开关装置内外干扰源分析

图5-10和图5-11所示分别为可能存在的主要干扰源以及它们最终都汇集到开关装置内二次系统的不同途径。各干扰源影响程度的基本情况分述如下：

图5-10　开关装置二次系统可能的主要干扰源

图5-11　开关装置内干扰源和传播形式的示意图

（1）工频电磁场。它存在于正常运行的大电流开关柜内，在柜内发生短路故障的瞬间，可出现最强的工频电磁场。由于金属封闭开关设备的外壳接地，而且各隔室之间的钢板有屏蔽作用，所以工频电磁场对低压室内的控制设备一般不造成影响。

（2）静电放电（ESD）。在干燥的自然环境中，两种绝缘体之间摩擦引起的静电放电也可产生干扰。但柜体外壳是接地的，而且防静电已成为电子产品必需的性能，所以这种干扰不构成威胁。

（3）射频磁场的干扰。由大功率发射台、无线电广播，移动通信设备等产生的干扰电磁场只有在特定环境里才有可能出现，一般情况下这种干扰不存在；但当断路器开断感性负载出现的多次重燃过程中，也有可能出现射频磁场的干扰。

（4）一次侧开关操作，特别是隔离开关投、切空载母线操作时，由于闸刀速度慢，多次出现燃弧—熄弧过程，母线在与隔离开关形成的短回路中的分布电容不断以振荡形式交换能量，电压行波在回路中的导体连接处因波阻抗不同发生多次反射，使母线电压波形叠加了非常陡峭、多次重复的振荡波。国外有的测量记录是：操作常用的空气隔离开关时，振荡电压的陡度为几十纳秒至200ns，频率在几千赫至几兆赫间；操作GIS中压隔离开关时，由于SF6气体绝缘强度比空气高，熄弧时间短，GIS内结构复杂且尺寸小，波反射的结果是产生了前沿更陡、频率更高的振荡电压波，特点是陡度大、频率高（达几兆赫或更高一些）、重复率高（几赫到几千赫），这种是一类经常出现且具有很强影响的干扰源[34-35]。

图5-12　真空断路器开断感性负载的典型接线

真空断路器开断感性负荷出现的多次重燃过程中，也与隔离开关投、切空母操作类似，产生干扰，不同之处是断路器位于开关柜内，距离电子器件、继电保护装置很近，而且又有导体连接的通道，所以干扰更强。文献[36]作者对典型的操作用图5-12所示接线进行了试验研究，线路中的模拟分布电容C，取值840pF。电压波形UL如图5-13所示，它取自并联在断路器端子与地之间的过电压吸收器两端，其方法与图5-5所示波形的提取方式相同。这种波形变化的规律是：随着断口多次重燃的发展过电压逐渐加剧，最后一次波的幅值最高，倒数第二次波的幅值次之；对应于电传导、电容耦合、电磁辐射三种途径相关的干扰信号使用的监测器具是：①电流信号用带宽为1GHz的FCCF-65型钳形高频电流传感器；②电压信号使用Tektronix P5100型高压探头；③场强测量用电容器耦合经由光纤传输给场强仪探头的方式。

图5-13　真空断路器开断感性负载重燃的波形（有过电压吸收器）

对最后一次和倒数第二次重燃波放大后的这两种干扰信号波形分别如图5-14和图5-15所示。用傅里叶级数频谱分析软件分析后得到的结论是：

1）导体传导的干扰作用有限，由于其频率最大至200MHz，而辐射波的干扰强，其频率最大至750MHz。

2）高频电流和电压均产生很强的干扰。(www.xing528.com)

3）最后一次重燃波的带宽较窄，在倒数第二次重燃波带宽中，很明显其频率上限值高；对于高频电流的干扰频率，也是倒数第二次重燃波的高，其值在100～200MHz。

图5-14　2μs—最后一次重燃波的干扰强度分析

图5-15　2μs—倒数第二次重燃波的干扰强度分析

（5）投、切大功率电动机，晶闸管调压整流器、电弧炉等设备，使电源电压富含高次谐波，这种操作也产生了很强的干扰源。

（6）雷电活动产生的干扰。其形式之一是从低压操作电源入侵到开关柜二次系统的感应过电压以及线路某处绝缘击穿后的截波行波，这两种波形的特点与雷电波波形的统计规律是一致的。入侵波的幅值与感应雷的大小和到线路雷击点的距离有关，也和低压线路的过电压保护装置特性有关。

另一干扰形式是一次侧避雷器动作时，如泄放高幅值雷电流的接地点距柜体较近或接地电阻大，则有可能在接地体各点电位暂态升高的过程中发生共模干扰，控制、保护回路的电压、电流信号因此可能受到强烈影响。

（7）线路的运行参数突然发生大幅值的瞬变，例如，因运行调整或故障原因，线路突然出现幅值极高的瞬变电压、电流波，这时可通过辐射干扰二次系统；还有一种极强的干扰源是在断路器投、切、关合背靠背电容器组时出现的高频、高幅值合闸涌流。它可产生强大的干扰，甚至对一次设备或二次系统造成严重损害。已接入母排的电容器容量越大，涌流幅值越高，此外，电流幅值大小还与断路器合闸时电源电压的相角有关。国外有的资料报导该幅值通常为几千安，严重时甚至可超过安装点的短路电流，频率一般在1～8.5Hz之间[37]。文献[38]中计算了在已投入3组都是10000kvar的电容器组之后再投入最后一组相同容量电容器组时，涌流幅值竟高达34.6kA，频率为2.82kHz。绍兴电力局试验站大量试验数据显示，背靠背操作关合额定电流400A电容器组出现的合闸涌流在4000～8000A，频率约为1kHz。

高频、高幅值的合闸涌流对二次系统产生非常大的干扰甚至可损坏某些元、器件，通过计算电流互感器次级的感应电压可了解它的干扰能力。

设在断路器关合瞬时涌流的相角为ψ，则一次侧电流可写成i1=Imsin（ωt+ψ）。对电流比为k的电流互感器，次级回路的感应电流可写成于是在次级绕组电感L上的感应电压u2为

现将被研究对象LZZBJ9型600A/5A电流互感器的参数代入式（5-6）：即k=120，测量绕组的电感L=450mH；频率取1000Hz。当ωt+ψ=0时，u2的最大值为

取Im=4000～8000A代入上式，得u2m值在42.3～84.6kV之间。如果设备接线电感和电容器容量构成的谐振频率更高，则u2m值更大，由此可见这种合闸涌流对二次系统的强大干扰与破坏能力。

（8）操纵断路器合、分闸的脱扣器、各种电气联锁的电磁铁、接触器，电磁式继电器以及弹簧操动机构的储能电机时，在断电瞬间，由于释放线圈中的剩余磁能，它们都产生一定的瞬态电压，有时在同一回路中有两个或数个电磁式继电器或接触器同时动作，则能量有可能叠加产生高幅值干扰力很强的瞬态电压。近年来为实现开关站无人值班，柜内添加了电动机驱动开关手车和接地开关，使干扰因素又有所增加。图5-16（a）～（c）所示为开关柜内这类元件动作时常见波形的示例，它们共同的特点是幅值一般为几百伏，最高达1000余V，大都具有阻尼振荡波的特点，持续时间长达几十毫秒，间或叠加高频振荡，频率在几十千赫到100余kHz。