李清泉1 李彦明1 牛亚民2
1.西安交通大学，西安710049； 2.山东省金曼克电气集团公司，金乡270022
0 引言
计算机技术为电力系统的控制和调度提供了自动化和智能化的手段。但是随着电子器件向集成化和高速化发展，电子设备的工作电压有所下降，信号电压也变得很低，导致其毁坏或误动作的干扰信号幅值和能量也越来越低。变电站中的开关操作、断路器、雷电及系统短路等都是常见的干扰源，这些干扰源中，以开关操作产生的瞬变电磁场对电子设备的危害最大。在开关动触头的开、合动作过程中会产生大量的电弧(包括预燃和重燃)。电弧的持续时间大约从几μs到几ms，上升时间为ns级。开关动作产生的典型过电压值约为相电压幅值的2倍。在含有共振电路的特殊情况下，由瞬变电磁场产生的过电压能达到相电压幅值的6.5倍。由高压隔离开关操作引起的控制系统毁坏或二次设备误动作已有报道[1～4]，因此，了解这种操作产生的瞬变电磁场特性及其防护措施是非常必要的。
1 开关操作瞬变电磁场的产生
高压隔离开关闭合时，间隙逐渐缩小至其间的空气绝缘击穿时产生第一次电弧。空载母线上的电位从初始状态的零值经过短暂的振荡过程后变为当时电压的瞬时值，随着高频振荡电流衰减，振荡完毕，电弧熄灭，母线再次和电源断开，母线上电位保持电弧熄灭时的值。当触头间的电位差随电源电压的变化而增大到击穿电压时，又产生电弧并再次熄灭，直至动触头和静触头接触为止。高压隔离开关断开时与闭合过程相反。电弧的熄灭和重燃，在母线上产生一系列的高频电流和电压波，此时母线就象一高频天线，以瞬态电磁场的形式向周围空间辐射能量，同时母线上的瞬态过程还可通过连到母线上的设备( 如CT、PT等)直接耦合到低压回路。
在变电站中，不同隔离开关及不同操作方式所产生的瞬变电磁场不一样。美国EPRI小组分别在115、230、500 kV空气绝缘变电站(AIS)及345、500 kV气体绝缘变电站(GIS)中实测瞬态电磁场，其不同电压等级下的AIS实测瞬态电磁场的波形见图1。
图1 不同电压等级AIS的瞬变电磁场波形
其测量点在母线中间位置下方的地面上，115 kV母线长48 m,230 kV及500 kV母线长6～9 m[3]。
由图1可见，变电站电压等级越高则其所产生的瞬变场最大峰值越大，但波形变化随系统电压的变化不显著。EPRI小组在手动方式(115、230 kV)及电动方式(500 kV)下AIS中电磁场的实测值见表1。
由图1和表1可见瞬变电场呈单极性，在几百ns内上升到最大值，持续0.02～10 ms。与瞬变电场不同，磁场呈双极性，也在几百ns升到峰值，但在10～15 μs之内幅值就衰减到0。瞬变电场波形反映了母线电压的作用，磁场波形反映了母线电流的作用。瞬变磁场在半个周期内达到正的峰值，另半个周期反向达到负的峰值，正负峰值大小相差很大。也可以看出不同电压等级变电站瞬变场的主频率变化范围为0.5～3 MHz。EPRI小组记录的500 kV GIS开关动作所产生的瞬变电场和磁场的波形见图2。
Russell等人对345、500 kV GIS中隔离开关闭合时测得的瞬变电磁场典型数据见表2。
测试数据随GIS内部结构及测试设备的不同而异，但345 kV及500 kV GIS大量的实测结果表明，辐射干扰的频率约为0.5～100 MHz，20 MHz附近的辐射电磁场强度最大；辐射电场强度的幅值为1～50 kV/m；磁场强度的幅值为1～5 A/m；脉冲持续时间数ns～1 ms；上升前沿为数ns～1 μs。经比较实测数据可知：GIS中暂态现象的主要频率比AIS的高许多倍，其电场和磁场的频率分量可能＞20 MHz；幅值比AIS中的小；总的持续时间也短，有些很高的频率持续时间>0.4 ms[1～4]。这是因为SF6气体的去游离性极强，其气体击穿过程及电弧的消失过程极为迅速。
尽管在变电站内还有其他的干扰源，但引起问题最严重的是高压隔离开关操作所产生的瞬变电磁场 。开关触头的慢速移动，不但使高压系统的各部件之间的绝缘介质多次击穿，而且残留电荷使击穿电压超过系统的操作电压。每次击穿都释放出100 kHz～几MHz频率的大量能量[2]。这么高的频率及幅值且上升时间仅为ns级的暂态电压对变电站内的计算机和其他电子设备形成很强的干扰。随着综合自动化技术的实施，一些电子设备设置在变电站内，甚至在开关附近，使干扰问题更加突出。
2 干扰途径及抗干扰措施
高压开关操作产生的瞬变电磁场以不同的耦合或传导形式干扰二次设备：(1)容性耦合：通过静电感应干扰二次设备；(2)感性耦合：产生的交变磁通和二次回路交链，在二次回路中产生感应电势；(3)阻性耦合：高频电流经过接在母线上的CT、CVT等的接地引线时，使电缆外皮中流过高频电流，在其芯线上产生干扰电压；(4)高频辐射：以母线为天线，以高频辐射的形式干扰二次设备。
要实现良好的电磁兼容，须采取以下措施：(1)控制干扰源，使其不产生干扰，或削弱干扰源的幅值，将干扰降到一定水平；(2)阻止干扰耦合到敏感设备或降低干扰程度；(3)提高易受影响设备的抗干扰能力。
随着开断功率更大的高性能电力电子器件的不断发展，国外一些公司宣布研制成功以碳化硅(SiC)为基片的电力电子器件，基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件的损耗却大大降低，使元件的断开功率大大提高[5]。如果电力系统的高压机械开关(油断路器、SF6断路器、真空断路器等)被大功率的电子开关取代，即消除了干扰源。
切断干扰途径或降低耦合程度的传统方法是屏蔽、接地、隔离及滤波等。变电站内二次电缆采用两端接地的金属外皮屏蔽电缆，对容性耦合或感性耦合产生的干扰均有明显的抑制作用。但二次电缆仍需远离干扰源；对于不同的传输信号，须采用多层的屏蔽电缆或不同的接地方式。
随着光电技术在电力系统的成熟应用，国内外已有光纤高电压传感器和电流传感器成功应用。由于光纤不会把电磁场引入设备，因此从路径上切断了干扰的传播。
二次设备的接地包括安全接地和工作接地。二次设备的安全接地应与一次设备的接地共用一个接地网，接地线也要尽可能短，以降低可能出现的瞬时过电压。对于工作接地，通常是低频电路(f＜10 MHz)采用单点接地，高频电路(f＞10 MHz)采用多点接地。即使是多点接地，也应使引线尽可能短且就近接地。
变电站内的二次设备，必须经过各种抗扰性试验。硬件上可以采用隔离变压器，浪涌吸收器等抑制干扰的措施。控制系统的可靠性除与硬件系统有关外，与软件系统也有直接的关系，因此在软件上也应采取相应的措施，如采用软件滤波、设置看门狗防止死机及进行容错设计等。软件设计很大程度上依赖对现场各种情况的分析、总结，应通过对干扰影响程序运行结果的研究分析，改进软件，以得到满足要求的高可靠性软件系统。
3 结论
高压隔离开关产生的瞬变电磁场持续时间短、幅值大及含有大量的高频分量，它通过耦合或辐射的方式对变电站内的控制设备形成强烈的干扰，对二次设备的干扰最严重；
应根据具体情况采取屏蔽、接地、滤波及隔离等措施，消除或降低对二次设备的干扰；对于电子设备，在硬件和软件上都应采取降低干扰的措施以保证工作的可靠性。
参考文献
1 、Boggs S A, Chu F Y. Disconnect switch induced transient and trapped charge in gas-insul ated substation. IEEE Trans on PAS, 1982,101(10):3593
2 、Russell B Don, Harvey S M, Nilsson S L. Substation electromagnetic interference, Part I Characterization and description of the transient EMI problem. IEEE Trans on PAS, 1984,103(7):1863
3 、Wiggins C M, Wright S E. Switching transient fields in substations. IEEE Trans on P D, 1991, 6(2):591
4、 贺景亮.电力系统电磁兼容.北京：水利电力出版社，1993
5 、Mansour H Abdel-Rahman. Calculation fo very fast transient caused by disconntor switching in GIS, ISH 97
6 、郑健超.电力前沿技术的现状和前景.中国电力，1999，32(10)：25
7、杨吟梅.变电站内的电磁兼容问题.电网技术，1997，21(5)：67
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