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摘要：电力系统经常遭到雷电侵扰，不时发生短路等故障，还会对一次设备进行各种操作，此时都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，如果不采取有效措施防御，容易造成继电保护及安全自动装置的误动或拒动，造成监控系统的数据混乱及死机等现象，严重时会损坏二次回路的绝缘及保护装置中的电力元器件，对电网的安全构成严重威胁。本文以静电耦合、电磁感应、地电位差等干扰信号为例，就如何针对各类干扰信号采取有效性的措施，抑制其强度，使干扰信号减之最小等相关问题进行了探讨，从而确保继电保护的动作正确性。
关键词：干扰威胁二次措施
1防止静电耦合干扰的措施
抑制静电耦合产生的干扰，可以采用增大耦合阻抗，对二次回路及保护装置进行屏蔽，合理选择二次设备元器件参数等方法进行一致。我们知道二次回路二抗电压表达式为：
（式1）
（1）从式1可以看出，在相同干扰源电压Us情况下，当耦合阻抗Z1增大时，二次回路的干扰电压UT将下降。耦合阻抗Z1主要是干扰源与被干扰回路间的分布电容C1的容抗。适当合理布置干扰源与被干扰回路的相对位置，可以减小分布电容C1，可以增加耦合阻抗，从而降低干扰电压UT。
（2）在二次回路适当地点增加抗干扰电容，如在保护装置的电源入口处及电流、电压互感器二次回路接入保护装置前，可以将式1中的Z2减小。图1是采用抗干扰电容后的静电干扰的简化电路图，图中C1为漏电容，对应为式1中的Z1； C3为增加的抗干扰电容，其容量一般为几分之1μF~几十μF，等效阻抗为Z3；C2为二次回路与大地间的分布电容。此时加到二次回路上的耦合电压由下式表达。
图1电容对干扰信号的抑制
(式2)
式中Z2’为考虑抗干扰电容后的阻抗，由于一般C3的值比C2值大很多，所以Z2’与Z2相比将小很多，对照式1，干扰电压UT也将下降很多。采用抗干扰电容不但可以防止静电感应的干扰，对无线电干扰及二次回路内容产生的高频干扰也有很好的抑制作用。但是该抗干扰电容对二次回路也会带来一些副作用，如果容量太大，可能会造成不良后果。图1可以从一个方面说明抗干扰电容对控制回路的影响。
图2抗干扰电容对二次回路的影响
在图2电路中，由于直流绝缘监察系统的存在，并假定控制母线的额定电压为Ue，正负控制母线对地的绝缘电阻相等，则正常运行时+WC对地的电压为＋50％Ue，-WC对地的电压为－50％Ue。可以看出，这时在抗干扰电容上的充电电压为50％Ue，如果在出口继电器KC的正电源侧接地，接于负电源侧的抗干扰电容C3将通过两个接地电沿着虚线对KC放电，当C3的容量足够大并KC的动作电压小于50％Ue时，KC将动作跳闸。这也是规程中要求直接用于跳闸的出口继电器其动作电压不能低于50％Ue的原因。
采用屏蔽电缆并将屏蔽层可靠与地网连接，可以有效抑制静电干扰。使用屏蔽电缆的抗干扰原理可以用图3来表示。
图3电缆屏蔽的抗干扰图
图3中由耦合电容C1传递给二次回路的干扰信号被电缆的屏蔽层屏蔽并通过接地点传人地网。试验表明，采用屏蔽电缆能将干扰电压降低95％以上，是一种非常有效的抗干扰措施。
当然采用屏蔽电缆的抗干扰效果与屏蔽层使用的材料、制作工艺、接地方式等有关。表1是在现场试验中测得的各种电缆在操作500kV隔离开关时的干扰电压，试验中采用的平行于500kV母线的電缆长度为80m，母线长度为250m。
表1 屏蔽电缆抗干扰效果试验数据
操作方式 最高暂态电压幅值（p－p，V）
塑料无屏蔽电缆 铅包铠装屏蔽 铜丝编织屏蔽 铜带绕包屏蔽 铜钢铝组合屏蔽
单相合闸 5060 170 190 175 163
单相分闸 7800 275 250 280 210
三相合闸 4500 320 490
三相分闸 9000 340 480
从上表中可以看出，在隔离开关操作过程中产生的干扰电压很大，当使用无屏蔽的塑料电缆时，其干扰电压最大达9000V；当使用屏蔽电缆时，对干扰电压的抑制效果很好，其干扰电压的幅值被抑制到5％以下；不同的屏蔽层材料抑制干扰效果很接近。屏蔽电缆除了对静电干扰有较好的抑制作用外，对电磁干扰和高频干扰也有很好的抑制作用，所以屏蔽电缆在变电所二次回路中得到广泛的应用。
（3）充分利用变电所中的自然屏蔽物，还可以进一步提高抗静电干扰的效果。在控制电缆敷设的路径上或二次设备的安装现场，有很多自然的屏蔽物，例如，电缆隧道和电缆沟盖板中的钢筋，各种金属构件，建筑物中的钢筋等，都是良好的自然屏蔽物。只要在施工中注意将它们与变电所的接地网连接起来就能形成良好的静电屏蔽。
2防止电磁感应干扰的措施
（1）减少干扰源与二次回路间的互感减小由于电磁感应在二次回路产生的干扰电压。从式2可知，互感M与控制电缆及一次导线的长度L、相互的平行度有关，还受同一回路的两根电缆芯与一次导线的距离之比b/a影响，所以在电缆沟道的布置时应尽可能与一次载流导体成直角，减少平行段的长度。为此，应尽可能使同一回路的电缆芯安排在一根电缆内，尽量避免同一回路的“＋”“－”极电缆芯或电流、电压互感器二次回路中的ABCN四芯不在同一电缆内。这是降低感应电压最为有效的的措施，并且对任何频率的干扰电压都是有效的。
（2）电磁干扰需要磁性材料来进行屏蔽。在干扰源与二次环路之间设置电磁屏蔽物，使感应磁通不能进入二次环路，即可消除二次回路的感应电压。工程中常用的措施就是使用带电磁屏蔽的控制电缆，其屏蔽效果与屏蔽层材料的导磁系数、高频时的集肤效应、屏蔽层的电阻等因素有关。屏蔽层采用高导磁材料时，外部磁力线大部分偏移到屏蔽层中，而不与屏蔽层内导线相关链，因而不会在导线上产生感应电势。高导磁材料的屏蔽层对各种频率的外磁场都有屏蔽作用。我们常用的钢带铠装电缆，钢板做成的保护柜，就具有较好的磁屏蔽作用。
（3）非磁性材料的屏蔽层，其导磁率与空气的导磁率相近，故干扰磁通仍可达到电缆芯线。但在高频干扰磁场的情况下，干扰磁场会在屏蔽层上感应出涡流，建立起反磁通与干扰磁场抵消，使芯线不受影响。此种屏蔽的有效频率与屏蔽层的电导率、厚度和电缆外径成反比，有效频率一般在10-100kHz之间。
（4）在较低频率时，涡流产生反磁通的效应小，因而对外面干扰磁通场的抵御作用也小，为增强对低频干扰磁场的屏蔽，电缆的屏蔽层两端或多点接地，使电缆的屏蔽层与接地网构成闭合回路。干扰磁通在这一闭合回路中感应出的电流可产生反向磁通，减弱干扰磁通对芯线的影响。减少屏蔽层和地环路的阻抗，可增强屏蔽效果。所以，在变电所要敷设100mm2铜排，该铜排最好连接所有屏蔽电缆的两端接地点，这样可以提高屏蔽电缆抗电磁干扰的效果。
3防止地电位差产生干扰的措施
防止电位差干扰对二次回路的影响，首先要确保变电所有一个完善的电网，有条件时可以补充铜排连接，将各点可能产生的电位差降到最低。其次要保证各二次回路对地绝缘良好，确保在地电网产生较大电位差时，不致损坏二次回路绝缘，影响二次回路的正常运行。对于电流、电压互感器的二次回路，要求严格按照一个电气连接中只能有一个接地点。如果一个电气回路中存在两个接地点，电位差产生的地网电流会穿入该回路，影响保护的正确动作。
4 案例
下面来看发生于梅县发电厂受电磁干扰所出现的几个问题的例子。
梅县发电厂一期2号炉热工炉膛灭火保护发出引风机、送风机均停的故障信号，继保人员分别检查引风机、送风机提供给热工状态反馈用的中间继电器线圈、接点及端子均良好，后来发现该反馈信号电缆各线芯对地约有交流80～95V的感应电压，而热工炉膛灭火保护又是微机电子类装置，采取加装隔离继电器的措施后，故障消失，于是可初步确定是由于状态反馈线感应电压过高造成热工炉膛灭火保护误发信号。
二期工程自投产以来，DCS柜内电路板损坏的情况时有发生，后检查为接入的反馈线感应电压引起，采取加装隔离继电器的措施后，就不再发生电路板损坏情况。
一期主控室充电屏发生单相接地短路时，造成正在运行中的1、2号机突然跳闸，同时发出匝间保护动作信号的异常情况，后来查明是B600线未在主控室接地，当周围电缆有一条发生接地短路時，造成在B600上产生很高的感应电压(相对于匝间保护的定值而言)，使匝间保护动作跳发电机。这是一起典型的由于电磁干扰引起的事故。将B600线在主控室接地后，也不再发生该保护误动作的情况。
从上述事例可见，二次回路电磁干扰对保护的正确性可靠性有着重大的影响，从而关系到电力系统的安全生产，及时查明原因，做好相关防范措施显得尤为重要。
5结束
为了进一步降低干扰信号信号进入保护装置的可能性，除了上章中讲到的装置本身采取措施之外，还需要在外回路即二次回路中采用专门措施进行抗干扰，例如将原有变电所二次回路增设专用的铜排接地网，采用高频直流电源，减少直流电流源干扰，针对干扰较大的电缆改用屏蔽电缆，在新建变电所，大部分采用屏蔽电缆，正确选择合理的二次电缆敷设方式和路线，尽量远离高频信号的入地点，保护装置用直流电源在保护装置入口处经抗干扰电容吸收高频干扰信号等。
笔者认为，为达到抑制干扰的目的，弄清楚干扰源是首要条件，针对不同干扰源的性质，产生的机理，特点采取相应的技术措施，来消除干扰源的存在。本文所论述的干扰源情况及防范措施是笔者在实际工作中的一些体会，在现实的变电站运行过程中，保护系统的二次回路中还存在许多复杂的外部信号的干扰源，需要在实践中不断总结和实践经验的积累。
参考文献
【1】白同云.李晓德.电磁兼容设计[R].北京：北京邮电大学出版社,2001.
【2】李乐乐.谢志远.李娜.变电站二次设备的抗干扰性研究[J].电测与仪表,2008,(02).
【3】贺景亮.电力系统电磁兼容[M].北京：水利电力出版社,1993.
【4】王洪新.贺景亮.电力系统电磁兼容[R].武汉：武汉大学出版社,2004.5.
【5】连纪文.浅谈电力通信电磁兼容问题[J].电力系统通信.2003,24(3):20-23.
【6】电力系统继电保护实用技术问答[M].国家电力调度通信中心,北京:中国电力出版,2000.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：干扰威胁二次措施
1防止静电耦合干扰的措施
抑制静电耦合产生的干扰，可以采用增大耦合阻抗，对二次回路及保护装置进行屏蔽，合理选择二次设备元器件参数等方法进行一致。我们知道二次回路二抗电压表达式为：
（式1）
（1）从式1可以看出，在相同干扰源电压Us情况下，当耦合阻抗Z1增大时，二次回路的干扰电压UT将下降。耦合阻抗Z1主要是干扰源与被干扰回路间的分布电容C1的容抗。适当合理布置干扰源与被干扰回路的相对位置，可以减小分布电容C1，可以增加耦合阻抗，从而降低干扰电压UT。
（2）在二次回路适当地点增加抗干扰电容，如在保护装置的电源入口处及电流、电压互感器二次回路接入保护装置前，可以将式1中的Z2减小。图1是采用抗干扰电容后的静电干扰的简化电路图，图中C1为漏电容，对应为式1中的Z1； C3为增加的抗干扰电容，其容量一般为几分之1μF~几十μF，等效阻抗为Z3；C2为二次回路与大地间的分布电容。此时加到二次回路上的耦合电压由下式表达。
图1电容对干扰信号的抑制
(式2)
式中Z2’为考虑抗干扰电容后的阻抗，由于一般C3的值比C2值大很多，所以Z2’与Z2相比将小很多，对照式1，干扰电压UT也将下降很多。采用抗干扰电容不但可以防止静电感应的干扰，对无线电干扰及二次回路内容产生的高频干扰也有很好的抑制作用。但是该抗干扰电容对二次回路也会带来一些副作用，如果容量太大，可能会造成不良后果。图1可以从一个方面说明抗干扰电容对控制回路的影响。
图2抗干扰电容对二次回路的影响
在图2电路中，由于直流绝缘监察系统的存在，并假定控制母线的额定电压为Ue，正负控制母线对地的绝缘电阻相等，则正常运行时+WC对地的电压为＋50％Ue，-WC对地的电压为－50％Ue。可以看出，这时在抗干扰电容上的充电电压为50％Ue，如果在出口继电器KC的正电源侧接地，接于负电源侧的抗干扰电容C3将通过两个接地电沿着虚线对KC放电，当C3的容量足够大并KC的动作电压小于50％Ue时，KC将动作跳闸。这也是规程中要求直接用于跳闸的出口继电器其动作电压不能低于50％Ue的原因。
采用屏蔽电缆并将屏蔽层可靠与地网连接，可以有效抑制静电干扰。使用屏蔽电缆的抗干扰原理可以用图3来表示。
图3电缆屏蔽的抗干扰图
图3中由耦合电容C1传递给二次回路的干扰信号被电缆的屏蔽层屏蔽并通过接地点传人地网。试验表明，采用屏蔽电缆能将干扰电压降低95％以上，是一种非常有效的抗干扰措施。
当然采用屏蔽电缆的抗干扰效果与屏蔽层使用的材料、制作工艺、接地方式等有关。表1是在现场试验中测得的各种电缆在操作500kV隔离开关时的干扰电压，试验中采用的平行于500kV母线的電缆长度为80m，母线长度为250m。
表1 屏蔽电缆抗干扰效果试验数据
操作方式 最高暂态电压幅值（p－p，V）
塑料无屏蔽电缆 铅包铠装屏蔽 铜丝编织屏蔽 铜带绕包屏蔽 铜钢铝组合屏蔽
单相合闸 5060 170 190 175 163
单相分闸 7800 275 250 280 210
三相合闸 4500 320 490
三相分闸 9000 340 480
从上表中可以看出，在隔离开关操作过程中产生的干扰电压很大，当使用无屏蔽的塑料电缆时，其干扰电压最大达9000V；当使用屏蔽电缆时，对干扰电压的抑制效果很好，其干扰电压的幅值被抑制到5％以下；不同的屏蔽层材料抑制干扰效果很接近。屏蔽电缆除了对静电干扰有较好的抑制作用外，对电磁干扰和高频干扰也有很好的抑制作用，所以屏蔽电缆在变电所二次回路中得到广泛的应用。
（3）充分利用变电所中的自然屏蔽物，还可以进一步提高抗静电干扰的效果。在控制电缆敷设的路径上或二次设备的安装现场，有很多自然的屏蔽物，例如，电缆隧道和电缆沟盖板中的钢筋，各种金属构件，建筑物中的钢筋等，都是良好的自然屏蔽物。只要在施工中注意将它们与变电所的接地网连接起来就能形成良好的静电屏蔽。
2防止电磁感应干扰的措施
（1）减少干扰源与二次回路间的互感减小由于电磁感应在二次回路产生的干扰电压。从式2可知，互感M与控制电缆及一次导线的长度L、相互的平行度有关，还受同一回路的两根电缆芯与一次导线的距离之比b/a影响，所以在电缆沟道的布置时应尽可能与一次载流导体成直角，减少平行段的长度。为此，应尽可能使同一回路的电缆芯安排在一根电缆内，尽量避免同一回路的“＋”“－”极电缆芯或电流、电压互感器二次回路中的ABCN四芯不在同一电缆内。这是降低感应电压最为有效的的措施，并且对任何频率的干扰电压都是有效的。
（2）电磁干扰需要磁性材料来进行屏蔽。在干扰源与二次环路之间设置电磁屏蔽物，使感应磁通不能进入二次环路，即可消除二次回路的感应电压。工程中常用的措施就是使用带电磁屏蔽的控制电缆，其屏蔽效果与屏蔽层材料的导磁系数、高频时的集肤效应、屏蔽层的电阻等因素有关。屏蔽层采用高导磁材料时，外部磁力线大部分偏移到屏蔽层中，而不与屏蔽层内导线相关链，因而不会在导线上产生感应电势。高导磁材料的屏蔽层对各种频率的外磁场都有屏蔽作用。我们常用的钢带铠装电缆，钢板做成的保护柜，就具有较好的磁屏蔽作用。
（3）非磁性材料的屏蔽层，其导磁率与空气的导磁率相近，故干扰磁通仍可达到电缆芯线。但在高频干扰磁场的情况下，干扰磁场会在屏蔽层上感应出涡流，建立起反磁通与干扰磁场抵消，使芯线不受影响。此种屏蔽的有效频率与屏蔽层的电导率、厚度和电缆外径成反比，有效频率一般在10-100kHz之间。
（4）在较低频率时，涡流产生反磁通的效应小，因而对外面干扰磁通场的抵御作用也小，为增强对低频干扰磁场的屏蔽，电缆的屏蔽层两端或多点接地，使电缆的屏蔽层与接地网构成闭合回路。干扰磁通在这一闭合回路中感应出的电流可产生反向磁通，减弱干扰磁通对芯线的影响。减少屏蔽层和地环路的阻抗，可增强屏蔽效果。所以，在变电所要敷设100mm2铜排，该铜排最好连接所有屏蔽电缆的两端接地点，这样可以提高屏蔽电缆抗电磁干扰的效果。
3防止地电位差产生干扰的措施
防止电位差干扰对二次回路的影响，首先要确保变电所有一个完善的电网，有条件时可以补充铜排连接，将各点可能产生的电位差降到最低。其次要保证各二次回路对地绝缘良好，确保在地电网产生较大电位差时，不致损坏二次回路绝缘，影响二次回路的正常运行。对于电流、电压互感器的二次回路，要求严格按照一个电气连接中只能有一个接地点。如果一个电气回路中存在两个接地点，电位差产生的地网电流会穿入该回路，影响保护的正确动作。
4 案例
下面来看发生于梅县发电厂受电磁干扰所出现的几个问题的例子。
梅县发电厂一期2号炉热工炉膛灭火保护发出引风机、送风机均停的故障信号，继保人员分别检查引风机、送风机提供给热工状态反馈用的中间继电器线圈、接点及端子均良好，后来发现该反馈信号电缆各线芯对地约有交流80～95V的感应电压，而热工炉膛灭火保护又是微机电子类装置，采取加装隔离继电器的措施后，故障消失，于是可初步确定是由于状态反馈线感应电压过高造成热工炉膛灭火保护误发信号。
二期工程自投产以来，DCS柜内电路板损坏的情况时有发生，后检查为接入的反馈线感应电压引起，采取加装隔离继电器的措施后，就不再发生电路板损坏情况。
一期主控室充电屏发生单相接地短路时，造成正在运行中的1、2号机突然跳闸，同时发出匝间保护动作信号的异常情况，后来查明是B600线未在主控室接地，当周围电缆有一条发生接地短路時，造成在B600上产生很高的感应电压(相对于匝间保护的定值而言)，使匝间保护动作跳发电机。这是一起典型的由于电磁干扰引起的事故。将B600线在主控室接地后，也不再发生该保护误动作的情况。
从上述事例可见，二次回路电磁干扰对保护的正确性可靠性有着重大的影响，从而关系到电力系统的安全生产，及时查明原因，做好相关防范措施显得尤为重要。
5结束
为了进一步降低干扰信号信号进入保护装置的可能性，除了上章中讲到的装置本身采取措施之外，还需要在外回路即二次回路中采用专门措施进行抗干扰，例如将原有变电所二次回路增设专用的铜排接地网，采用高频直流电源，减少直流电流源干扰，针对干扰较大的电缆改用屏蔽电缆，在新建变电所，大部分采用屏蔽电缆，正确选择合理的二次电缆敷设方式和路线，尽量远离高频信号的入地点，保护装置用直流电源在保护装置入口处经抗干扰电容吸收高频干扰信号等。
笔者认为，为达到抑制干扰的目的，弄清楚干扰源是首要条件，针对不同干扰源的性质，产生的机理，特点采取相应的技术措施，来消除干扰源的存在。本文所论述的干扰源情况及防范措施是笔者在实际工作中的一些体会，在现实的变电站运行过程中，保护系统的二次回路中还存在许多复杂的外部信号的干扰源，需要在实践中不断总结和实践经验的积累。
参考文献
【1】白同云.李晓德.电磁兼容设计[R].北京：北京邮电大学出版社,2001.
【2】李乐乐.谢志远.李娜.变电站二次设备的抗干扰性研究[J].电测与仪表,2008,(02).
【3】贺景亮.电力系统电磁兼容[M].北京：水利电力出版社,1993.
【4】王洪新.贺景亮.电力系统电磁兼容[R].武汉：武汉大学出版社,2004.5.
【5】连纪文.浅谈电力通信电磁兼容问题[J].电力系统通信.2003,24(3):20-23.
【6】电力系统继电保护实用技术问答[M].国家电力调度通信中心,北京:中国电力出版,2000.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。