摘要　在弱电设备被越来越广泛地应用于变电站作为监控之用的今天，暂态电磁干扰是一个值得注意的问题。分析并讨论了变电站开关操作对二次回路产生暂态电磁干扰的原因、特点及其防护措施。
　　关键词　开关操作　隔离开关　暂态电磁干扰　耦合

1　引言
　　随着电网自动化水平的提高，越来越多的弱电设备被用于变电站作为数据采集、系统控制及系统通讯等之用。特别是现在许多城市变电站已实现了无人值守，这就更是完全依靠各种弱电设备来对变电站实行全面监控。因此，保证这些监控设备的正常工作已成为保证变电站正常运行的一个很关键的问题。
　　对变电站中弱电设备的正常工作造成影响的主要因素之一是暂态电磁干扰。这些干扰主要来自三个方面：雷电、故障及开关操作。关于雷电的影响已在有关文章中分析，而相对于为运行及维护所必需的日常倒闸操作来说，故障发生的机率是较小的。由于操作产生暂态电磁干扰而致使监控设备不能正常工作的情况时有发生。如1993年广西来宾500 kV变电站就曾多次发生过远方操作隔离开关切合220 kV空母线时，其操作机构电动机电源保险在隔离开关拉弧过程中烧断以至操作机构失去电源的现象。广西平果500 kV变电站也曾发生过类似的二次设备受干扰的情况。所以本文着重讨论变电站倒闸操作对接入弱电设备的各种电缆、电线所造成的暂态电磁干扰及其产生的原因、特点、保护措施等。

2　开关操作产生的电磁暂态
　　在高压变电站中，常因运行或维护的需要进行各种倒闸操作。图1所示为一个典型的因倒闸操作而产生电磁暂态过程的结线。例如，要投隔离开关Q1，则是由此开关给图中a、b两点之间的一段引线通电，此时被激励的引线段一侧端接于断开的断路器Q的套管电容，而另一侧通过被操作的隔离开关接到电源。此时另一侧隔离开关Q2一般是打开的。由于在开关合闸操作过程中，断口间会出现几十次乃至几百次重复燃弧及断弧的过程，故会在由系统中的电感及电容所构成的振荡回路中产生一系列很复杂的过渡过程，从而在母线及引线上产生幅值及频率均较高的暂态电压和电流。切开Q1时的情况与前述的合闸过程是类似的，只不过这次是给a、b两点间的引线段断电。一般被通电或断电的引线段均不太长，约为几米到几十米之间，从波过程的观点来说波在其上传播的时间很短，故产生的暂态频率较高。如文献3给出在一个AIS变电站中用隔离开关开断一段500 kV短线时产生的暂态电流峰值约为2.3 kA，其上升时间为400ns。若操作的是断路器Q，则前面提及的那段引线由于Q1的闭合已充电，即Q的b点侧带电，此时在另一隔离开关Q2闭合的情况下操作断路器。从产生电磁暂态的程度来说，这种操作没有隔离开关操作那么严重。
 

图1　产生操作暂态
过程的结线图

3　高压导线电磁暂态对二次回路的耦合
　　由每一次发弧或断弧所激发的过渡过程在高压导线上产生的暂态电压和电流会以传导或幅射的形式在变电站中产生暂态电磁干扰，从而以各种形式在二次电缆、电线中耦合出暂态电压和电流来。现分别讨论如下。
3.1　传导耦合
　　在足够高的频率下，CT或者CVT的二次侧会通过其一次与二次以及它们的法拉第屏蔽层之间的寄生电容而容性地耦合到高压导线。这样，高压导线上的暂态电压电流就会直接耦合到屏蔽或未屏蔽的CT或CVT二次电缆的内部导线。这种耦合值得注意，因为它不能通过把二次电缆屏蔽来减小，而只能用冲击抑制装置来限制。
3.2　辐射耦合
　　在变电站中，一般二次电缆的垂直引下部分(即靠近一次设备处)是用一段铁管套着屏蔽的。而其在电缆沟中水平走向控制室部份通常屏蔽较差，不过这部分也往往离被激励的高压导线较远。对未屏蔽的电缆，高频辐射电磁场直接耦合到其内部导线并在其负载处产生在一定时间内衰减很少甚至不衰减的暂态电流和电压。暂态场耦合到屏蔽电缆内部导线分为两步。第一步，电磁场耦合感应电压并产生流过屏蔽层的电流。这里有两条途径：一是在屏蔽层一个较短的长度上电场的切向分量作为一个局部电压源在电缆屏蔽层阻抗产生电流；二是附近的阻抗耦合导线(如CT或CVT的接地线和接地底座，它们通过CT或CVT的套管电容直接耦合到高压导线)流过的电流所产生的局部磁场也会在屏蔽层上产生感应电流。第二步，一旦暂态感应电流出现在电缆屏蔽层，它们就可以两种方式耦合到电缆的内部 导线。一种方式是通过屏蔽层与每一导线之间的传递阻抗；另一种方式是通过屏蔽层引线与某一根导线之间在屏蔽终端处的互感。这两种方式的耦合效果会随着频率增大而更为显著。
　　来宾变电站隔离开关控制回路的故障就是由以上分析的辐射耦合所造成的。其电源保险烧断说明由耦合所产生的控制回路电流已较大。文献2给出的控制回路最大峰对峰感应电流测量值为19.6 A，实际上还有更大的。
　　有关研究(文献3)曾发现一个有意思的现象；单独来说，传导耦合及辐射耦合中的引线耦合分量各提供所测得的耦合值的70%，但这两种耦合合起来再加上20%的传递阻抗耦合分量就正好得到100%的总的电磁干扰值。产生这种情况的原因是：各种不同形式的耦合所提供的电磁干扰分量是不同波形、不同频率成份及不同相位的。

4　开关操作产生暂态电磁干扰的特点
　　每一次变电站开关操作均产生大量电磁暂态，其次数、幅值及波形变化，取决于变电站类型、电压、所操作的开关类型及其切换速度等。
　　首先，隔离开关切换所产生的暂态的幅值及次数要比断路器大得多。这主要是因为断路器的切换速度要比隔离开关快得多，而且断路器有很好的灭弧措施及限制振荡的措施。文献1指出，由一个慢动作的隔离开关所产生的暂态次数可高达上万次，而快动作的可少至几十次。所以，切换速度越快，产生的电磁暂态总次数越少。操作产生的暂态的相对幅值变化很大，一般是分闸到最后及合闸刚开始时最大。虽然一次操作过程产生的暂态次数多并不一定就意味着产生的最大幅值高，但这毕竟意味着长的持续时间和大的干扰量。
　　切换暂态的主频率变化很大，在几百kHz到上百MHz之间。一般随变电站电压等级成反比变化，这是因为电压等级高的变电站尺寸大，波的传播时间长。GIS最紧凑，所以它的切换暂态频率最高，比相应的AIS高10倍以上。对于一定的变电站类型和电压等级，断路器的切换暂态频率又比隔离开关高。频率越高，各种形式的耦合就越见效，而且有些由微处理器组成的设备可能对高的脉冲重复频率比对高的幅值更敏感。
　　暂态电磁干扰的幅值与变电站电压等级成正比，即变电站电压等级越高所产生的最大暂态电磁干扰的峰值就越高。因为在过渡过程中高压导线上产生的最大暂态幅值取决于其冲击阻抗及瞬时最大相对地系统电压，而二次回路中的电磁干扰既起源于暂态高压导线电流电压，则它们的相对幅值一般也就正比于变电站电压等级。相对于对应的AIS来说，GIS的切换暂态在变电站的二次回路中产生的电磁干扰幅值小，这是因为GIS的接地外壳起了较好的屏蔽作用，在外壳与地之间的电磁场亦因此而衰减得很快。而在AIS，虽然其暂态磁场衰减也很快，但其暂态电场幅值在各次发弧之间的相当长的时间内维持在一个较高的水平。

5　对开关操作暂态电磁干扰的防护措施
　　①首先，加快开关的切换速度可能是减少所产生的电磁干扰量的一种有效方法，尽管这一措施并不必定会减小所产生的最大暂态幅值。对于GIS，其外壳良好接地对减少电磁干扰是必要的。
　　②损坏往往是由于二次电缆屏蔽层不接地或只在一端接地引起的。一端接地本来是为了避免在电缆屏蔽层产生过量的环流，但这会使开关操作时在屏蔽层上产生的感应电压较高，两端接地后，感应电压要小得多。据文献4给出的数据，屏蔽层单端接地及两端接地时的感应电压分别为两端不接地时的10%及1%。来宾变电站在将原来不接地的220 kV隔离开关操作控制电缆屏蔽层一端接地后，就不再出现开关操作时控制回路故障的现象。
　　③改善电缆的屏蔽。质量好的屏蔽会使传递阻抗减小，从而也就减小了传递阻抗耦合。此外，改进屏蔽层的端接也很重要。屏蔽层接地时，应使平行于导线的引线长度尽可能短或尽量少用引线而用屏蔽层的同轴端，这样可减少引线耦合。
　　④除电缆屏蔽外，有时还需要冲击保护设备，特别是对于象CT或CVT二次侧这样与高压导线有传导耦合的设备。如广西电力试验研究院在做500 kV隔离开关投切空载母线试验时曾测得母线电压互感器到母线保护柜之间的电压回路电缆备用芯上的最高峰对峰电压值达3.77 kV，文献2给出的最高测量值甚至是6.77 kV，这样高的电压若没有保护则很易造成弱电设备损坏。

6　结语
　　在越来越多的弱电设备被应用于高压变电站的今天，讨论暂态电磁干扰对弱电设备正常工作的影响显得尤为重要。开关操作是变电站暂态电磁干扰的一个重要的来源，本文对其产生的原因及特点进行分析和讨论，以便针对各种不同的具体情况采取相应的防护措施。

作者简介：梁小冰，女，1946年12月出生。1970年毕业于武汉水利电力大学，1981年广西大学硕士研究生毕业。副教授，硕士生导师，现从事高电压技术的研究和教学。主要论著有《双层土壤中电站地网计算问题探讨》 、《变电站直击雷对其控制室内弱电设备的影响》以及《断线谐振的计算及分析》等。
作者单位：广西大学　南宁市　530004

参考文献
1　C.M.Wiggins and S.E.Wright. Switching Transient Fields in Substation. IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.6,No.2, April 1991, 591～599.
2　D.E.Thomas, C.M.Wiggins, T.M.Salas, F.S.
Nickel and S.E.Wright. Induced Transients in Substation Cables Measurements and Models. IEEE Trans. on power Delivery, Vol.9,No.4,October 1994,1864～1867.
3　C.M.Wiggins, D.E.Thomas, F.S.Nickel and
S.E.Wright. Transient Electromagnetic Interference in Substations. IEEE Trans. on power delivery,Vol.9,No.4,October 1994,1869～1983.
4　杜树春.雷电对微波通信站的电磁干扰及其防护.北京：全国调通局防雷工作会议，1989.