继电保护电磁干扰问题与措施研究

继电保护电磁干扰问题与措施研究

唐鹏飞

深圳市地铁集团有限公司运营总部

摘要：变电所是具有高强度电磁场环境的区域，所装置的继电保护装置不断受到各种强电磁场的干扰。由于地铁变电所自动化系统的不断运行及继电保护设备的不断更新，干扰问题也不断暴露出来，直接造成继电保护误动拒动及电力监控系统不正常的原因之一。本文主要对地铁线路的开关误跳故障原因进行分析，并提出相应抑制措施。

关键词：地铁；继电保护电磁；干扰；解决措施

前言

虽然近几年微电子器件在继电保护装置得到应用，但防干扰水平比较低，而且大部分的是电磁敏感设备，很容易受到干扰而导致保护装置误动或拒动等各种异常情况出现，影响供电安全及质量。

一、电磁干扰典型例子分析

（一）故障现象分析

XX地铁线路的自电气设备安装完成以后，在操作35kVGIS（气体绝缘组合电器设备）隔离开关的过程中，与此柜相邻同一段母线上正常运行的动力变压器、整流变压器的断路器会出现保护跳闸，保护动作的信息为零序保护动作、速断保护动作，而且跳闸没有规律，有时跳一个开关，有时跳两个开关。对各类跳闸现象进行统计，有以下共同点：在高压开关母排带电的情况下，在操作隔离开关的过程中，此开关柜所在母线的相邻开关柜会出现断路器跳闸的现象，保护动作类型为零序过流及速断保护动作，有的甚至被操作隔离开关本身的REF542（35kVGIS继电保护装置）人机界面HMI重启。

（二）故障设备

误跳闸开关柜为35kV环网高压开关柜，使用REF542继电保护单元，实现对开关柜的控制、保护、监视及运行数据的测量，以及与变电所综合自动化系统的通信等功能，典型馈线柜设有电流速断保护、过电流保护、过负荷保护、零序电流保护。REF542所使用的数字信号处理器、A/D转换器等芯片的主要性能指标如表1所示。

电流互（传）感器采用罗哥夫斯基线圈（变比为1A/150mV），开关柜外壳与变电所接地系统相连。罗哥夫斯基线圈有以下优点：线性度好，标定容易；精度为0.1%～1%；可测量不规则导体；安装方便，无须破坏导体；维修简单方便；无二次开路危险；具有极佳瞬间反应能力。但是，由于其二次输入电压很低，因此对于抗电磁干扰有着更高的要求。

（三）现场试验及结果

针对这次严重影响运营安全的故障现象，在一次母排带电情况下，采用REF542+外壳接地、传感器连接电缆屏蔽的接地方式，在传感器连接电缆加装磁环、更换REF542+主板等条件下进行模拟故障测试。

1.在开关柜电流传感器连接电缆屏蔽层及REF542接地情况较差时，不采取任何措施，直接操作三工位隔离开关。在模拟操作开关柜的三工位隔离开关10次时，该柜REF542总共出现速断、零序保护动作4次，记录的故障波形见图1。

2.对开关柜的电流传感器电缆及REF542采取加强屏蔽接地（见图2），操作开关柜的三工位隔离开关10次，在此过程中未发生速断、零序保护动作。

3.对开关柜电流传感器电缆采用磁氧铁进行高频信号屏蔽，操作开关柜的三工位隔离开关10次，出现过速断、零序保护动作1次。

4.仅加粗REF542主机的接地线，改善主机的接地情况，操作三工位隔离开关10次，共出现速断、零序保护动作3次。

5.试验人员对保护继电器REF542外壳接地的有效性以及变电所一次接地的有效性进行了测试。通过对故障典型站核查，测试了5台35kVGIS开关柜继电保护装置REF542外壳至主接地铜排的回路电阻，测得结果均小于1mΩ，证明机壳接地是有效的，也说明了为什么模拟实验中虽然加强接地但系统仍然跳闸的原因。

（四）故障分析

从试验结果中可以发现，对电流传感器连接REF542的电缆加强屏蔽和接地，可以较有效地减少故障的产生。相邻两个开关柜一次图可简化，如图3所示。其中，A柜隔离开关和断路器都在分位，B柜隔离开关和断路器都在合位。

电力系统的电磁干扰来源于外部和内部两方面。外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外部环境因素所决定的干扰，主要有其他物体和设备辐射电磁波产生的强电场或强磁场，如雷击、隔离开关操作、高压开关柜操作、直流电源的中断与恢复、步话机辐射及来自电源的工频干扰等。内部干扰是由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的干扰，主要有杂散电感和电容结合而引起的不同信号感应、长线（对高频信号而言）传输造成电磁波的反射、多点接地造成的电位差干扰、寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等。

从试验结果及现场开关柜情况可以发现，电磁干扰主要来源于电感及电容耦合。当隔离开关操作产生的高频电流通过高压母线时，在高压母线周围产生了磁场。其中的一部分磁通将二次电缆包围，因此在二次回路中感应出对地的共模干扰电压。在二次设备接地和屏蔽较差或接地系统与EMI（电磁干扰）不匹配的情况下，高频干扰信号会通过电流互感器（传感器）传输线，将一次回路干扰信号串入继电保护装置，在一些特定的频段下影响到继电保护，产生错误的信号，导致保护误动作。高频干扰信号的产生原理如图4所示。

二、干扰问题的解决措施

（一）典型解决措施

对于电气二次设备的电磁干扰问题，可以通过合理的屏蔽、有效的接地以及对干扰的抑制加以解决。针对此种故障，结合地下变电所的实际条件，采取以下3个方法来解决。

1.使电流传感器与REF542连接电缆两端接地。具体实施方法为：在把传感器的输入线接到继电器之前，扒开并剪去约20mm长的绝缘皮，露出铜屏蔽层，并增加一组铜夹，把已露出部分的屏蔽层夹住，并固定在开关柜的柜网格板上（接地）。此方案不仅构造了继电保护装置的等电位面，而且由于传感器电缆靠近电流传感器一端已接地，构成了两端接地，能够更有效地屏蔽高频干扰信号，原理如图5所示。

2.在电缆连接REF542处加装磁氧铁，抑制干扰信号。通过对加装磁氧铁后的开关柜进行保护校验，显示一切正常，说明加装磁氧铁并不会对正常信号进行抑制，只对高频干扰信号有明显的抑制作用。

3.增加一条宽的编织软铜带，从REF542机箱外壳接到开关柜柜壁（地）。通过集肤效应可知，电流或信号只会沿着铜导体表面传播，一根10mm2的实心电线对于高频信号来说只有大概11.2mm的传导长度，而10mm2的宽编织软铜带有400mm的传导长度，能够使机壳更有效地接地，消除干扰信号。

（二）其他有效措施

除了上述防电磁干扰措施外，对于抗干扰还有几种措施和方法。

1.降低一次设备的接地电阻。尽可能地降低一次设备（如电流互感器（传感器）、电压互感器等）的接地电阻，这样可以降低因高频电流注入时产生的暂态电压差，构成一个具有低阻抗的接地网，尽可能地降低变电所内的地电位差，从而有效地降低对二次回路的干扰。

2.在高频通道电缆中串接电容。对于采用高频变量器直接耦合的高频通道，在其通道的电缆芯回路中串接一个电容器。由于高频电缆两点接地，当高压电网发生接地故障、接地电流通过变电所地网时，该两个接地点间的工频地电位差将形成纵向电压引入高频电缆回路，造成二次保护装置误动3）从软件上提高继电保护装置的抗干扰能力。例如，设定接收到时间在100ms以内的信号为干扰信号，不予理会；提高二次电压、电流门槛值，等等。

三、结束语

电气设备继电保护元器件的电磁干扰问题严重影响了继电保护可靠性以及供电系统的安全，对供电系统的稳定造成严重威胁。如何在保证继电保护可靠性的前提下，设计改造二次回路防止电磁干扰并兼顾电气设备空间及成本是一个难点。该线路从改造后到现在未出现一起因电磁干扰引起的误跳闸事故，说明上述解决措施能够有效地抑制和消除高频电磁干扰。有效的接地、合理的屏蔽以及干扰的抑制，是解决电气设备继电保护元件EMC问题的有效途径。

参考文献：

[1]王梅义.电网继电保护应用[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]邓慧琼.微机继电保护抗干扰研究[D].北京：华北电力大学，2001.

[3]王庆斌.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京：机械工业出版社，1999.

[4]林军.电力系统微机继电保护[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[5]郑军奇.EMC（电磁兼容）设计与测试案例分析[M].北京：电子工业出版社，2006