孙春艳1,2,李景禄1,何艳娇1,胡 涛1,吴观斌3
(11长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙410076;21阜阳供电公司,阜阳236017;
31淄博供电公司,淄博255000)
摘 要:雷击浪涌是低压电源线中发生最频繁的干扰源之一。为研究雷击浪涌对变电站微机保护和监控系统电源的干扰,首先通过分析电源线中雷击浪涌的入侵途径,提出了雷击浪涌危害的主要原因。然后基于过电压保护和电磁兼容两个方面的考虑,提出了低压电源线及低压电子设备的保护措施:一方面,根据低压电源系统防雷保护存在的问题,提出了完善低压电源系统的保护措施;另一方面,根据雷击浪涌的频谱中包含低频能量和高频能量的这一特征,提出了将瞬态抑制与滤波技术相结合的措施,即采用压敏电阻(MOV )消除低频能量,采用L 2C 低通滤波器滤除高频能量,从而有效地抑制雷击浪涌干扰。
关键词:变电站;雷击浪涌;过电压;电磁兼容;电源干扰;抗干扰措施中图分类号:TM867文献标志码:A 文章编号:100326520(2008)0420824204
Pow er Supply Interference and Suppression of Microprocessor 2based
Protection and Supervisory Control System in Substations
SUN Chun 2yan 1,2,L I Jing 2lu 1,H E Yan 2jiao 1,HU Tao 1,WU Guan 2bin 3
(1.School of Elect rical and Information Engineering ,Changsha U niversity of Science and Technology ,Changsha 410076,China ;2.Fuyang Power Supply Company ,Fuyang 236017,China ;3.Zibo Power Supply Company ,Zibo 255000,China )
Abstract :Lightning surge is one of interference sources that occur commonly in low 2voltage AC power lines.The in 2rush path of lightning surge interference in AC power line is analyzed ,accordingly ,the main reasons of the damage to low voltage power lines caused by lightning surge is pointed out.In order to meet the demands of over 2voltage protection and electromagnetic compatibility in low voltage system of the substation ,aiming at the low voltage pow 2er line and electronic devices ,the corresponding measures are taken to insure that the power system can operate in security and stability.On the one hand ,on the basis of existing problems in lightning protection of low voltage pow 2er system ,measures are proposed to perfect the system ;on the other hand ,based on surges f requency spectrum characteristics ,including low frequency and high frequency energy ,measures of surge suppressing and wave filte 2ring are taken.Because electronic component is quite sensitive to electromagnetic interference and lower energy is e 2nough to damage it ,high frequency energy of lightning surge can not be neglected.Because of the factors above ,the surge suppressor and wave filtering circuit are combined to suppress lightning surge interference ,namely voltage 2sensitive resistor (MOV )is adopted to eliminate low f requency energy of lightning surge and L 2C wave filtering cir 2cuit can remove its high f requency energy ,as a result ,lightning surge interference is effectively suppressed.At last ,with the A TP simulation software ,the protection effect of power interference suppressor on electronic devices is analyzed ,and the simulation result shows that it can restrain the over voltage existing in low voltage system and protect the electronic devices f rom lightning surge effectively.
K ey w ords :substation ;lightning surge ;over 2voltage ;electromagnetic compatibility ;power interference ;anti 2inter 2ference measure
0 引 言
随着微机监测、微机保护、通信等电子设备在电力系统中的广泛应用,电力系统综合自动化水平得到很大提高。这些电子设备普遍存在对电磁干扰敏感的弱点。在电力系统中电磁环境非常复杂,既存在大电流造成的磁场干扰,又存在一些非线性铁磁元件和整流设备产生的谐波干扰,特别是存在雷击产生的雷电过电压干扰、雷电过电流干扰、静电干
扰。这些干扰会对计算机监控设备的取样回路、控
制回路、电源和通信回路造成影响,如会使逻辑混乱、计算机死机、芯片损坏、保护“失灵”等,严重时甚至会危及发电机、变压器等一些主设备。江西、浙江、河南、福建和广东的变电所微机保护和综合自动化系统的模块就曾在雷电活动时被打坏,造成微机保护或综合自动化系统“失灵”的事故。经调查这些事故大多由雷电对微机保护和综合自动化系统的电源干扰造成。国内外电力科研人员对雷击电磁暂态
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428・第34卷第4期2008年 4月
高 电 压 技 术
High Voltage Engineering
Vol.34No.4
Apr. 2008
1 雷击浪涌入侵微机保护和监控系统的途径
雷击浪涌入侵微机保护和监控系统的方式有3种(见图1)。
1)沿线路侵入
当10kV线路遭受雷击时,雷电波会沿线路向变电站传播,若雷电过电压达到一定的幅值,安装在变电站出线上的避雷器动作,则施加在所用变压器高压侧绕组的电压U t(单位为kV)约为[8]
U t=U r+2al/v+L d i/d t。
式中,U r为避雷器动作后的残压;a为雷电波的陡度;l为避雷器与变压器之间沿连接线分开的距离即电气距离;v为雷电波的波速;L为避雷器接地引下线的电感;i为通过避雷器的雷电流。
U t将会通过所用变压器的电磁耦合感应到400 V低压侧,则感应到低压侧的雷电过电压
U d=U t/k。
式中,k为所用变压器的变压比。
此外,高压侧的电压还会通过变压器高低压绕组间的杂散电容耦合至低压侧。在电力系统中,绕组间电容传递过电压是常见的。如负载变压器低压侧开路,高压侧遭受雷击,出现雷电过电压U t时,它将通过绕组间相互部分电容C12与低压侧三相对地部分电容3C0所组成的电容传递回路传递至低压侧,使低压侧出现传递过电压U2,由图2可得:
U2=U t C12/(C12+3C0)。
由上式可知,若3C0很小,则会使U2的倍数(以低压侧电压为基准)很大。
因大多数变压器的低压侧都没有避雷器保护及其它防雷措施,故电磁耦合感应过电压及绕组间电容传递过电压必然波及到发电厂、变电所的整个低压电源系统。由于所用变压器低压侧的绝缘裕度较大,一般不会造成绝缘击穿;然而,低压电源系统产生雷电过电压或强电源浪涌时,传输到微机系统的过电压有时甚至达1kV,且因变电站低压电源没有过电压保护措施而得不到有效,就会在低压电源系统中的绝缘薄弱处造成击穿。微机系统的电子元件正是绝缘的薄弱环节,所以微机系统的电源模块往往首当其冲地遭到击穿、损坏。
2)感应过电压
当雷电在低压线路附近活动时,雷电形成的场将会在线路上产生很高的感应过电压,
并沿着线路
图1 雷击浪涌入侵方式示意图
Fig.1 Schem atic of lightning surge interference pathw
ay
图2 绕组间电容传递过电压等效电路
Fig.2 Equivalent circuit of transfer overvoltage caused by capacitance betw een transformer windings
传至接在低压电网上的微机保护、综合自动化系统、调度系统或通信系统的低压电源系统,此干扰电压远远大于低压电源系统的工作电源电压(在几V至几十V之间),从而导致低压电源系统损坏。此时,低压电源系统产生雷电过电压的概率与低压电网的大小,以及低压电网有无架空线路部分有关。过电压的幅值主要与低压电网雷电活动的强度有关。
3)地电位干扰
当雷电直击于变电站,雷电流经避雷针引入地网散流时,就会在地网的节点上产生很高的电位差。因地网与二次电缆屏蔽层直接或间接相连,故这个电位差会施加在电缆的屏蔽皮上并通过耦合作用使电缆芯线上产生电压和电流,若该干扰电压幅值超过微机保护装置电源电压可以承受的干扰最大值,就会使电源损坏。
2 微机保护及监控系统电源抗干扰措施
因雷电通过低压电源系统对计算机等弱电系统的危害较大,故低压电源系统的防雷保护也就特别重要。检查发现发生低压雷害事故的变电所在低压电源系统大都没有防雷保护措施,而低压电源系统又直接关系着微机保护和综合自动化系统的安全。为防止低压电源系统的雷害事故,在低压侧应釆取如下防雷保护措施:
1)在厂、所用变压器的低压侧装相应电压等级的氧化锌避雷器进行保护。对400V低压电网要根据所带负荷情况,在各主要用电设备或每一分支线
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2008年4月高 电 压 技 术第34卷第4期路加装低压氧化锌避雷器进行保护。
2)把向微机监控系统、调度自动化系统和通信系统供电的电源与其它办公和生活电源分开,单独采用专用的变压器供电,或采用隔离变压器进行隔离,并加装对地电容进行雷电波的旁路。
3)低压电源系统要采用电缆供电,最好采用屏蔽电缆,并将屏蔽层一端接地,防止在发电厂、变电所近区雷电活动时,在低压电源系统上产生感应雷过电压危及微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源安全。
3 电源干扰抑制器的设计
在微机保护和综合自动化装置的电源前边串接电源干扰抑制器进行保护。
雷电浪涌频谱研究表明,很多浪涌呈现低频特征,即主要能量集中在频率较低的频段,但也存在瞬态高频问题[9211]。目前,浪涌抑制器是能抑制浪涌的简单有效的手段[12215],但它难以抑制浪涌中的高频含量。广泛应用的电磁干扰滤波器是为抑制经由电子设备电源线传导的干扰,以及为满足各种EMC 标准而设计制造的,但它难以抑制浪涌瞬变信号中<100k Hz的干扰成分。结合两者的优点,把电磁干扰滤波器和浪涌抑制器结合在一起,组成具有滤波功能的电源干扰抑制器(见图3)。
1)电源干扰抑制器原理分析
根据彼德逊法则,可将图3等效为图4。图4中,2U0为等效电源;Z1为进线等效波阻抗;Z2为滤波器等效波阻抗;Z3为避雷器的动态电阻;Z4为线路波阻抗。
利用波过程理论[14216],可得图4节点a的电压
U a=
2Z2Z3
Z2Z3+Z1(Z2+Z3)
U0。
所以经滤波后电容电压
U b=U a(1-co s(2πt/τf))=
2Z2Z3
Z2Z3+Z1(Z2+Z3)U0(1-co s
2πt
τ
f
)。(1)
式中,τf=2πL C为滤波器的时间常数。
如图4所示,当雷电波通过不同的耦合方式侵入时会沿着电源线传播,雷电波传播到电感的瞬间,在电感前即a点发生正的全反射,使得电感前的电压提高1倍,而折射波传播到电容的瞬间,在电容前即b点发生负的全反射,使得电容前的电压下降为0,最后电容电压可由式(1)得出,由此可见,当tντf 时U b≈0,对于雷电浪涌来说,只要满足tντf,就很容易实现对干扰的抑制。
故本文提出的电源干扰抑制器能有效地抑制雷电浪涌干扰。
图3 电源干扰抑制器原理图
Fig.3 Schem atic of pow er interference
suppressor
图4 电源干扰抑制器的彼德逊等效电路
Fig.4 Peterson equivalent circuit of pow
er
interference suppressor
图5 电源干扰抑制器效果分析
Fig.5 Simulation analysis of pow er
interference suppressor
2)A TP Draw仿真分析
电源干扰抑制器元件参数的选择要根据其具体的工作环境而定。本文选取阻抗为500Ω的线路, U1mA=470V的压敏电阻,8/20μs、1kV的雷击浪涌,利用A TPDraw(Alternative Transient s Pro2 gram Draw)对电源干扰抑制器进行效果仿真分析。
图5为电源干扰抑制器的效果仿真图,其中t h 为压敏电阻输出波形的波长。保持τf不变,改变电感、电容值时,仿真效果与图5相同。由此可见τf 不变,改变电感、电容值时,电容电压不变。τf越大,电容电压越低。在实际应用中,因电感的体积较大,故一般选用较小的电感值和较大的电容值来增大τ
f。同时考虑到滤波器的泄漏电流及共模滤波电容容量的因素,电感电容的选择要根据滤波电路的环
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・Ap r.2008High Voltage Engineering Vol.34No.4
境确定。若滤波器的所有端口与外壳之间完全绝
缘,则泄漏电流主要取决于共模电容的泄漏电流,即主要取决于共模电容的容量。因滤波器泄漏电流的大小涉及人身安全,故国际上各国对此都有严格的标准规定。对于220V/50Hz 交流电网供电,一般要求泄漏电流<1mA 。4 结 语
雷电对微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源造成干扰和破坏的主要原因是低压电源系统的防雷措施不够完善。对此,本文提出了相应的完善措施:在厂、所用变压器的低压侧安装相应电压等级的氧化锌避雷器进行保护;采用隔离变压器进行隔离并加装对地电容进行雷电波的旁路;采用屏蔽电缆供电,并将屏蔽层一端接地;在微机监控系统、调度自动化系统和通信系统中的重要设备电源前串接电源干扰抑制器,从而保证电源质量,实现电气电子设备尤其是电子计算机设备的电磁兼容,确保微机监控系统、调度自动化系统和通信系统能安全稳定地运行。
参考
文
献
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孙春艳 1983—,女,从事电力系统电磁兼容和接地等研究。E 2
mail :s1397583025@126.com
李景禄 1955—,男,教授,从事接地技术、配电网技术等研究。
收稿日期 2007208218 编辑 李 东
《带电作业用绝缘绳索》等七项带电作业国家标准审查会在汉召开
2008年4月14日至15日,带电作业国家标准审查会在武汉召开,标委会委员、特邀专家及标准起草人
等28位代表参加了此次审查会。会议由全国带电作业标准化技术委员会副秘书长、国网武汉高压研究院输电所副所长王力农主持。
标委会主任委员、国网武汉高压研究院副院长胡毅致开幕辞,向参加会议的标委会委员、特邀专家表示热烈欢迎和衷心地感谢。中国电力企业联合会标准化中心刘永东在讲话中,对带电作业标准化技术委员会的工作给予了充分肯定。
本次会议审议并通过了《带电作业用绝缘绳索》、《带电作业用绝缘滑车》、《带电作业工具设备术语》、《带电作业用小水量冲洗工具》等七项国家标准送审稿。
国网武汉高压研究院输电所所长邬雄、副总工易辉等部分科研人员作为标准起草人参加了审查会。
(国网武汉高压研究院输电技术研究所 供稿)
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728・ 2008年4月高 电 压 技 术第34卷第4期下载本文
