电压互感器的原理Word文档下载推荐.docx

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因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。

故障中最常见、危害最大的是各种形式的短路。

发生短路时可能造成的危害是：

故障点的很大的短路电流燃起的电弧，使故障设备损坏。

从电流到短路点间流过的短路电流，它们引起的发热和电动力将造成在该路径中有关的非故障元件的损坏。

靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。

破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。

继电保护的作用是：

（1）在过载时，继电保护装置应发出警报信号。

（2）在短路故障时，继电保护装置应立即动作，要求准确、迅速地自动将有关的断路器跳闸，将故障部分从系统中断开，确保其他回路的正常运行。

（3）为了保证电源不中断，继电保护装置应将备用电源投入或经自动装置进行重合闸。

（二）继电保护的基本要求

①.选择性

基本含义是保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量减小，以保证系统中非故障部分继续安全运行。

②.速动性

速动性是指继电保护装置应以尽可能快的速度断开故障元件。

这样就能减轻故障设备的损坏程度，减小用户在低电压情况下工作的时间，提高电力系统运行的稳定性。

③.灵敏性

保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反应能力称为灵敏性（灵敏度）。

灵敏性常用灵敏系数来衡量。

它是在保护装置的测量元件确定了动作值后，按最不利的运行方式、故障类型、保护范围内的指定点校验，并满足有关规定的标准。

④.可靠性

可靠性是指在保护装置规定的保护范围内发生它应该反应的故障时，保护装置应可靠地动作（即不拒动）。

而在不属于该保护动作的其他任何情况下，则不应该动作（即不误动）。

一、保护装置的原理

利用发生故障时，电力系统的一些基本参数（电流、电压、相角）与正常运行时的差别来实现保护。

二、构成

1、测量单元：

测量被保护元件运行参数的变化，并与保护的整定值进行比较

2、逻辑单元：

对测量单元送来的信号进行综合判断，决定保护装置是否需要动

作。

3、执行单元：

根据逻辑单元的决定，发出信号或跳闸命令

　故障参数量→测量→逻辑→执行→跳闸或信号脉冲

↑

整定值

三、各种保护装置简介

1、过电流保护：

Id↑

2、低电压保护：

U↓

3、功率方向电流保护：

功率方向

电流大小

4、距离保护：

X=U/I

正常→X大（U=Ue，I=If）

故障→X小（U↓，Id↑）

5、差动保护：

电流相位

6、高频保护：

利用高频信号监测各电气量情况

变电站本身是一个产生高强度电磁干扰的环境。

在这样的环境下工作的继电保护装置必然受其干扰。

随着科学技术的发展及大规模集成电路的应用，微机型保护装置将取代以往的电磁保护装置和其它老型号保护装置。

可是微机保护的微电子元器件所能承受的外界电磁干扰的水平极低，当外界干扰超过它们所承受的能力时，保护装置将不能正常工作，如误动、拒动或数据传送出错等，甚至保护装置被损坏。

这使变电站以至整个系统的安全运行受到严重威胁。

故此，处理好抗干扰问题是系统安全运行的关键环节。

1外界干扰的来源及其造成的影响

1.l雷击干扰

　　雷击是变电站二次设备及其相应回路受干扰的主要来源。

几十年来人们对雷电进行了长期的观察和测量，积累了不少经验，据有关资料表明，在雷电主放电过程中，沿雷电通道会流过幅值很大的（最大可达几百千安）、延续时间为近百微秒的冲击电流。

当雷击发生在变电站或输电线路上时，雷电冲击波将经变电站内母线传导，最终经避雷器流入大地。

在这个过程中由于电磁耦合作用，将在二次回路导线与地之间感应产生干扰电压。

　　在雷电冲击波上升过程中受干扰的二次回路可以感应1000V的干扰电压，这将对继电保护装置造成严重的威胁，这个干扰电压足以使微机保护装置的元器件被击穿损坏。

　　另外，雷电流在变电站内注入大地必然经过一次设备的接地线而注入变电站的地网。

由于变电站地网的接地阻抗，使雷击时变电站内的暂态地电位和地网不同点的电位差产生电流。

干扰被屏蔽回路而降低保护装置的运行可靠性。

1.2隔离开关操作过程产生的干扰

　　隔离开关在带电操作（合上或断开）空母线或空线路过程中，对变电站内的二次回路及二次设备也是一种较大的干扰。

隔离开关在带电操作的过程中，由于其动作速度慢及空气去游离能力差，使电弧多次熄灭和重燃，造成系统操作过电压和高频谐振电流流过母线，在母线周围产生强烈的高频电磁场，辐射到二次回路或通过电磁耦合传到二次电缆中，造成对二次回路和二次设备的干扰，使保护装置正常工作受到影响。

　　母线上的高频电流最终经过接地电容（如容式电压互感器等）注入地网，引起地网的地电位和地网不同点的电位差。

在二次电缆的屏蔽层中感应出高频电流，从而干扰被屏蔽的二次回路。

使干扰信号由二次电缆进入保护装置，使之受到不同程度的干扰，同样使装置不能正常工作。

1.3接地故障产生的工频干扰

　　在变压器中性点直接接地的变电站中，当系统发生接地故障时，接地故障产生的故障电流将经过变压器的中性点，流入地网并经大地和架空地线流回到故障点。

由于地网的阻抗，当故障电流流过时，地网的电位将高于大地电位，并且在地网的不同点出现电位差。

将在电缆屏蔽层感应出工频电流，从而干扰被屏蔽回路。

地网的地电位高于大地电位，这将使高频保护的通信受干扰，甚至烧坏高频电缆的屏蔽层，高频保护受到威胁。

1.4断开直流电感线圈过程产生的高频干扰

　　当直流控制回路中的电感线圈被断开时，会产生高频过电压使断开点多次燃弧。

电感线圈被断开的等效电路图1中，设L为控制回路中的电感线圈，R为电感线圈的电阻，C为该回路的杂散电容。

图1直流控制回路中电感线圈被断开

　　当回路通过的电流i，K点被突然断开，线圈中的电磁能不能被突然释放，则通过与杂散电容C串联成高频谐振电路，产生高频电流。

击穿触点K的间隙，使触点发生闪络，电弧多次反复，直到K点被完全拉开为止。

在触点K发生闪络时，同一电源上的直流回路将受到直接的干扰，同时通过电磁耦合对相邻其它回路也造成严重的干扰，也能致使保护装置发生异常。

1.5静电放电的干扰

　　工作人员在日常工作中，人体和衣物、地毯磨擦或通过静电感应可以产生高电压。

当工作人员带有高电压静电后触及保护装置时，装置可能遭受上千伏的放电电压，保护装置的元器件可能被损坏或使逻辑打乱。

当工作人员身上的静电在保护装置附近放电时，装置将受到放电的电磁辐射，这同样也会使装置中的逻辑打乱。

也就是说静电放电也是保护装置的一种干扰源。

2抗干扰的常用方法

2.l提高保护装置自身的抗干扰能力

　　在相同干扰水平的环境中，具有高抗干扰能力的保护装置其运行更稳定、更可靠；

也就是说保护装置具有高的抗干扰能力是装置稳定、可靠运行的保障。

通过向提供保护装置的生产厂家提出针对性技术改造的要求，使现有保护装置符合抗电磁干扰能力，或在变电站投产时选用高抗干扰能力的保护装置。

使变电站以至整个系统能更安全运行。

2.2降低外界干扰幅度

　　2.2.1降低来自一次设备的干扰

　　针对前面提到的因地电位升高和地网不同点出现电位差而产生的干扰，可以通过采用合理的措施，如选用密集网格，并在地中打入辅助接地棒改善地网结构，通过增加设备的接地连线和改善设备接地的可靠性，从而降低地网和设备的接地阻抗。

地网阻抗低，当雷电流注入地网或高频电流注入地网时，所造成地电位升的程度及地网不同点电位差也就会相应降低。

同样，对二次保护装置造成干扰的程度也就相应减少。

从根源上抑制来自外界的干扰源。

　　2.2.2改善直流控制回路

　　对于因直流控制回路中电感受线圈被突然断开而产生干扰这种情况，其解决方法是加装续流回路，使电感线圈在断流时其电磁场能量释放并快速衰减。

具体做法是在电感线圈上并联适当数值的串联电阻电容回路，或在电感线圈上并联电阻串二极管。

使在正常运行时续流回路无电流流过，而在断开时流过电感线圈储能的释放电流。

从而解决电感线圈被突然断开时产生谐振干扰的问题。

2.3阻隔干扰的传播

　　来自外界的干扰如雷电干扰和一次回路的干扰是不可避免的，只能采取措施相对降低其干扰的程度。

为了使二次保护装置不受这些强烈的干扰，最好的办法是阻隔干扰传播，使保护装置能有一个无干扰或低干扰水平的运行环境。

干扰信号通常以辐射、电容耦合、电感耦合等方式传播。

通过合理的设计施工可以阻止干扰信号的传播，以使保护装置不受干扰。

　　2.3.1提高屏蔽效果

　　接地屏蔽能有效地阻隔电磁波向被屏蔽范围传播，使被屏蔽范围内的回路不受外界电磁波干扰。

但由于各种因素，如屏蔽层所采用的材料和屏蔽层的接地方式等，使现场的屏蔽效果不能达到理想的状况。

为了使变电站二次回路有较高的屏蔽效果，则二次回路的电缆应选用屏蔽层完好无损，并且其制作工艺符合要求的屏蔽电缆。

通过改善电缆屏蔽层的接地也是提高屏蔽效果的一个方面。

在220kV及以上的变电站中，由开关场引至微机保护屏的屏蔽电缆，其屏蔽层所采用在电缆两端同时接地的方式，就是提高屏蔽效果的一个例子。

原因是屏蔽层中通过屏蔽电流时可以抵消产生这一屏蔽电流的磁通变化，而达到对电缆芯线有较高的屏蔽效果，从而起到降低外界电磁波的干扰。

　　2.3.2二次回路的布线合理化

　　在现场施工中，可能由于某种原因（例如为了节省电缆）使在同一个二次回路的布线中采用了不同电缆的芯线，由于这两根芯线距离很大，使包围的磁通量很大，从而二次回路所受到干扰电压也很大。

应在施工中杜绝这一情况的发生，以降低干扰的程度。

　　2.3.3二次电流、电压回应路有一点接地

　　二次电流、电压回路应有一接地点，是为了保证人身和设备的安全。

因为如果电流、电压互感器的二次回路没有接地，则互感器一次侧的高电压将通过一、二次线圈间的分布电容和对地电容形成分压，将高压电引入二次回路，其数值取决于二次回路的对地电容的大小。

若二次回路有一接地点，便会使二次回路的分压为零，达到了二次回路不受一次高压的干扰的目的。

　　2.3.4保护装置的引入线在端子处经电容滤波

　　由于多种原因，有一部分高频干扰信号直接进入到二次回路，干扰保护装置，使其不能正常工作。

为了解决这一问题，采用进入继电保护装置的引入线在保护屏端经电容接地，将高频干扰成分过滤使装置运行不受影响。

　　外界干扰的来源多种多样，传播的方式也复杂多变。

随着电力系统的迅速发展，自动化在电力系统中的应用越来越多，变电站无人值班运行将是系统发展的趋势。

处理好抗干扰问题将是系统安全运行的一个关键环节。

在设计、施工和运行中加以充分的重视，则完全可以使保护装置有一个低干扰的运行环境。

近年来，微电子器件在继电保护装置中得到了广泛应用，但耐受干扰的水平极低、且大多为电磁敏感设备，因而很容易受到干扰的影响和危害，最终可能会导致保护装置误动或拒动等各种异常现象的出现，从而严重影响了电网的安全、稳定运行。

高压变电所一次回路强电磁干扰和二次回路本身的电磁干扰，通过感应、耦合和辐射等途径，引入到半导体型电子元器件上。

当干扰水平超过了装置逻辑元件和逻辑回路允许的干扰水平时，将引起装置逻辑回路的不正常工作，甚至直接造成这些元器件的损坏。

另外，由于各种干扰而使变电所自动化设备产生大量垃圾信息，严重影响了运行人员对所内设备的运行监视及操作，增加了值班人员的工作负担，影响了事故的分析与处理。

因此，继电保护与自动化装置的抗干扰，就成为一个很重要的课题。

1电磁干扰的来源和途径

电力系统的电磁干扰源有外部干扰和内部干扰两个方面：

外部干扰是指那些与系统结构无关，而是由使用条件和外部环境因素所决定的干扰，主要有其它物体和设备辐射的电磁波产生的强电场或强磁场，如雷击、隔离开关操作、中压开关柜操作、直流电源的中断与恢复、步话机辐射及来自电源的工频干扰等等。

内部干扰是指由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的干扰，主要有杂散电感和电容的结合，引起的不同信号感应，长线（对高频信号而言）传输造成电磁波的反射，多点接地造成的电位差干扰，寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等等。

但是，不论是外部干扰还是内部干扰，都具有相同的物理特性，故而其消除和抑制的措施基本是相同的。

在高压变电所内，有多种渠道将电磁干扰源和受干扰的二次回路和二次设备联接起来，这些耦合渠道包括：

辐射、感应和耦合。

而被干扰设备接收的电磁干扰水平，往往源于几种耦合方式产生的综合效应。

辐射：

高频感应加热设备、高频焊接等工业设备以及电视发射台、雷达等大功率电子设备都可以通过电磁波辐射，干扰附近的精密仪器及仪表；

架空输电线辐射出电磁场也会通过供电线路侵入电子设备，造成干扰信号。

感应：

同一电缆内的感应，当同一电缆中某一芯线通过很强的干扰电流时，将在其他芯线感应出很高的干扰电压，并在终端联接设备上以共模干扰与差模干扰的形式出现。

此外，不同能量等级的强电与弱电回路共用同一电缆时，当强电回路的电能突变，也会对弱电回路感应出不能接受的干扰，因而，应当尽量避免这种做法。

耦合：

在开关场，电磁干扰主要经电感耦合、电容耦合及传导耦合等途径引入二次设备。

电感耦合：

电感耦合有两个渠道，一是当隔离开关操作产生的高频电流或雷电电流通过高压母线时，在高压母线周围产生了磁场。

其中的一部分磁通将二次电缆包围，因此在二次回路中感应出对地的共模干扰电压，传到继电保护装置等二次设备的端子上。

若二次回路的走线不合理，例如同一个回路中的一根导线利用了一根电缆中的一芯，而其回程导线却利用了另一根电缆的一芯时，由于这两根芯线间的距离很大，在它们之间将包围很大的磁通，从而会在同一回路的两根导线间产生很大的差模干扰电压，这种设计或施工中的失误，必须避免。

二是指通过高压母线的高频电流，最容易通过接在母线上的集中电容注入电网，电容式电压互感器（CTV）、高频通道的高压耦合电容器，就是这样的高频电流最好的入地通道。

在图1中，当高频电流I经母线所接高压电容器入地时，二次电缆、CTV的中间变压器的高低压线圈层间、互感器的接地线、变电所接地网和二次电缆所接负载形成了一个闭合回路，包围了由高频电流产生的磁通。

在闭合回路中感应出电压，传到继电保护装置等二次设备端子上。

接地引下线与二次电缆间的距离D愈大时，所包围的磁通越多，在闭合回路上感应的电压越高。

其中人为可控的因素是L、D及R。

据估算，在400kV变电所中，当L=3m，D/R=10时，可能产生的感应电压e将达10kV，这个电压的数值远较上一项的感应电压为高。

因此，对于CTV、高压耦合电容器来说，降低电容器的底座高度L，电容器接地引下线采用多股导线（即增大电阻R）和尽可能使引下二次电缆紧靠接地引下线（即减小距离D）是十分必要的。

图1开关场的各种耦合途径

电容耦合：

在图1中，假定Ck和CE分别是高压母线对二次电缆和二次电缆对地电容，则引入二次电缆的电容耦合分量（共模值）eC=（Ck/CE）E，若电缆中的导线对地电容不对称，还会引起差模干扰电压。

当二次电缆回路有一点接地网时，CE→∞，eC=0；

因此，为了人身和设备的安全，在二次回路上任何时候都必须保持一点接地。

同理，二次回路一点接地，也解决了由高压经层间电容Cps传到二次回路的电压。

传导耦合：

连接耦合电容器到变电所地网的接地线，当通过高频电流I时，呈现高阻抗，因而在N、G间产生很高的高频电压，这个高频电压通过层间电容Cps和一、二次线圈间的杂散电容，经二次电缆传到继电保护装置等二次设备端子上。

降低N、G间高频电压的办法，包括缩短距离L，采用多股接地导线，以减低接地线的自感，增加接地线接入地网的密度，以减小接地点的阻抗等等。

2电磁干扰对继电保护装置的影响

近年来，微机型继电保护装置在电力系统中得到了广泛的运用。

和常规保护相比，微机保护具有先进的原理及结构，安装调试简单，运行维护方便，保护动作迅速、灵敏可靠，能自动记录故障信息等显著的优点。

但是在现场运行过程中，如果运行环境差，抗干扰措施落实不当，则很容易受到外界环境的干扰，造成保护不正常，甚至发生保护误动作，严重威胁到电网的安全运行。

微机保护装置是以微机为核心的自动控制系统。

其硬件组成主要包括数据采集单元、数据处理单元、开关量输入输出系统、通信接口及电源。

在干扰信号产生后，干扰对模拟电路和对数字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，将会导致误操作；

数字电路受干扰作用往往造成数据或地址传送错误，从而导致微机运行故障或功能障碍。

也能引起保护的不正确动作。

干扰对微机保护装置的影响主要表现在以下几个方面。

2.1计算或逻辑错误

微机保护装置的输入输出数据、微处理器计算的中间结果、控制标志字都存放在随机存贮器RAM中。

在强电磁干扰信号作用下，有可能使存放在RAM中的数据发生变化。

这样，在进行读或写数据时，数据总线和地址总线可能在干扰的作用下，发生读写错误数据，或将数据传送到错误的地址上，造成计算错误或逻辑紊乱，引起装置误动或拒动。

2.2程序运行出轨

所谓程序只是微处理器可识别的机器码，在干扰信号的作用下，将可能出现微处理器无法识别的机器码，致使微处理器无法工作。

此外，如果干扰信号改变了控制程序流向的标志字时，也将改变运行程序的执行顺序，使微机的运行程序出轨，出现死机等问题。

2.3元件损坏

在微机保护装置中的一些半导体芯片，在强电磁干扰作用下，可能受到损坏，使装置无法工作。

3电磁干扰的抑制措施

3.1构造继电保护装置等电位面

基于微机的继电保护装置的重要特点：

一是具有自检能力；

二是具有通信功能。

如果微机继电保护装置集中在主控制室，为了实现可靠通信，必须将联网的中央计算机和各套微机保护，以及其他基于微机的控制装置，都置于同一等电位平台上。

这个等电位面应该与控制室地网，只有一点的联系，这样的等电位面的电位可以随地网的电位变化而浮动，同时也避免控制室地网的地电位差窜入等电位面，从而保持联网微机设备的地网之间无电位差，保证联网通信的可靠运行。

各微机设备都应有专用的、具有一定截面的接地线直接接到地等电位面上，设备上的各组件内外部的接地及零电位，都应由专用联线联到专用接地线上，专用接地线接到保护盘的专用接地端子，接地端子以适当截面的铜线接到专用接地网上，这样就形成了一个等电位面的地网。

构造等电位面有两种可能做法，一是将微机保护盘底部已有的接地铜排通过焊接联通，同时在尽头用专用100mm2铜线联通，形成一个铜网格，这个网格与由电缆沟引来的粗铜导线联通。

借该粗铜导线对控制室的接地点，形成要求的对地网的唯一一点接地。

另外一种做法，是在保护盘底部的下面构造一个专用的铜网格，各保护盘的专用接线端子，经一定截面铜线联到此一铜网格来实现。

3.2高频同轴电缆屏蔽层两端分别接地

高频同轴电缆屏蔽层在开关场和控制室两端分别接地，可以显著地降低收发信机入口的干扰电压，保护收发信机的安全运行。

若高频同轴电缆只在一端接地，在隔离开关操作空母线等情况下，必然在另一端产生暂态高电压，从而可能会在收发信机端子上产生高电压，中断收发信机的正常工作。

3.3控制电缆屏蔽层在两端同时接地

当控制电缆为母线暂态电流产生的磁通所包围时，在电缆的屏蔽层中将感应出屏蔽电流，由屏蔽电流产生的磁通，将抵消母线暂态电流产生的磁通对电缆芯线的影响。

假定屏蔽作用理想，两者共同作用的结果，将使被屏蔽层完全包围的电缆芯线中的磁通为零，屏蔽层形成了一个理想的法拉第笼。

这也和带有二次短路线圈的理想变压器一样，铁芯中的磁通将为零。

当雷电经避雷器注入地网，使变电所地网中的冲击电流增大时，将产生暂态的电位波动，同时地网的视在接地电阻也将暂时升高，与正常交流电阻相比，地电阻常常增大10倍以上。

当低压控制电缆在上述地电位升高的附近敷设时，电缆电位将随地电位的波动而受干扰。

因此，接地浪涌电流引起的地电位升高，将可能对低压控制回路的绝缘配合带来严重影响。

为了定量地估计当雷电流注入变电所地网时，在控制电缆缆芯中引起的暂态感应的数量，相关文献列出了在30个变电所中进行人工注入地网较小冲击电流（10～4000A）时，测定的电压情况，如图2所示。

（a）电缆无金属包皮

（b）电缆有金属包皮图2在低压电缆感应电压的概率

图2中所测定的就是两种电缆屏蔽情况下的暂态电压：

一是无金属屏蔽的电缆；

二是有金属屏蔽且两端接地的电缆。

由图2可见，采用两端接地的屏蔽电缆，可以将暂态感应电压抑制为原值的10%以下，证明是降低干扰电压的一种有效措施。

3.4开关场进线在继电保护盘端子处经电容接地

研究结果说明，控制电缆电磁干扰中的相当部分，来自套管式或柱式TA以及TV的高频传导耦合。

这种耦合直接由母线传到控制回路，控制电缆的屏蔽对这种干扰无能为力，且这种传导耦合的效率随干扰频率的增高而增大。

为此还应该在开关场进线的继电保护端子上对地接入高频滤波回路，而最为简便的是在这些端子上接入对地电容。

图3继电保护盘进线的接地电容接线回路（a）正确接线（b）错误接线