抗干扰措施

提高变电所自动化系统可靠性的措施一、概述变电所综合自动化系统具有功能强、自动化水平高、可节约占地面积、减轻值班员操作及监视的工作量、缩短维修周期以及可实现无人值班等优越性。这已为越来越多的电力部门的专家和技术人员所共识。但一方面，由于它是高技术在变电所的应用，是一种新生事物，很多人对它还不够了解，因此也不放心。特别是目前不少工作在变电所第一线的技术人员与运行人员，对综合自动化系统的技术和系统结构还不了解，对其可靠性问题比较担心。另一方面，变电所综合自动化系统内部各个子系统都为低电平的弱电系统，但它们的工作环境是电磁干扰极其严重的强电场所，在研制综合自动化系统的过程中，如果不充分考虑可靠性问题，没有采取必要的措施，这样的综合自动化系统在强电磁场干扰下，也确实很容易不能正工作，甚至损坏元器件。因此，综合自动化系统的可靠性是个很重要的问题。可靠性是指综合自动化系统内部各子系统的部件、元器件在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的能力。不同功能的自动装置有不同的反映其可靠性的指标和术语。例如，保护子系统的可靠性通常是指在严重干扰情况下，不误动、不拒动。远动子系统的可靠性通常以平均无故障间隔时间MTBF来表示。提高综合自动化系统可靠性的措施涉及的内容和方面较多，本章将从电磁兼容性、抗电磁干扰的措施和自动化系统本身的自纠错和故障自诊断等方面讨论提高变电所综合自动化系统的可靠性措施问题。二、变电所内的电磁兼容(一)电磁兼容意义变电所内高压电器设备的操作、低压交、直流回路内电气设备的操作、雷电引起的浪涌电压、电气设备周围静电场、电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所产生的瞬变过程等都会产生电磁干扰。这些电磁干扰进入变电所内的综合自动化系统或其他电子设备，就可能引起自动化系统工作不正常，甚至损坏某些部件或元器件。电磁兼容的意义是，电气或电子设备或系统能够在规定的电磁环境下不因电磁干扰而降低工作性能，它们本身所发射的电磁能量不影响其他设备或系统的正常工作，从而达到互不干扰，在共同的电磁环境下一起执行各自功能的共存状态。电磁兼容的内容包括抗干扰(设备和系统抵抗电磁干扰的能力)和电磁发射控制(设备和系统发射的电磁能量的控制)两个方面。电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和电磁敏感设备。针对电磁干扰的三要素，提出三种解决电磁干扰问题的方法是：①抑制干扰源产生的电磁干扰(滤波、屏蔽和接地)；②切断干扰的传播途径；③提高敏感设备抗电磁干扰的能力(降低对干扰的敏感度)。变电所综合自动化系统以微机、集成电路和电子器件为其主要部件，属于电磁敏感设备。如果具有良好的电磁兼容性能，对保证自动化系统的安全、可靠运行有着十分重要的意义。解决其电磁兼容的途径，主要侧重于提高抗电磁干扰的能力。(二)变电所内电磁干扰产生的原因及其特点仔细分析电磁干扰产生的原因，是采取正确的抗干扰措施的先决条件。根据干扰的三要素，干扰形成的途径为干扰源一耦合通道一电磁敏感设备。1．电磁干扰源分析目前与电力系统有关的电磁干扰源有外部干扰和内部干扰两方面。外部干扰源指的是与变电所综合自动化系统的结构无关，而是由使用条件和外部环境因素决定的干扰源。对变电所综合自动化系统来说，外部干扰源主要有交、直流回路开关操作、扰动性负荷(非线性负荷、波动性负荷)短路故障、大气过电压(雷电)、静电、无线电干扰和核电磁脉冲等，概括表现为如下三类：③场的干扰．变电所设备的交流电源及直流电源受低频扰动现象包括：(1)电压波动。由大负荷变化引起的周期性或非周期的电压波动，幅值一般不超过±10％额定电压。(2)电压突降和中断。电压突降指电压突然降低于90％额定值；电压中断指电压消失，主要由大负荷突变、短路、故障切除及重合闸等引起。(3)谐波污染。由电气设备的非线性电压(电流)特性所产生，如大功率整流器、换流器、感应炉、电弧炉和某些家用电器等。(4)非工频整数倍数的间谐波。主要来源是电焊机、电弧炉、静态变频器、换流器等。(5)电力线附加信号扰动。电力部门利用供电网络，在工频电压上叠加信号电压以传送某种信号时(如负荷控制、远方读表、分时计费、电力线载波、通信等)信号电压对交流电源产生干扰。这些低频扰动对变电所的二次设备和综合自动化系统都会产生干扰。传导瞬变和高频干扰是指通过传导进入变电所综合自动化系统和电子设备的各种浪涌和高频瞬变电压或电流。其特征为：(1)1.2／50μs（电压）和8／20μs（电流）单向浪涌。产生这类单向浪涌的原因有雷击、操作和短路故障等。除变电所遭受雷击外，还可能有沿送电线路进入的雷电浪涌。如果接收设备阻抗很高，则浪涌对设备形成电压脉冲；如果设备阻抗低，则形成电流脉冲。(2)10/700μs浪涌。这是雷击通信线路的典型瞬变过电压波形。这类浪涌有较长的持续时间和较大的能量。(3)100／1300us浪涌。当大容量熔断器断开低压馈电线路时，由于电路内蓄存能量的释放，可能引起这类瞬变过电压，其特点是持续时间长、脉冲上升时间慢、能量大，但幅度低。(4)快速瞬变干扰。快速瞬变干扰多产生于断开小电感负载时，如断开电磁式继电器、接触器等。它的特点是电压上升时间快、持续时间短、重复率高，相当于一连串脉冲群，脉冲电压幅值一般为2～7kV，频率可达数兆赫兹，脉冲群的持续时间为数十毫秒。(5)阻尼振荡波。在高、中压变电所，断路器和隔离开关操作或短路故障时会产生阻尼振荡波。特别是投切高压母线时，这种干扰最显著，这是由于断路器断口的电弧重燃所引起的。干扰波的特性是一连串断续出现的阻尼振荡波，上升时间快、重复率高、持续时问长，振荡频率从100kHz至数兆赫兹。(6)衰减振荡波。这是由于雷电、操作等波前陡峭的浪涌在低压网络内传播时，因电路中阻抗不匹配而引起反射现象形成的振荡波。典型特性是上升时间为0.5us、频率为100kHz的衰减振荡波，常出现于低压供电网及控制信号回路中。场的干扰现象有如下几种：(1)工频磁场。可分为正常运行情况下的稳态磁场和短路事故时的暂态磁场两种。前者数值较小，后者数值较大，但持续时间短。工频磁场的产生是导体中的电流或带电设备的漏磁引起的。当外界工频磁场强度超过3.2～7.2A／m时，对CRT显示器的工作情况有影响，可能使画面变形扭曲、抖动和变颜色。(2)脉冲磁场。脉冲磁场由雷击、短路事故和断路器操作产生，磁场强度为数百安/米至千安/米。磁场脉冲波的典型特征是，上升时间为6.4us±30％，持续时间为16us±30％。(3)阻尼振荡磁场。在高、中压变电所中，操作隔离开关时，将产生阻尼振荡瞬变过程，也将产生相应的磁场，磁场强度为10～lOOA／m，振荡频率从100kHz到数兆赫兹。(4)辐射电磁场。电磁辐射源有多种，如无线电台、电视台、移动式无线电发信机及各种工业电磁辐射源。电力系统中，主要关心的是在电子设备附近使用步话机。内部干扰是由自动化系统结构、元件布置和生产工艺等决定，主要有杂散电感、电容引起的不同信号感应；交流声、多点接地造成的电位差干扰；长线传输造成的波的反射；寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等。从物理分析来看，外部干扰和内部干扰具有同一物理性质，因而消除和抑制的方法没有质的区别。按干扰对电路的作用，干扰分为差模干扰和共模干扰。(1)差模干扰是串联于信号源回路中的干扰，主要由长线路传输的互感耦合所致，见图4-1(a)。图4-1差模共模干扰示意图（a）差模干扰（b）共模干扰(2)共模干扰是由网络对地电位变化所引起的干扰，即对地干扰，见图4-1(b)。共模干扰信号可为直流，也可为交流，是造成自动化装置不正常工作的主要原因。图4-1中，US为信号，Unm和Ucm为干扰信号。2．电磁干扰的耦合途径电磁干扰侵入电子设备的途径可分为辐射和传导两大类：第一类为辐射干扰，干扰信号通过电磁波辐射传播；第二类为传导干扰，干扰信号通过干扰源与被干扰设备之间的阻抗进行传播。两者会相互转换，辐射干扰经过导线可转换成传导干扰；传导干扰又可通过导线形成辐射干扰。电磁干扰耦合的途径可归纳如下几种。(1)电容性耦合。又称静电耦合或电场耦合，它是由于两个电路之间存在分布电容，使一个电路的电荷影响另一个电路。(2)电感性耦合。又称电磁耦合或磁场耦合，它是由于两个电路之间存在电感，使一个电路的电流变化，通过磁交链影响到另一电路。(3)共阻抗耦合。当干扰源和感受器共用一个主回路或共用一根接地电流返回路径时，由于干扰源和感受器的电流流经共同的路径则产生共阻抗耦合，这种路径可能是电阻、电容或电感组成，故称共阻抗。(4)辐射耦合。当高频电流流过导体时会发射电磁波，此空间电磁波作用于其他导体，感应出电动势，形成电磁耦合干扰。变电所综合自动化系统的输入信号线、外部电源线、机壳都相当于接受电磁波的天线。3．电磁干扰可能造成的后果上面对电磁干扰源及干扰现象和干扰的耦合途径已作了分析，总之这些干扰的共同特点是频率高、幅度大、前沿陡，可以顺利通过各种分布电容或分布电感耦合到变电所综合自动化系统中，一旦干扰侵入自动化系统内，便将对系统的正常工作造成影响，其干扰的后果各式各样，归纳起来有以下几类。(1)电源回路干扰的后果。工作在变电所的综合自动化系统，其计算机的电源往往分如下两类供电：1)交流电源供电。监控主机系统(包括打印机、CRT显示器)和通信管理机，往往采用交流220V电源，取自所用变压器。从所用变压器到计算机的引线很长，而且在所用变压器上还接有其他负荷，电网的冲击，电压、频率的波动都将直接影响到计算机。2)直流电源供电。微机保护等各子系统往往采用直流220V电源，取自变电所的直流屏，其受电网波动的影响比交流电源要小得多。但不论采用交流电源供电还是直流电源供电，电源与干扰源之间的直接耦合通道都相对较多，而且电源线直接连至各部分，包括最要害的CPU部分。计算机电源受干扰，往往造成计算机工作不稳定，甚至死机。(2)模拟量输入通道干扰的后果。电磁干扰的可能后果是从TA或TV的二次引线引入浪涌电压，造成采样数据错误，轻则影响采样精度和计量的准确性，重则可能引起微机保护误动，甚至还可能损坏元器件。(3)开关量输入、输出通道干扰的后果。变电所现场断路器、隔离开关的辅助触点处于恶劣的强电磁干扰环境中，这些辅助触点通过长线引至开关量输入回路，必然带来干扰信息，干扰的结果常见的有断路器或隔离开关的辅助触点抖动甚至造成分、合位置判断错误。开关量的输出通道由计算机的输出至断路器的跳、合闸出口回路，除了易受外界引入的浪涌电压干扰外，自动装置内部、微计算机上电过程也容易有干扰信号，导致误动。(4)CPU和数字电路受干扰的后果。电磁干扰侵入自动化系统中的数字电路后，影响CPU正常的工作，其干扰的后果有多种表现形式。首先，当CPU正通过地址线送出一个地址信号时，若地址线受干扰，使传送的地址出错，导致取错指令、操作码或取错数据，结果有可能误判断或误发命令，也可能取到一个CPU不认识的指令操作码而停止工作或进入死循环；如果CPU在传送数据过程中，数据线受干扰，则造成数据错误，逻辑紊乱，对于微机保护装置来说也可能引起误动或拒动，或引起死机。计算机的随机存储器RAM是存放中间计算结果、输入输出数据和重要标志的地方，在强电磁干扰下，可能引起RAM中部分区域的数据或标志出错。所引起的后果如数据线受干扰一样，也是严重的。大部分自控装置的程序和各种定值存放在EPROM或电子盘中，如果EPROM受干扰而程序或定值遭破坏，将导致相应的自动装置无法工作。由以上分析可见，在变电所综合自动化系统中，不管哪个子系统受电磁干扰，都会引起局部或整体工作不正常，甚至造成断路器拒动、误动或死机等故障。因此，采取合理的抗干扰措施是非常必要的。三、变电所抗电磁干扰的措施干扰源的能量通过各种途径以传导或辐射方式耦合至变电所的一次系统和二次回路，表现为在电力线、信号线、控制回路和自动化系统上的干扰电压和干扰电流的水平或电场和磁场的水平。因此，电磁兼容是至关重要的问题。电力系统的一次、二次系统是一个整体，它们既密切相关，又互相影响，在电磁兼容的设计上必须统一考虑。特别是高、中压变电所一次系统的设计，如果不考虑电磁兼容设计