电势。n (3)雷击或系统短路等原因引起的暂态大电流注入地网时,由于二次电缆外皮两端与地网相连,由于地点位升高,相当于在该点和地之间接入一个电压源,它作用在回路中所有的端子和地之间,称之为共模干扰。此外,两端接地点电位不相等,从而形成电缆外皮电流,由于电磁耦合的作用,会在电缆芯线上产生差模干扰电压。n 对于电力系统二次部分的电磁干扰防护控制,要从控制干扰源、降低干扰源与敏感设备的耦合程度和提高受影响设备的抗干扰能力三个方面协调地采取措施。对于变电所二次设备的抗干扰性就是要针对二次回路中始端,传输端和终端仪器引入的干扰分别采取不同的抗干扰措施。n 采用屏蔽电缆是
11、抑制二次线路系统高频暂态电压的主要措施之一,也是研究较多的防护电磁干扰的方法。屏蔽不仅能防止外界电磁场对信号线的干扰,同时也能防止信号产生的电磁场对外界的干扰,也即主动屏蔽和被动屏蔽。对于屏蔽电缆而言,屏蔽层电流、屏蔽层两端的接地类型和电缆的转移阻抗决定了耦合到电缆芯线上的干扰值。国外从60年代以来不断开展关于如何限制二次线路系统高频暂态电压的试验研究工作,但这些算法和测试技术集中于高压开关动作和电网故障时的EMI问题11-12。对于冲击电流进入地网后的电磁暂态过程,国内的文献也是浅尝则止。1991年左右有一些单位联合研究雷电流在接地网上的分布及对二次回路的影响,对雷电流在接地网上的分布采用龙
12、格一库塔法对网络状态方程求解,也曾得出一些结论,但只对电缆两端接地,平铺于地网正上方时的情况进行分析13-14。对电缆不同接地方式时所受电磁干扰的变化,也曾经有人做过一些工作15。该文献同时从抗干扰和防止过电压的角度分析了屏蔽层的作用,认为两点接地后屏蔽层中流过的电流主要是外界电磁场感应产生的,实际作用是抵消外界电磁场的干扰,因此两端接地提高了电磁兼容水平且减少了电缆在各种情况下产生的过电压,屏蔽层中流过电流对芯线干扰很小。而文献16从定性上分析了n采用带屏蔽层的控制电缆作为有效减小耦合电压的措施,以及利用电缆屏蔽层多点接地减弱干扰。文献17中提出一种同时考虑感性耦合和阻性耦合的地下导体电磁屏
13、蔽的计算模型,利用该模型进行了地下金属管道对其内通信电缆和屏蔽线对其附近通信电缆的电磁屏蔽计算。早在1960年前后,日本就在配电线路上采用地线来抑制感应电压。文献18中作者就用实验的方法探讨了采用地线防止感应电压的效果,特别对于多导线系统,而且仅将在一个点上产生的静电场作为雷电感应的感应源,同时在计算地线的实际效果时,需考虑整个雷电通道的静电场和磁场。n 目前,对于电力系统二次部分的研究主要有:1)输电线路过电压引起的二次部分电磁兼容问题19-20;2)操作过电压引起的电磁兼容问题21-22;3)有限长线路耦合电磁场算法问题研究23-24;4)建筑物内雷电感应过电压研究等24-25。却鲜有文献
14、提出整个发变电所在遭受雷击或发生工频短路后,各种控制、信号、通讯电缆如何采取具体措施防护经二次电缆传到二次系统的地电位干扰,以达到保护设备,减少损失之目的。因此有必要对于工频短路电流或雷电流入地引起的地电位干扰以及其防护措施的研究进行系统的研究。第二节 变电所地电位干扰的途径、耦合机理及危害分析n 变电所的一次系统是变电所最大的暂态干扰源,一次系统中发生的任何形式的暂态过程都会通过不同的耦合途径传入二次系统中形成暂态干扰。暂态过程产生的原因有雷击、一次系统短路等等。变电所二次系统地电位干扰是短路电流或雷电流经接地系统流入大地,经二次电缆传到二次系统的电磁干扰。研究干扰的途径和耦合方式有利于找出
15、控制干扰的措施。对于各种干扰源的存在,首先要弄清楚干扰源的性质和主要传播途径,才能采取相应的抗干扰措施。如对于测量、控制和信号系统都采用屏蔽电缆,把暂态和高频扰动限制在可接受水平之下。n 为了研究问题的方便,可将干扰系统作为单输入的情况处理。将二次设备接收的瞬态干扰量是否超出其抗扰度作为衡量标准,那么也可以将干扰系统作为单输出情况处理。这样,干扰系统耦合模型的总体框图可由下图2.1描述。n图8-1 干扰系统耦合模型的总体框图n8.2.1、雷电流入地时引起的地电位干扰n 雷击是变电所二次设备及其相应回路受干扰的主要来源。变电所可能直接遭受雷击(直击雷),而更多的情况是线路遭受直击雷或感应雷(雷击
16、线路附近,在线路上产生感应过电压),雷电波沿线路侵入变电所26。变电所或输电线路遭受雷击,会有雷电流经由避雷针、避雷器或避雷线的接地引下线流入地网。由于地网接地体阻抗,特别是感抗的作用,使得在雷电流下的地网电位分布极不均匀。同时由于地网接地体上的电流随时间的变化率(di/dt)很大,使地网附近的二次线上产生较高的感应电势。二次设备对这种幅值高、变化快、持续时间短的暂态干扰极为敏感,若该干扰电压幅值超过二次设备入口端可以承受的干扰的最大值,就会影响保护装置正常工作,甚至会使其损坏,造成地电位干扰事故。n 1.雷电流入地引起地电位干扰的途径n 高频雷电流入地后之所以会在变电所地网系统内产生暂态地电
17、位升,使得地网不同点存在电位差,引起地电位干扰的原因有:n a地网在高频下表现出来的高阻抗;n b从设备到地网的接地线的高阻抗,其值约为1H/m;n c短的电流上升时间和0.3m/ns的传波速度,在短的传波距离内产生很高的电位差。n 而雷电流入地的途径主要是通过避雷针、避雷线和避雷器的接地引下线。n (1)雷击独立避雷针引起的反击电压n 当雷击中避雷针时,雷电流经过独立避雷针的支柱或引流线和接地体流入地中时,在支柱和接地体会上产生很高的冲击电位27。取雷电流的平均陡度为0.333IchkA/s.避雷针高h处的高压(kV)可用下式计算nUch=Ich(Rch+0.33Lh)(8-1)n式中 L支
18、持构筑物单位长度的电感,h/m;nh计算高度,m;nRch冲击接地电阻,kA;nIch雷电流幅直,kA。n 在避雷针的入地点的冲击电位 ,是与雷电流幅值相关的一个很大的值,这将造成变电所的地电位的升高,地网电位分布不均,在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场,从而引起地电位干扰。n 另外,雷电通过避雷针泄放到电缆沟中的地线上,地线上的雷电流通过电磁感应会在电缆沟中的各种动力电缆、信号电缆、控制电缆上产生感应过电压,造成与电缆相连的设备中的微电子部分损坏。n (2)雷电流通过避雷线入地造成的地电位干扰n 电力系统中,对于110kV的线路一般全线架设避雷线,而35110kV未全线架设避雷线线路的变电所
19、的一段进线上必须架设避雷线限制流经避雷器的雷电流和限制侵入波的陡度。当有雷电流流经避雷线时,雷电波在传播过程中将在阻抗的不连续点产生折反射现象,若为末端接地的线路,即为末端短路的情况,折射系数,反射系数28,故经避雷线接地引下线入地的雷电波,电压u变为0,电流i增至原来的2倍(如图2.2),于是在入地点有变化很强的电磁场,导线等的自感和互感不能忽略,正常情况下可视为等电位的各部分,此时将产生较高的电位差。n图8-2雷电波沿避雷线接地引下线入地n(a)雷电波流经避雷线(b)电压波(c)电流波n (3)避雷器接地线引起的反击过电压n雷击波除了经避雷线、避雷针的接地引下线注入地网外,也可能是当雷击在
20、变电所内或输电线路上时,雷电冲击波将经变电所内母线传导经避雷器流入大地,注入变电所的地网,在地网中传播最终流向大地远方。此时,由于电与磁的耦合,在二次回路导线与地间产生了干扰电压E。n式中,RK耦合电阻nLK流通雷电流的回路与二次导线回路(包括地回路)之间的互感。上式中,一般右侧第二项远大于第一项。n 2、雷电流引起的干扰对二次回路的耦合方式n 雷击变电所引起地网电位升高且分布不均匀,对二次电缆产生干扰侵入变电所自动化系统的耦合可归为两种:共模耦合和差模耦合。n (1)共模耦合n考虑干扰源影响,并将干扰源等值以e(t)表示,且考虑末端接地阻抗,共模电压同时作用于电缆的芯线和屏蔽层,然后在电缆末
21、端形成共模干扰电压,以单芯电缆为例,最终的等值电路如图2.3所示。n图8-3 共模耦合等值电路n 图中,Z1一电缆首端元件的等效阻抗,Z2一电缆末端设备的输入阻抗,Z3一电缆末端接地阻抗,u(t)即电缆芯线与外皮间干扰电压。n雷击变电所地网时,由于地电位升高产生的干扰e(t),容易以共模信号的形式耦合到地网周围的二次电缆的外皮和芯线上,从而在电缆末端产生干扰。n (2)差模耦合n 当电缆屏蔽层流过感应电流,通过转移阻抗耦合至芯线,最终在电缆末端产生干扰电压u(t),将电缆屏蔽层电流流动看作是回路中有驱动电势存在,并视为等值电压源e(t),计算时,只考虑等值电压源e(t),将有用信号视为电流源开
22、路。由此得到差模耦合时的等值电路,如图2.4所示。n图8-4 差模耦合等值电路n 在电缆的屏蔽层出现感应电压e(t)与电缆传输的有用信号相串联,共同作用于电缆的输入端,以差模耦合的形式在电缆的末端产生干扰。由于二次电缆直接与二次设备相连,雷击变电所地网通过共模差模耦合在电缆末端产生的干扰将对电力系统的自动化系统造成影响。严重时会危及发电机、变压器等一些主设备。n8.2.2、工频短路电流引起的地电位干扰n 引起地电位干扰的另一个重要原因是工频短路对二次回路造成的干扰。当系统发生短路时,强大的短路电流进入地中在地网的接地电阻上产生很高的电压降,使接在地网上的二次电缆和二次设备上也出现很高的电位,造
23、成二次电缆和二次设备的绝缘击穿或烧毁。同时,强大的短路电流在地网(包括二次电缆的外皮)上的流散使电缆的芯线上产生感应电压,严重地干扰二次设备的正常运行,甚至于造成事故。n 工频短路时,虽然短路电流值比雷电流小,但短路电流的作用时间长,雷电流的幅值主要在波头,其作用时间为1-4微秒,短路电流的作用时间最快也需0.2秒左右时间,故短路电流作用时间至少要比雷电流作用时间长50000倍,因此能量大于雷电流能量。电流产生的热量Q=I2Rt,在同一电流通过中,R相等(不考虑频率因素)。假设短路电流I1=1kA,作用时间t1=0.2S;雷电流幅值I2=5kA,作用时间t2=4S分析比较如下:nQ1/Q2=I
24、12Rt/I22Rt=(120.2106)/(524)=2000 (8-3)n 在同一电流通过中,10kV工频短路电流所产生的热量比5kA雷电流产生的热量大200倍。当工频短路电流为16kA时,其产生的热量将比5kA雷电流产生的热量大512000倍。因此,由于系统发生短路抬高地电位造成的干扰也不容忽视。n 1、工频短路电流入地引起地电位干扰的途径n (1)影响地电位升高的因素n由短路引起的工频电压升高属于内过电压的范畴,主要表现为在站内设备发生接地故障时短路电流在变电所接地电阻上产生的电位升高。对于变电所内可能出现的地电位升高及其幅值主要取决于以下几种因素:(1)电力系统结构及运行方式;(2)
25、设备所在变电所接地网状况;(3)变电所出线回数;(4)系统单相接地故障电流的大小。n (2)地电位升高的两种途径n电力系统的接地故障在土壤中所产生的电流会使故障点和电源接地电极附近的电位升高,这种地电位可通过两个途径影响设备。1通常系统发生单相接地故障时,故障点在变电所内接地短路电流最大。此时,短路电流分成两个途径:一是经本变电所变压器接地中性点构成回路;二是经系统中其他变压器接地中性点构成回路。如果接地故障点在变电所内,则第一个途径的故障电流经接地网流向变压器接地中性点,不在接地网接地电阻上形成压降;第二个途径的故障电流,除站内架空地线分流一部分外,其余全部流过接地网接地电阻(该部分电流称为
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