变电所二次干扰原因和抗干扰措施

蒋晓泉 江苏省兴化市供电公司（225700）

[摘要]文章探讨了变电所现场中各种干扰对二次设备系统的影响和破坏，分析了干扰产生的原因和干扰的危害，从系统的软硬件设计上提出解决系统抗干扰有效措施，从而达到抑制干扰的目的。对微机保护安全稳定进行起到极其重要的作用。

[关键词]变电所 抗干扰 措施 屏蔽

随着科学技术的进步和电力体制改革的不断深化，变电自动化技术得到越来越快的发展，从电磁型保护到晶体管型保护再到微机型保护，以及变电综合自动化装置大多数实现了微机自动控制，它们以通信网络技术为基础，把各种继电保护装置及自动装置与RTU和调度端连接起来，使变电站实现高质量、高速度、高灵活性和低成本的生产管理。但由于变电站的特殊环境，如强电磁场等众多因素的影响，使变电站的二次设备受到各种各样的干扰，为提高其运行的安全和工作的可靠性，在变电所设计时应考虑周全，根据不同的干扰源，采取相应的抗干扰措施，总结抗干扰的经验，逐渐达到变电所电磁兼容的要求。

一、干扰的主要来源

所谓干扰，就是指除有用信号外还有可能对监视和操作装置的正常工作造成不利影响的无用且不规则变化的信号。

变电所主要的干扰源有以下几种：

1、交变磁场干扰

在变电所里变压器、有大电流通过的电体缆(电线)、电抗器和电容等的周围都有极强的交变磁场。在交变磁场里的二次设备，包括导线、网络通迅回路都会受到它感应，这些感应形成干扰电压。干扰电压的大小由一次设备与二次回路的相互空间位置来决定。这些干扰电压会导致二次设备CPU运行出错，内存数据改变、当地监控的显示器图像变形扭曲和闪烁，网络通信中数据改变或通迅中断，造成设备异常运行，对控制系统的破坏性最强。交变磁场干扰是变电站内最普遍的干扰。

2、电容耦合干扰

由于一次设备载流体对二次回路间存在有电容，如电压互感器和电流互感器高低压线圈之间的电容，电容式电压互感器的中间变压器两线圈之间的电容以及高压母线与二次回路之间的寄生电容等，因此一次设备对二次电缆产生电容干扰。另外，在变电所内的大量导线，包括二次电缆、装置内部的布线等。导线之间的相互耦合，一般可分为：同一电路板内电路间的耦合，板间I/O信号线间的耦合，电源线与系统的耦合。从性质上看，这样耦合是电场耦合或磁场耦合。是干扰二次设备工作的原因之一。

3、地电位差干扰

在电力系统中，输电导线对大地的容性电流或者如果某一设备对地绝缘不良，都会生产不稳定的漏电流，利用大地作为电气接地线，也会产生较大的地电流。地电流在大地中流动会产生电压差，在变电所内地面形成的电位差，使站内两端接地电缆芯和屏蔽层产生电流形成干扰。如果二次设备接地地点选择不当，漏电流会使各点之间存在电压差，使二次设备常常产生不确定的故障。

4、自然干扰

自然干扰是指大自然现象所引起的干扰以及来自宇宙的电磁波辐射干扰，如雷电、大气低层电场的变化，电离层变化、太阳黑子的电磁波辐射等，是不可消除的干扰。其中雷电干扰最为严重。雷电不仅会造成二次电源模块的损坏，还会烧毁通讯口和输入模块。

5、电源系统引入的干扰

许多二次设备采用高效率，小尺寸的开关直流稳压电源，这种电源如果滤波电容上积累的能量使端电压的某一值不能保证设计要求的电压时，会被装置判断为断电或故障，引起装置闭锁，而误动或拒动。变电所的二次设备受到的干扰不仅仅是以上几种，干扰源也是各种各样的，而且不断变化，如各种通讯器材、产生高频信号的仪器等。但以上这些是最常见的干扰，按照同样的方法可以分析其他的干扰源，采取相应的软硬件措施，可以消除或削弱。

二、干扰的危害

微机保护和监控装置既有数字部件，又有模拟部件，而干扰对数字部件和模拟部件所造成的后果是不同的。模拟电路在干扰作用下往往使开关电路误翻转，在没有完善闭锁措施时将会导致动作；数字电路受干扰作用往往造成数据或地址传送错误，从而导致装置运行故障或功能故障。由此可见，干扰轻则造成数据传送错误，重则造成保护拒动或误动，都会严重影响电力系统供电的可靠性。

三、干扰的防范措施

⒈软件抗干扰措施

软件抗干扰是指在软件设计中采取针对性措施，防止窜入微机保护和控制装置内部的干扰信号。

二次设备的软件抗干扰就是把采集到二次设备的干扰信号用各种数字进行滤波消除或削弱。数字滤波是通过程序实现的，所以在设备选型时就应该考虑，它无需增加硬件设备，只需修改一下软件，增加一些对输入信号处理的程序即可。其功能在一定程度上可以代替模拟滤波器，甚至可以完成其不能完成的功能。而且使用方便灵活。滤波程序有几种，不同的滤波方法可以达到改变滤波参数的目的，但对设备的判断和处理速度会生产不同的影响，现对以下几种常用的软件滤波技术作简单介绍：

1)算术平均值滤波

算术平均值滤波就是将本次实际采样值和前几个周期的采集值进行算术平均得到的值作为要次采样值。其特点是：对采样信号进行算术平均，得到平滑的数据。可以抵制周期性的干扰信号，所取的采样值越多，数据的平滑程度越高。但这种算法对那些灵敏度很高的设备是不适合的，它使灵敏度降低，而且所取的采样值越多，灵敏度越低。

2)加权平均值滤波算法。

为提高灵敏度，可以采用加权平均值滤波算法，也就是将最近的采样值XN的比重在算术中加大，来提高设备对干扰的灵敏度。

算术平均值公式：YN＝(X1＋X2＋X3＋……＋XN)/N

加权平均值公式：YN＝(A1X1＋A2X2＋A3X3＋……＋ANXN)

其中0＜A1＜A2……＜AN

A1＋A2＋……＋AN＝1

3)一阶低通滤波算法

在模拟数字技术中可以用一阶低通滤波RC电路来削弱干扰信号，但是RC滤波器的时检常数受到电容器大小的影响，而使用一阶数字低通滤波就可不受硬件的影响，真效果是一样的。算法的公式表示为：

Y(n)=ETs/TY(N-1)+(1-ETs/T)X(n)其中Ts是采样周期，T是一阶滤波器的时间常数，Y(n-1)是滤波器的上次输出，Y/(n)是滤波器本次输出，X(n)是滤波器本次输入。

4)中值滤波算法

中值滤波算法就是把3个采样数据，按数值从小到大排列，取中间一个作为本次采样数据。这种算法能够有效地消除由于偶然因素引起的波动或由于采样元件不稳定造成的误码等脉冲干扰。对于缓慢变化的过程比较有效。

5)复合滤波算法

复合滤波算法就是把中值滤波和算术平均值滤波两种方法结合而成。即把采样数据按数值从小到大排列，去掉最大值和最小值将余下的采样数据求平均值，这种方法集中两种算法的优点，提高了滤波的效果。

6)程序判断滤波算法

程序判断滤波算法就是将最近的几个数据比较，求出差值，再与设定的允许值比较，判断是否为干扰信号。可分为限幅滤波算法和限速滤波算法两种。

⒉ 硬件抗干扰措施

硬件抗干扰是指提高灵敏器件的抗干扰性能。

1）在硬件上将干扰源尽可能屏蔽掉

二次设备的外壳应屏蔽接地，装置的活动部分也要可靠连接，比如柜门、机箱盖板等应与接地点可靠导通，保证有良好的电气连接。对变电站的墙壁，有需要时可安装金属网，地板町装防静电地板。

2）装置的接地点应正确、可靠

这关系到系统的运行稳定和可靠性。在实践中由于接地不良或方法错误造成设备异常运行甚至损坏的事例很多，因此接地必须慎重处理。变电站一般需要设四套独立的接地系统：

⑴电气接地系统，用于UPS和隔离变压器屏蔽层接地，以防止电网杂波窜入系统；

⑵变电站室内屏蔽和防静电接地系统，用于站内屏蔽接地、防静电系统接地和设备机箱外壳接地；

⑶变电站防雷接地系统，用于防止雷击等危害；

⑷控制系统专用地系统，为二次设备专用的措施，不允许与其它任何设备相连，以免造成干扰。

上述四套接地系统绝对不允相互混用，在接地位置上要保证有一定安全距离。

3)对电源系统采取的抗干扰措施

为了保证二次设备的可靠运行，对设备的电源系统可采取以下抗干扰方法：

⑴要保证供电电压波形稳定，可使用UPS来稳定工作电源，并尽可使用变电站的直流电源；

⑵应采用隔离变压器，隔离共模干扰，防止电网噪声干扰窜入控制系统，或强雷电压对装置的损坏；

⑶使输出回路尽可能短，以降低感应噪声，使用的电缆芯不能过小，减小压降，或提高其工作电源。

4)二次回路的抗干扰措施

⑴正确安装电缆的屏蔽层，采用带屏蔽层的控制电缆，可将屏蔽层一端接地或将屏蔽层在开关场和控制室内两端同时接地。通讯电缆的屏蔽层也应可靠正确相连接地；

⑵弱信号导线不得与强电导线共用一根电缆，尽可能将它们分开排放；

⑶交直流回路禁止共用同一根电缆，防止造成相互干扰，或电缆芯绝缘下降造成短路，使交流电压传入直流回路，烧坏设备的电源模块或输入部件等；

⑷规范控制电缆的敷设，变电站设计时应考虑好电缆沟的走向，避免与电力电缆距离过近，尽可能远离变压器中性点及避雷针、避雷器等地点，并尽量不要平行于高压线，总之，尽可能远离干扰源；

⑸为二次设备和二次电缆敷设专用接地铜排构造等电位面，消除地电位差干扰；

⑹电流互感器、电压互感器的二次回路应保证一点接地。电流互感器、电压互感器二次回路多点接地可能会引起保护拒动或误动，这在电网事故中常有发生；

⑺电压互感器二次回路和三次回路应相互独立。对于电压互感器，过去传统的接线是TV二次回路和三次回路的中性线公用一根电缆芯接到N600小母线上，对于常规保护而言也未发现不足之处，且一直在系统内应用。随着微机保护的广泛使用，其应用自产3Uo来实现接地方向保护的特点使TV公用中性线可能造成零序方向保护误动的危害也暴露出来。由于二次和三次回路中性线共用一根电缆，使得微机保护自产3Uo受到了三次回路3Uo的影响，其影响主要由三次回路的负载电阻及共用电缆芯的电阻所决定。公用中性线，则可能使微机保护自产3Uo和三次回路的3Uo反向，从而造成接地零序方向保护正方向拒动，反方向误动的后果。

⑻可在信号输入端加装无源滤波器，削弱窜入的干扰信号。无源滤波器可分为“г”型和双“т型”。其中“г”型滤波范围较宽，“т”型滤波器的特性近似于工频谐振特性。它们对工频干扰都有较强抑制作用。

⑼变电站的所有开关量的输入和输出触点(跳闸出口和监视信号)和数字量输出(如串口)都应采用光电隔离。

⒊ 其他抗干扰措施

⑴输入采样值纠错

⑵软件运行过程的核对，比较多次核对的结果，相同才判断为正确

⑶程序出轨自恢复、增加看门狗WATCH DOG技术

⑷采用密码保护方式

⑸采用系统容错设计技术，如动态冗余法，混合冗余法

⑹提高装置故障自动检测功能，及时发现、处理异常情况

四、结束语

以上分析了干扰的来源和防范措施，以外还应注意，保护屏各行下应敷敷设不小于100mm2的铜排作出屏蔽电缆的接地连接点，用不小于50mm2软铜线将保护屏内接地铜排与100mm2的接地铜排用螺栓或铜焊连接，接地铜排的首末端必须用铜焊连接好，形成闭环回路，还应与控制室地网相连接。同时，专用接地铜排应敷设到户外端口处，与端子箱接地铜排可靠连接。

参考文献：

1、《电力系统继电保护规定汇编》 国家电力高度通信中心，中国电力出版社

2、《无人值班变电站监控技术》 中国电力制版社

3、《变电所继电保护及自动措施》 中国电力制版社

4、《接地技术与接地装置》 中国电力出版社

5、《电磁兼容原理、规范和测试》 北京国防工业出版社

(2004-8-27发布)