电磁兼容第四章 变电所的暂态骚扰.ppt

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1、第四章 变电所的暂态骚扰,第一节 概 述 变电所中一次回路和二次回路之间存在着电的和磁的联系，因此在一次回路发生的任何形式的暂态过程都会通过不同的耦合途径传入二次回路中形成暂态骚扰。 暂态过程产生的原因: 1.开关操作、雷击、一次系统短路等。 2. 二次回路本身也会产生暂态骚扰，如直流回路中电感线圈的断路操作等。,暂态骚扰对二次回路的设备可能造成后果: 1. 破坏二次设备的绝缘，形成永久性破坏； 2. 骚扰其正常的工作，使其误动作。 研究暂态骚扰的必要性: 1. 二次回路中的设备，包括继电保护、控制、信号、通信、监测等仪器和仪表都属于弱电设备，其耐压水平和抗骚扰能力都比较弱 2. 控制、保护、

2、信号、监测等设备对暂态骚扰具有更加明显的敏感性和脆弱性。因此，在这些变电所中一次和二次回路之间的EMC问题变得十分突出。,3. 问题的严重性还在于，越是高压大容量的枢纽变电所，由于它们在电力系统中的地位和重要性，越需要应用更加先进的二次设备对一次系统进行保护和监控。 4. 由于一次系统电压高、容量大，反过来会对二次回路产生更加强烈的暂态骚扰。 5. SF6组合电器( GIS )的应用，对变电所二次设备增加了新的威胁。 6. 当将继电保护/控制设备下放至开关站时，它们更容易受到高压电气设备运行过程中的开关操作、短路故障等暂态过程产生的强电磁骚扰。,提高变电所一次和二次设备之间EMC采取的措施：

3、1. 降低骚扰源产生暂态骚扰的幅值和出现的概率； 2. 阻断暂态骚扰的传输途径； 3. 采取完善的抗骚扰措施； 4. 提高二次设备抗暂态骚扰的能力。,第二节 由开关操作引起的暂态骚扰,一次回路中，当开关进行切合操作时，引起回路的状态发生变化，从一种稳定状态经过振荡达到新的稳定状态，从而产生暂态过电压。 图4-1所示的简化等值电路，当闭合开关K时的振荡频率为:,图4-1 简化等值电路 图4-2 合闸时的母线电压波形 (a) 母线无泄漏；(b) 有泄漏,如果回路参数L和C 的数值都比较小，如切合小电容负载等，则产生频率很高的振荡。 试验结果表明: 用隔离开关切合空载母线时，在回路中形成一系列高频振

4、荡。 分闸操作时，振荡幅值越来越大;重复率越来越小； 合闸操作时，振荡幅值越来越小;重复率越来越大；,下面以隔离开关切合空载母线为例，分析电弧的重燃过程。 合闸操作 动触头以一定的速度向静触头移动，断口逐渐缩小。 当断口间的电位差足以使其间的空气绝缘击穿时，就产生了第一次电弧。 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源电压的瞬时值。 当高频电流为零时电弧熄灭，母线再次和电源断开。此时，母线上的电位一直保持着熄弧时的数值。,随后，电源电压继续按正弦规律变化，断口两端的电位差又逐渐增大，直至断口气隙又被击穿为止，母线电位再经过振荡以后改变为此时电源电压的瞬时值，电弧随即又熄

5、灭。 这样，电弧的重燃和熄灭过程反复出现，直至动触头和静触头相互接触为止。 因为在合闸过程中，电弧重燃时断口两端的电位差也逐渐缩小，故在工频一个周期内电弧重燃次数逐渐增加，母线电压成为越来越密的阶梯状波形，见图4-2(a)。,实际上，母线上的电荷总是存在泄漏,所以，母线的实际电压波形见图4-2(b)。 分闸操作 当触头分离以后，第一次工频电流过零，母线的充电电流即被切断，电弧熄灭，在空载母线上保持断开瞬间的电位。 随着电源电压变化，断口两端的电位差增大，直到间隙被击穿，发生第一次电弧重燃， 经过短暂的高频振荡以后，当母线电压重新等于电源电压时，电弧再次熄灭。 这个过程重复进行，直到断口之间气隙

6、的介质恢复强度超过两倍电源电压幅值时为止，电弧不再重燃。,分闸时，随着断口之间的距离逐渐增大，每次电弧重燃时断口两端的电位差也呈阶跃式增加，不过，和合闸情况相反，在一个工频周期内的重燃次数逐渐减少( 见图4-3 )。,图4-3 分闸时母线电压波形图 ( 忽略母线泄漏 ),合闸情况下的最大幅值等于电源相电压的幅值，出现在第一次电弧发生时，即: 分闸情况下，高频振荡的最大电压幅值发生在最后一次电弧重燃的时刻。其最大电压幅值为: 一般来讲，断路器操作时电弧重燃的概率很小，所产生的骚扰较隔离开关操作时低得多。当断口间有抑制操作过电压的并联电阻时，对二次回路的骚扰就更小。,图4-5 隔离开关单相操作时二

7、次回路中 暂态电压的幅值和重复率 （a）合闸 （b）分闸,由图4-5可见，在分闸时，二次回路中暂态电压的幅值随动触头运动时间增大而增大；在合闸时则相反。 暂态电压出现的重复率，合闸时逐渐增大，分闸时逐渐减少。 但在分闸过程刚开始和合闸过程即将结束的一段短时间内重复率随动触头运动时间的变化关系出现相反的规律。 这主要是由于在这段时间内电弧电流中的工频分量起主要作用，电弧只有在工频电流过零时才能熄灭，故重燃次数反而减少。,由于开关操作的母线上接有其它电气设备，构成了复杂的振荡网路，这就决定了暂态振荡电压的波形为包含多种频率分量的衰减振荡波。 根据实测结果 骚扰波形的频率一般从200kHz到约1MH

8、z， 每串骚扰波的持续时间为2050us， 高频振荡波的幅值多半在2.53个周波内就衰减到初始值的一半左右。 每串骚扰波的能量一般从几毫焦耳至数十毫焦耳。,5. 单相操作时，在一个工频周期内，骚扰波的出现次数大约从1次到20次，平均每秒超过l56次。 6. 每次高频振荡的持续时间虽然很短，但它是断续出现的，持续的时间可能超过1s。二次回路中反复出现这样的高频骚扰，其累积作用是不容忽视的。,图4-6 3种暂态电压的实测波形,图4-7 IEC推荐的暂态电压波形 U1 最大峰值；U3 峰峰值电压；U2 / T2 电压的最大上升速率；T1 最大峰值的上升时间；T3 单个子脉冲的衰减时间; T4 脉冲持

9、续时间；fl 最高振荡频率；f2 振荡频率( f2 f1 ); f3 子脉冲的重复率。,一次回路中的暂态高频振荡通过不同的耦合方式进入二次回路。耦合方式可以分为4种不同类型。 ( 1 ) 容性耦合 一次和二次回路之间通过静电感应在二次回路中产生骚扰电压。 ( 2 ) 感性耦合 高频电流产生的交变磁通和二次回路交链，在二次回路中引起电磁感应电势。 ( 3 ) 阻性耦合高频电流经过接在母线上的一次设备的接地引下线流入地中时，在引下线的电感和接地电阻上产生的高频压降作用于电缆的外皮上，使电缆外皮中流过高频电流，在芯线上感应骚扰电压。 (4) 高频幅射耦合当振荡频率很高时，会产生幅射电磁场，对所有能够

10、接收到电磁波的二次回路造成骚扰。 实际上，常常不是只有一种耦合方式起作用，而是几种耦合方式同时存在，共同产生骚扰。,图4-4 不同耦合方式示意图 (a)对二次电缆的容性耦合和感性耦合；(b)通过电磁式PT的耦合；(c) 通过电容式PT的耦合；(d) 通过耦合电容器的耦合；(e) 通过CT的耦合,第三节 阻性耦合产生的骚扰,变电所中由于雷击、系统对地短路等原因引起的地电位升高，对变电所设备造成很大威胁，也是对二次回路骚扰的主要来源之一。 一些变电所的接地装置年久失修或维修不当，接地网严重腐蚀、引下线断裂，以致事故频频发生。不少设备大量损坏，使变电所的正常运行受到很大威胁。 某电网一个变电所从19

11、75年到1979年3次因雷击或高压线单相接地而损坏通信设备，使变电所的二次电缆头烧融，并烧坏二次电缆20多米，损坏载波机9台。 某水电站数字微波通信系统1996年6月遭受雷电袭击，击坏两块PCM板，不仅经济受到损失，而且影响电路通畅,当雷电直接击中变电所或发生单相接地短路时，大电流经接地点泄入地网，使接地点乃至整个地网的电位升高。这时，接地点的电位可由下式决定: UgIg .Re 某变电所接地电阻Re0.257欧，单相短路电流Ig8.674kA，则接地点地电位升高为: Ug2.3kV。 如果二次回路和接地网的连接点，靠近大电流的入地点，则这些连接点的电位也随之升高，在二次回路中造成共模骚扰过电

12、压。当过电压的数值过大，会引起二次设备绝缘击穿。,二次电缆的外皮在电缆两端与地网相连。由于两端的接地点电位不相等，将有电流流过二次电缆外皮，通过电磁耦合在二次电缆芯线上感应纵向电势，叠加在信号上造成骚扰。 一、 二次电缆外皮中电流的计算 设变电所接地网由主接地网和主控制室接地网两部分组成，中间用联络地线相连，如图4-8所示。计算在二次电缆一端的外皮接地点A处发生单相接地短路时流过二次电缆外皮的电流。显然:,设 和 分别为流过二次电缆外皮和联络地线的电流，则: 由图4-9可得流过二次电缆外皮的电流为:,讨论： 1. 当联络地线和二次电缆距离很近，并耦合紧密时，有L1-M120，L2-M120，且

13、L1L2L，R1R2R 并将这些条件代人上式得: 由上式可以看出，减小Id 、Rg1、Rg2或增加Rg2 、Rg1均可减小二次电缆外皮的电流，只是影响的程度不尽相同而已。,2. 当联络地线和二次电缆距离较远，并耦合很弱时，M120，且L1L2L，R1R2R ，则: 比较两式可以得出结论： 在其它条件相同的情况下，耦合紧密比耦合不紧密的二次电缆外皮电流稍小。 所以，将二次电缆沿电缆走向尽量靠近联络地线，对减小二次电缆外皮的电流较为有利。,二、 二次电缆外皮电流产生的骚扰,图4-10 研究二次电缆外皮电流 产生骚扰的模型示意图,图4-10为研究二次电缆外皮电流产生骚扰的模型示意图。假设接地点O流过

14、接地电流 ,二次电缆一端的外皮在O点与接地网连接，另一端在B点接地。B、A两点的电位可分别写成:,则差模骚扰电压uAB为 ： 式中 称为转移阻抗。 不计及引线影响时，同轴电缆而言L0=M0，所以，转移阻抗又可以写成: 它标志着电缆抗骚扰的能力，即单位长度电缆外皮流过单位电流时产生的差模骚扰电压。 愈小，电缆抗骚扰的能力愈强 外皮应采用良导体材料。,第四节 直流回路操作产生的暂态骚扰,断路器的分合闸线圈、电磁式继电器的工作线圈等直流操作回路中具有较大的电感。 当直流回路断开时，由于电感内储存的磁能释放，线圈两端可能产生几千伏的过电压。 这种过电压可以直接或间接地影响由直流电源供电的二次设备。 图

15、4-11为中间继电器和断路器跳闸线圈断开时线圈两端的过电压波形,波形的前面部分为锯齿形，后面部分为衰减振荡。机理如下：,图4-11 直流线圈电路断开时的 等值电路和过电压波形 ( a )等值电路； ( b )过电压波形,锯齿波形成的原因是因为线圈电路断开时，线圈中的磁能向分布电容C充电。 当分布电容上的电压上升到足以使断口击穿时，断口间产生电弧。分布电容通过电弧放电，断口两端的电压下降， 由于放电回路的时间常数非常小，断口电压迅速下降至0，断口的绝缘恢复，分布电容又一次被充电， 这个过程反复进行下去，电弧多次重燃。每次电弧重燃，分布电容即完成一次充放电过程，形成一个锯齿波。 电弧的多次重燃形成

16、一系列锯齿形波。,由于每次放电都要消耗一部分磁能，同时随着开关断口距离拉长，绝缘强度恢复速度加快，所以，断口距离增加到某一限度以后，电弧不再重燃。 此后，线圈中剩余的能量和分布电容中的电场能量互相交换形成衰减振荡的波形，一直持续到能量全部耗尽为止。,电感线圈断开的速度对暂态骚扰的影响,断开速度加快，幅值增高，重复率降低。 当断开速度较慢时，过电压幅值降低，重复率增高。 这是因为，若断开的速度快，断口长度增加得快，电弧重燃一次需要更高的电压，分布电容的充电时间相应延长，故锯齿波的幅值高而重复率降低。,直流回路电感元件操作所产生的暂态过电压通过线间耦合和传导将在其它二次回路中激发起频率更高( 几兆

17、赫 )的骚扰电压。 在电磁式中间继电器线圈的两端并联二极管或在开关分合闸线圈上并联适当数值的电阻可明显地抑制这种暂态过电压的幅值。,第五节 电磁式电压互感器对暂态电压的响应,电磁式电压互感器(PT)通过感性耦合和容性耦合两种方式将一次回路产生的骚扰电压传入二次回路(见图4-4b)。 PT对骚扰电压的响应直接影响二次回路中骚扰电压的形成和发展。 因此抑制来自PT方面的骚扰有着重要的意义。,作用在PT一次侧的骚扰电压大部分是在系统短路、雷电波侵入以及开关操作时产生的。骚扰电压的基本方程式为: 上式表明: 一次骚扰电压基本上可分为衰减的直流部分和高频振荡部分。,一、对衰减的直流电压的响应,设一次侧骚

18、扰电压为按指数衰减的电压波形: 式中，时间常数Tn一般为几个周波。相对于这样的衰减速度，PT内部的分布电容可以忽略不计。其等值电路图如图4-12所示。,图4-12 电压互感器等值电路图,根据等值电路图可得:,Tm 为 PT的时间常数。,式中:,对于110kV330kV的电压互感器而言，二次侧响应电压基本上由第一项决定。 由此可见,一次侧衰减的直流骚扰电压可以充分地得到响应，相当真实地由电压互感器传至二次回路。,二、对高频骚扰电压的响应,由开关操作引起的高频振荡，其频率可高达数百千周，因此，研究PT对高频骚扰电压响应时，必须考虑PT内部的分布电容，将其视为L、R、C的复杂网络。 精确地计算这些参

19、数是相当困难的。作为工程上的应用可以将绕组的分布电容用集中电容代替，并且采用图4-13( a )所示的等值电路。,图4-13 计及绕组分布电容的PT等值电路 ( a ) 等值电路；( b ) 简化的等值电路 C1 一次绕组对地；CE 二次绕组对地; Ck 一次、二次绕组之间；Cs PT二次侧至负载之间连接线的对地电容；ZB 负载阻抗,由此可得PT对高频骚扰电压的传输系数为: 式中: 为衰减系数； 为自振角频率。,图4-14 PT对高频骚扰的传输系数KHF与 关系,当 很小和 时,骚扰电压的响应幅值很高。增加 可以减少骚扰电压。 实际上，由于一般互感器存在多个谐振频率，单纯采用这一种方法不能完全

20、抑制骚扰响应电压。 其它有效地抑制骚扰电压幅值的方法是在PT的输出回路或者在继电保护等的输入回路中采取措施，例如可采用适当的输入滤波器、屏蔽以及稳压管等抑制措施。,第六节 电容式电压互感器对暂态电压的响应,电容式电压互感器( CVT )以其结构简单并可兼作载波通信的耦合电容器之用等优点广泛应用于超高压变电所中。 高压臂电容对高频电流形成低阻抗通道，所以，高频振荡及其它暂态骚扰极易通过CVT传入二次回路。,一、对衰减的直流电压的响应,图4-15 CVT原理接线图 C1、C2 高.低压臂电容；L 补偿电感；Ck补偿电容 RF 抑制铁磁谐振用的阻尼电阻,若忽略PT的负载(铁磁谐振阻尼电阻上的功耗一般

21、为400600W，远大于PT的额定功率)，则CVT的等值电路见图4-16(a )。 根据戴维南定理可将图4-16( a )的等值电路进一步简化为图4-16( b )所示的等值电路。其中:,图4-16 电容式电压互感器的等值电路 (a) 等值电路；(b) 简化的等值电路 RT 附加的电磁式PT一次绕组和二次绕组的总电阻； LT 总漏电感,当输入端施加按指数规律衰减的直流电压时，计算表明:输出的骚扰电压中包含有低频及高频振荡，振荡频率与PT的参数有关。 当忽略PT内部的等值电容时，输出电压中只包含低频的衰减电压，如图4-17(a)所示。 如果考虑等值电容，输出电压中将产生高频电压分量，如图4-17

22、(b)所示。,图4-17 电容式电压互感器的响应电压曲线 (a) 忽略内部等值电容；(b) 内部等值电容为50PF; PHB 电压互感器额定功率,高频分量的幅值与阻尼电阻RF的功耗PRF有关，PRF 越大，高频分量的幅值越低。 采用适当的阻尼电阻增加功率损耗可以抑制骚扰电压。 但是，为了保证在临界条件下高速继电器不误动作，最好采用滤波器将直流骚扰电压从二次回路中滤掉。,二、对高频骚扰电压的响应,研究表明，CVT对高频骚扰电压的阻尼能力比电磁式PT高得多，这种特点对二次回路的保护，特别对静态继电保护装置是有利的，而且，阻尼电阻RF对阻尼高频振荡电压有明显的效果。 图4-18表示220400kV的CVT具有不同功耗的阻尼电阻RF时的传输系数KHF与 的关系曲线，其中，传输系数的计算公式为:,由图4-18可以看出，在一般阻尼电阻的情况下，最高传输系数比较低，而且当 1.4 时，出现对骚扰电压的强烈抑制作用。在这种条件下，经CVT传递到二次回路的高频骚扰电压对静态保护元件一般不会产生很大的危害。,图4-18 CVT对高频电压的传输系数与w /0的关系 w 高频电压的角频率；0 PT的固有振荡角频率,