國網(wǎng)湖北超高壓公司荊門運維分部 楊 雯 劉 琪 陳 晨 王沐東 華北電力大學 熊辰熙

1 500kV 變電站斷路器電氣控制回路的干擾源及危害

電氣控制回路的抗干擾通常指的是抗電磁干擾和解決EMC（電磁兼容）問題。產(chǎn)生電磁干擾的原因較為復(fù)雜，不同噪聲的頻譜存在較大差異，且周期性、隨機性互相交織，危害較大。

1.1 干擾源

隨著信息技術(shù)的革新，電子技術(shù)隨之發(fā)展，斷路器電氣控制回路多采用集成電路、半導(dǎo)體，這便意味著電磁開關(guān)和半導(dǎo)體之間極易產(chǎn)生脈沖噪聲，電源和外界環(huán)境也可能對控制回路產(chǎn)生干擾。根據(jù)干擾源可將斷路器電氣控制回路受到的干擾分為六種：一是動力線侵入對斷路器電氣控制回路產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾；二是因信號線或數(shù)據(jù)線侵入對斷路器電氣控制回路產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾；三是直接混入斷路器電氣控制回路產(chǎn)生的輻射干擾；四是斷路器電氣控制回路自身工作中產(chǎn)生的電磁干擾；五是電氣控制電路電源對回路產(chǎn)生的電磁干擾；六是電網(wǎng)噪聲，上述干擾源中電網(wǎng)噪聲對斷路器電氣控制回路的影響較大。導(dǎo)致500kV 變電站斷路器故障中，影響最大的是1μs 以下的電網(wǎng)脈沖電壓噪聲以及持續(xù)時間在10ms 以上的持續(xù)電壓噪聲。此類電壓噪聲的主要表現(xiàn)形式有疊加高頻、瞬時升高或降低、持續(xù)欠壓或降低。具體而言，脈沖噪聲是電網(wǎng)中500kV 變電站進行負載切換時的瞬變過程產(chǎn)生的脈沖型噪聲，波形表現(xiàn)為脈沖束、單個脈沖[1]。

1.2 危害

電磁干擾對斷路器電氣控制回路造成的負面影響可分三方面進行說明。

一是對電氣控制回路的輸入模塊產(chǎn)生負面影響。電磁干擾通過線路串入電氣控制回路的電壓采集模塊，使電氣控制回路進行數(shù)據(jù)采集時出現(xiàn)錯誤，而此模塊是斷路器執(zhí)行相關(guān)動作的依據(jù)。在電磁干擾影響下，模數(shù)轉(zhuǎn)換時，因模擬信號失真，數(shù)字信號也會出現(xiàn)錯誤，使得斷路器出現(xiàn)誤動作，影響供電穩(wěn)定性。

二是對電氣控制回路的驅(qū)動信號模塊產(chǎn)生影響。電磁干擾串入電氣控制回路，將使得控制信號的電平值出現(xiàn)混亂，斷路器驅(qū)動輸出錯誤，影響到對斷路器的準確控制。

三是對電氣控制回路的處理模塊產(chǎn)生負面影響。處理模塊是對輸入數(shù)據(jù)進行處理的關(guān)鍵，基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果，進行保護判斷，控制斷路器動作。其在電磁干擾影響下，地址、數(shù)據(jù)總線信號會產(chǎn)生錯亂，使處理模塊運算出現(xiàn)誤差，最終導(dǎo)致斷路器動作錯誤[2]。

2 500kV 變電站斷路器電氣控制回路抗干擾措施

2.1 硬件抗干擾措施

電磁干擾的抗干擾措施應(yīng)先尋找干擾源，明確可能受到電磁干擾的相關(guān)電路，再確定抗干擾措施?；谏鲜鏊悸?，結(jié)合干擾來源，下文便對屏蔽、濾波、隔離接地技術(shù)等硬件范疇內(nèi)提升電氣控制回路抗干擾性能的措施進行分析。

第一，屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)是將噪聲源和電氣控制回路進行屏蔽，阻斷噪聲對電路的影響，通常采用金屬導(dǎo)體屏蔽環(huán)境中的輻射干擾。輻射電磁場中，空氣中存在的磁場會和電氣控制回路中的感應(yīng)電勢形成回路，產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響到電氣控制回路的工作。此外，利用金屬導(dǎo)體進行屏蔽不僅能夠提高電氣控制的抗干擾能力，還能減少電氣控制回路的外部輻射噪聲。實際應(yīng)用中，技術(shù)人員可對電氣控制回路的印制電路板增設(shè)金屬屏蔽盒，且對于重要信號應(yīng)使用屏蔽線，減少線路長度。為明確不同厚度（以φ 進行表示，單位為mm。）金屬導(dǎo)體的屏蔽效果，采用泄漏磁場進行表示，則有如下公式：

公式（1）中的Hφ代表金屬板前后的側(cè)磁場強度，H0代表金屬板側(cè)面的磁場強度，f 代表頻率，μ 代表金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，ρ 為金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω/cm）。按照公式（1），此金屬導(dǎo)體下的磁場衰減量計算方法如下：

公式（2）中的A 代表磁場衰減量，其他同公式（1）相同。通常屏蔽板的金屬導(dǎo)體材料為鐵板、鋁板，以鐵板為例，電阻率取值為0.00005Ω/cm，根據(jù)公式（2）計算可得鐵板的磁場衰減量，即磁場吸收損耗如下：

根據(jù)磁場吸收損耗公式可知，當使用厚度為1mm 的鐵板，電氣控制回路的頻率在1MHz 時，磁場衰減量能夠達到55db。技術(shù)人員可根據(jù)上述規(guī)律，結(jié)合500kV 變電站斷路器電氣控制回路的實際情況，調(diào)整電氣控制回路外金屬導(dǎo)體的厚度。

第二，濾波技術(shù)。對于電氣控制回路的中的傳導(dǎo)類干擾，可采用濾波技術(shù)進行抑制。500kV 變電站運行過程中，會對斷路器電氣控制回路造成較大影響，若因特殊原因使斷路器電氣控制回路承受的干擾信號較大，將影響對斷路器的控制，無法對變電站低壓線路進行保護。變電站實際運行中，變頻器等諸多電氣設(shè)備會產(chǎn)生較多的雜波分量，此類雜波分量若不進行濾除將直接影響電氣控制回路檢測線路電流的準確性。對此，可在電氣控制回路的后級加入反饋反相二階低通濾波器，具體原理如圖1所示。根據(jù)圖1內(nèi)容，將C2電容的電壓定義為Vc2，輸出電壓公式如下：

圖1 反饋反相二階低通濾波器

公式（4）中的Vout 為電容C2的輸出電壓，其余符號均為圖1中參數(shù)。根據(jù)公式（4），可得電容C2處電流的公式如下：

令公式中的R1=R2=R3，將R 取值為5.1kΩ，C 取值為0.1μF，利用Pspice 軟件進行仿真可知，此濾波裝置的截止頻率可達到100Hz，安裝在斷路器電氣控制回路中，具有濾去雜波的效果。

此外，在電氣控制回路的輸出端，可增設(shè)無源濾波電路，如圖2所示，圖中的C1電容、C2電容、C3電容、C4電容、T1共同構(gòu)成濾波電路。其中連接在電氣控制回路輸出端的C3電容、C4電容能夠?qū)材Ｔ肼暺鸬揭欢ㄒ种谱饔?，而且C1電容和C2電容的抗干擾效果強于單獨使用一個大電容，還能縮短電路輸出端的引線，避免電氣控制回路中的輸入端和輸出端產(chǎn)生磁耦合。

圖2 輸出端濾波電路

第三，隔離接地。在斷路器電氣控制電路內(nèi)的所有控制元件均增設(shè)一組電容值為0.1μF 的獨石電容、10μF 的電解電容，且布線過程中將該組去耦電容靠近控制元件的接地腳，能夠?qū)⒖刂圃涂赡墚a(chǎn)生環(huán)流的導(dǎo)體進行隔離。同時，還可使用虛浮地的方式，避免電流的公共部分產(chǎn)生電磁干擾，實際可借助光電耦合器實現(xiàn)虛浮地。

為提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的準確性，斷路器控制電路布設(shè)過程中，應(yīng)對電路中的開關(guān)量、數(shù)字量進行隔離?？墒褂镁€性隔離方法，數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸入端利用光耦隔離電氣控制電路中的單片機。

同時，為降低電氣控制電路中噪聲對電量檢測產(chǎn)生的影響，提高電量檢測結(jié)果的精確性，應(yīng)考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的電磁兼容問題。技術(shù)人員可隔離被測電路和測試電路，在兩者之間設(shè)置光電耦合器，將經(jīng)過濾波后的模擬信號通過光耦合后才可進入數(shù)字電路，具體可采用型號為HCRN200的光耦合器進行隔離。傳統(tǒng)普通光耦合器的電流傳輸過程具有較強的非線性特點，雖然能夠保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的正常傳輸，但傳輸精度較低，HCRN200光耦合器具有高線性度模擬特點，線性度高、靈敏度強，適用于500kV 變電站對于模擬信號的精度需求。此型號光電耦合器具有以下優(yōu)點：一是具有±15%的傳輸增益調(diào)整范圍，而且還能將線性誤差控制在0.05%以內(nèi)，線性度高，誤差較??；二是帶寬較寬，可適應(yīng)電氣控制線路內(nèi)不同頻帶信號的轉(zhuǎn)換；三是絕緣電阻在1018Ω 以上，將其布設(shè)在輸入、輸出回路中可起到較強的隔離效果；四是可承受1400V 的絕緣工作電壓，耐壓能力高達4000V/min，滿足500kV 變電站的實際需求；五是輸出范圍在0～15V，滿足電流、電壓等信號的轉(zhuǎn)換要求[3]。

2.2 軟件抗干擾措施

對于斷路器電氣控制回路中無法使用硬件進行抵抗的干擾，可從軟件角度入手，消除干擾對電氣控制回路產(chǎn)生的影響。軟件抗干擾措施通常針對侵入類干擾，雖然此類干擾無法對硬件造成直接損壞，但會造成電氣控制回路程序異常，使得斷路器出現(xiàn)誤動作，工作人員控制失靈等，進而產(chǎn)生故障。為防止受電磁干擾影響，可在對短路電氣控制回路編寫程序時有針對性增加抗干擾措施。

一是增加輸入信號檢測程序。因傳導(dǎo)干擾可能會混入其他狀態(tài)輸入信號，電氣控制回路發(fā)出錯誤指令，導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)誤動作。因此，應(yīng)對可能產(chǎn)生斷路器誤動作的開關(guān)量輸入信號和重要信號進行多次檢測。技術(shù)人員可對電氣控制回路中單片機的輸入端和輸出端進行重復(fù)檢測，多次檢測結(jié)果一致，可認為此輸入信號為真，可執(zhí)行；若檢測結(jié)果不一致，可判定電氣控制回路中單片機受到了侵入類干擾的影響，可停止相關(guān)故障信息[4]。

二是增加空指令。技術(shù)人員可在程序存儲器的不同段之間增加NOP 指令，若處理模塊受到電磁干擾，程序寄存器的PC 值在NOP 指令的影響下會指向異常情況下的第一字節(jié)，當相關(guān)程序運行完成后，經(jīng)過若干NOP 指令，便可將PC 值重新回到正軌，以此降低電磁干擾對電氣控制回路處理模塊產(chǎn)生的影響。

三是利用Watchdog 技術(shù)?？撮T狗技術(shù)的作用是防止控制單元死機。技術(shù)人員可設(shè)置復(fù)位信號的發(fā)送時間，若超過時間閾值，即超過規(guī)定時間沒“喂狗”（通常在程序跑飛時出現(xiàn)），程序便會向控制單元發(fā)送復(fù)位信號，使其復(fù)位，就能有效防止電磁的干擾，減少斷路器控制單元工作時出現(xiàn)的死循環(huán)和程序跑飛情況，有效提高電氣控制回路的可靠性。

2.3 整體布局措施

根據(jù)IEC 的電磁兼容定義，斷路器電氣控制回路應(yīng)在自身所處的電磁環(huán)境中正常作用，并在不損害信息傳輸?shù)臈l件下和其他有用信號進行共存。對此，技術(shù)人員在進行電氣控制回路制板時應(yīng)在明確印制電路板規(guī)格的基礎(chǔ)上，考慮元器件的具體布置方式，將印制板內(nèi)不同元器件產(chǎn)生的電磁干擾降低。若為了使不同元器件形成隔離，盲目增加元器件之間的距離，會使連接線過長，增大阻抗，降低電氣控制回路的抗干擾能力。若元器件過于集中，則會影響到控制回路工作中的散熱效果，且不同線路還會受到串擾。

所以，布置電路時應(yīng)按照控制回路內(nèi)不同的功能單元進行布局，還應(yīng)考慮熱分布、輸入輸出端接口、復(fù)位電路等問題。應(yīng)遵循下述原則進行整體布局：一是以電路信號流程為準，安排不同功能電路的位置，將信號傳輸方向盡可能保持一致；二是以控制回路中不同核心元件作為中心，以不同分類模塊為準進行布局；三是以三倍印制板電流為準加粗地線，減少電源和地線阻抗兩者產(chǎn)生的電磁振蕩。