電力係統技術發展對二次自動化設備的電磁兼容

摘要:電力係統二次自動化設備是電力係統運行設備的一個部分,在討論其電磁兼容問題時,應結合電力係統的電磁環境進行綜合、全麵地考慮。研究二次自動化設備的電磁兼容性能是為了提高二次自動化設備抵禦各種幹擾的能力,同時降低設備對周圍其它設備的幹擾程度,從而提高係統運行的可靠性。文章就當前電力係統中已廣泛應用的GIS開關、變電站綜合自動化以及保護下放技術應用後所帶來的電磁環境變化和對二次自動化設備的影響問題進行了分析,對二次自動化設備電磁兼容性能的評價具有參考意義。 

 

    關鍵詞:電磁兼容;電力係統; GIS變電站;綜合自動化 

1 概述 

    電磁兼容,是指設備或係統在其所處的共同的電磁環境中不受幹擾能正常工作同時不對該環境中任何其他事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容問題在電力係統中得到了強烈的體現:一方麵,電力係統是一個強大的幹擾源,在其正常運行或者故障時都會產生各種穩態或暫態幹擾,如大電流設備附近的磁場、開關操作時的暫態幹擾等。另一方麵,隨著現在微電子技術的普遍采用,對幹擾具有很高敏感性的各種二次自動化設備在電力係統運行中起著重要的作用,他們在極大提高電力係統自動化運行程度的同時,不可避免地會遭受到來自電力係統內部或其他的一些幹擾影響而有可能導致其工作失常,從而成為影響電力係統安全可靠運行的一個隱患。 

    電力係統二次自動化設備是電力係統運行設備的一個部分,在討論其電磁兼容問題時,不應該把它孤立地作為一個電子設備來進行,而要結合電力係統的電磁環境進行綜合、全麵地考慮。研究二次自動化設備的電磁兼容性能,最終的目的是提高二次自動化設備抵禦各種幹擾的能力,同時降低設備對周圍其它設備的幹擾程度,從而提高係統運行的可靠性。然而,設備抗幹擾性能的提高並不是無限度的,無論是從技術上還是經濟上都是不現實的。從電力係統這一大的電磁環境角度出發,隻有在對幹擾源以及幹擾耦合途徑進行深入研究的基礎上,對二次自動化設備所處的電磁環境進行合理的評估,才能對其抗幹擾性能提出合理的要求,並在此基礎上研究提高其抗幹擾能力以及抑製其所產生幹擾的程度。 

2 電力係統電磁兼容問題描述 
   
    如果把二次設備作為一個幹擾的感受者來進行討論的話,那麽電力係統的電磁兼容問題可以用下圖來描述。

    各種幹擾二次設備耦合途徑 通過各種連接線的傳導作用或通過空間的輻射作用 

    影響二次設備的主要幹擾源有: 

    a)一些自然的幹擾如:雷擊、靜電等。 

    b) 操作或係統故障時的瞬態幹擾如:隔離開關和斷路器操作、低壓回路繼電器動作、接地故障時短路電流引起的共模幹擾等。 

    C)係統運行時的穩態幹擾:如高壓設施附近的工頻電場和磁場、附近電子或通信設備的幹擾等。 

    其中對二次設備最具影響作用的幹擾是一次開關(隔離開關和斷路器)動作時產生的瞬態幹擾,這種瞬態幹擾一方麵以場的形式向外輻射,通過對二次設備的外接導體(各種回路連線、地線)的耦合或者直接通過空間的輻射耦合進入到二次設備內[工業電器網-cnelc]部,另一方麵直接通過二次設備連接到高壓設施的導體(PT、CT、高頻載波通道等)傳導進入二次設備內部,影響二次設備的正常工作。 

    解決電力係統電磁兼容問題的途徑在於a)對係統的電磁環境進行測量評價;b)在係統設計建設中采取必要的合理的措施,減緩幹擾對二次設備的作用;c)提高二次設備本身的抗幹擾能力。 

    事實上,國內外研究人員通過多年的努力已經積累了大量的數據,並依據其製定了相關的標準和導則用於指導電力係統的設計和二次設備的設計,但是隨著電力技術近幾年的發展,一些新技術得到廣泛的應用,由此而帶來的電力係統電磁環境的變化以及對二次設備的影響問題,值得大家進一步的關注和研究。 

3 GIS變電站 

    與傳統的AIS變電站相比較,GIS由於與周圍環境隔絕、占地麵積縮小以及運行安全和維護方便等優點,正日益廣泛地應用在變電站建設中。GIS在使得變電站體積縮小的同時所帶來的係統電磁環境的改變正成為人們致力於研究的一個課題。 

    與傳統的AIS相比較,GIS電氣部件的尺寸要小得多,而且被封閉在屏蔽的金屬殼裏,因此在其開關操作時產生的幹擾與傳統的AIS具有不同的特征。 

    由於被封閉在金屬殼裏,GIS所產生的幹擾主要是通過流動在母線上的幹擾來回反射,以場或者電壓(電流)的形式向外傳遞或者通過GIS外殼以及當其一些連接處(如在套管或接地處等)存在屏蔽不連續點時形成較強的輻射源,以場的形式向外輻射, 

3.1 瞬態場 

    一次開關動作所產生的瞬態磁場水平取決於母線中的瞬態電流值,而瞬態電流值則在很大程度上取決於係統電壓與瞬態阻抗之比,因此,可以這麽說,係統電壓越高,瞬態磁場水平越大。在AIS 變電站中,一般在母線下方和非常靠近母線處直接測量的磁場水平在30-100A/m(峰值)。而在GIS變電站中則相對要低一點,一般為10-50A/m(峰值)。磁場水平隨著與母線的距離增大迅速減小,在離母線大約10米距離上磁場強度至少要衰減3倍。 

    母線下的瞬態電場幅值與磁場相似,在AIS變電站中,所測值一般3至10KV/m(峰值),GIS變電站中所測到的值比AIS變電站要低一點,同樣,電場值與係統的電壓等級相關,電壓等級越高,電場值越大。但是,在GIS變電站非常靠近套管處電場值卻非常之大,可以達到30KV/m。與AIS不同的是,GIS一次開關動作時所測到的暫

態電場短時間後即趨向於零,而不是維持在一個常數上,這可能是由於其金屬外殼接地所致。 

    從頻率特征上來看,由於GIS的特性阻抗比AIS要小得多,這就使得GIS與母線或架空線在連接處阻抗不匹配加劇,導致了幹擾電流(電壓)波的反射增加,因此,GIS較之AIS產生的幹擾波振蕩頻率更高。一般在AIS變電站中所測到的場的主導頻率在3MHz以下,而在GIS變電站中測到的則要高得多,通常是AIS的10倍以上,大多數情況是在50MHz以下,但其上限頻率卻可達到100MHz以上。 

    由於通常GIS高壓設備和電子設備之間的距離較近,因此在GIS變電站中暫態電磁場輻射對設備的影響應引起足夠的重視。 

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