開關(guān)柜HMI和綜合保護(hù)裝置EMC問題及解決摘要：某地鐵工程變電所送電過程中，發(fā)現(xiàn)35kV開關(guān)柜保護(hù)裝置有誤跳現(xiàn)象，HMI有死機(jī)并重新啟動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)采取了有關(guān)臨時(shí)應(yīng)急措施，在滿足工期要求的同時(shí)，避免了重大事故的出現(xiàn)。同時(shí)，在工廠試驗(yàn)室進(jìn)行了不同解決方案測(cè)試，確定了原因后，采用了相關(guān)的抗干擾方案，最終有效解決了保護(hù)裝置誤跳、HMI死機(jī)重啟的問題。關(guān)鍵詞：送電35kV保護(hù)裝置誤跳HMI死機(jī)應(yīng)急措施抗干擾方案Abstract：ThisarticleanalyzestheEMCproblemsofprotectivedeviceofthe35kVGISusedinthemetroduringthetestingperiod.Throughthetesting,thecauseoftheEMCwasconfirmed.Aftertheeffectivemeasureswereadopted,theEMCproblemsweresolved.KeyWOrds：35kVGIS,protectivedevice,theEMCproblem,effectivemeasures1、問題描述某地鐵工程調(diào)試階段，在往動(dòng)力變壓器送電的過程中發(fā)現(xiàn)，35kVGIS饋線開關(guān)柜斷路器（圖一中1041A斷路器）合閘時(shí)時(shí)，開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置發(fā)送速斷保護(hù)信號(hào)，導(dǎo)致饋線柜無(wú)法正常送電。同時(shí)，HMI（人機(jī)操作界面板）出現(xiàn)死機(jī)并重啟現(xiàn)象。該變電所的主接線及開關(guān)柜接線示意圖見下圖（圖一：變電所主接線及開關(guān)柜接線示意圖）。圖一：變電所主接線及開關(guān)柜接線示意圖通過相關(guān)測(cè)試，確認(rèn)電纜、變壓器沒有故障。通過測(cè)試主回路的電阻、斷路器動(dòng)靜觸頭間的接觸電阻，確認(rèn)開關(guān)柜一次回路沒有問題。分析了綜合保護(hù)裝置記錄故障波形后，確認(rèn)由于保護(hù)裝置誤發(fā)速斷信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)法正常送電。在其它變電所送電過程中，還發(fā)現(xiàn)進(jìn)出線柜的綜合保護(hù)裝置有誤跳現(xiàn)象，HMI死機(jī)并重啟現(xiàn)象。通過對(duì)綜合保護(hù)裝置、HMI的本體檢查，也沒有發(fā)現(xiàn)問題。因此，可以判斷，開關(guān)柜二次裝置EMC電磁兼容的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了問題。2、現(xiàn)場(chǎng)問題判斷及產(chǎn)生原因分析將現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障的綜合保護(hù)繼電器，送回繼電器公司進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)繼電器測(cè)試結(jié)果正常，沒有出現(xiàn)誤動(dòng)作等現(xiàn)象。考慮到試驗(yàn)室條件和現(xiàn)場(chǎng)條件的差別，說(shuō)明開關(guān)柜母線帶上電壓后，在開關(guān)操作時(shí)，干擾信號(hào)通過耦合或者感應(yīng)等途徑，影響了回路的正常工作。在現(xiàn)場(chǎng)，比較母線空載時(shí)合閘斷路器，母線帶載時(shí)分閘斷路器這兩種條件下，保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，發(fā)現(xiàn)空載合閘時(shí)的誤跳明顯要多于帶載分閘時(shí)的誤跳。合閘時(shí)的高頻干擾是明顯高于分閘時(shí)的高頻高擾，這和EMC電磁兼容的經(jīng)典理論和經(jīng)驗(yàn)是一致的。針對(duì)誤發(fā)速斷動(dòng)作信號(hào)開關(guān)柜，讀取其保護(hù)裝置誤發(fā)信號(hào)后的波形，波形如下（圖二）:

圖二：保護(hù)裝置誤發(fā)信號(hào)后的波形對(duì)波形分析，斷路器操作時(shí)，檢測(cè)到了干擾信號(hào)。該干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因及可能的傳導(dǎo)途徑為：本工程的開關(guān)柜一次高壓系統(tǒng)主要元器件的布置如下圖（圖三）:圖三：開關(guān)柜相關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖在母線空載時(shí)，母線動(dòng)靜觸頭可能存在不等電位，在開關(guān)操作過程中，當(dāng)動(dòng)觸頭快接近（合閘操作）或剛離開（分閘操作）靜觸頭連接位時(shí)，由于電場(chǎng)的影響，會(huì)產(chǎn)生含有多種頻率分量的衰減震蕩波。此過程中，斷口間會(huì)出現(xiàn)幾十次乃至幾百次重復(fù)燃弧及斷弧的過程。由于變化的頻率高，從而在母線及引線上產(chǎn)生幅值及頻率均較高的暫態(tài)電壓和電流。電弧的熄滅和重燃，在母線上產(chǎn)生一系列的高頻電流和電壓波，此時(shí)母線就像一高頻天線，以瞬態(tài)電磁場(chǎng)的形式向周圍空間輻射能量，同時(shí)母線上的瞬態(tài)過程還可以通過連在母線上的設(shè)備（如CT、PT等）直接耦合到低壓回路（一二次間的耦合類似于法拉第電容效應(yīng)）。開關(guān)操作時(shí)，可達(dá)50kW的瞬時(shí)功率尖峰。在接地不良的情況下（此時(shí)不長(zhǎng)的接地線上就會(huì)感應(yīng)出很高的電位），其高頻干擾信號(hào)會(huì)通過傳輸線傳入繼電保護(hù)，在一些特定的頻段下影響到繼電器保護(hù)產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)，從而導(dǎo)致綜合保護(hù)裝置保護(hù)誤動(dòng)作、HMI死機(jī)并重啟等現(xiàn)象?？梢耘袛?，斷路器操作時(shí)的短時(shí)瞬變功率是造成二次裝置誤跳、HMI死機(jī)的干擾源。3、現(xiàn)場(chǎng)可能的應(yīng)急措施分析在確認(rèn)了干擾源之后，對(duì)于EMC問題，接著需要分析的是裝置本身的抗干擾能力和干擾的傳導(dǎo)路徑。保護(hù)裝置本身的抗干擾能力，與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，一般保護(hù)裝置本身已設(shè)有濾波電路，而且保護(hù)裝置已經(jīng)是模塊化制作，故在現(xiàn)場(chǎng)一般較難調(diào)整。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急措施，只能從傳導(dǎo)路徑予以優(yōu)化。目前在設(shè)備產(chǎn)品有關(guān)EMC的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有以下7個(gè)：電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)；射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)；雷擊浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)；靜電（ESD）抗擾度試驗(yàn)；電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)；工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)；脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)。本工程干擾源確定為高頻干擾，參照電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)描述，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)工程實(shí)際情況，分別采取改良接地、調(diào)整布線、增加屏蔽、改進(jìn)接線方式等措施，作為現(xiàn)場(chǎng)的可能應(yīng)急措施。3.1現(xiàn)場(chǎng)可能應(yīng)急方案120MHz-30MHz的高頻干擾源，即使在1米長(zhǎng)的接地線上，由于接地線的走線導(dǎo)致其有一定的電感，在高頻干擾源下也能感應(yīng)出高達(dá)100Q的電阻。為避免這種情況，就必須改良接地。為盡量減小接地電阻，在柜體主接地和接地網(wǎng)（變電所內(nèi)接地干線）間增加銅膜（厚0.2mm，寬300mm）的方法，如圖4所示。該方案現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況為，開關(guān)操作五次，有三次發(fā)生誤動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在本工程中效果不明顯。圖4：現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)化接地方案示意圖3.2現(xiàn)場(chǎng)可能應(yīng)急方案2采用增加磁氧鐵環(huán)的方案。磁氧鐵環(huán)在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時(shí)阻抗很小，當(dāng)信號(hào)頻率升高磁環(huán)表現(xiàn)的阻抗急劇升高。磁氧鐵環(huán)對(duì)電磁干擾有較大的抑制作用，具有較寬的頻率抑制范圍，具有足夠的抑制頻率帶寬。本工程選用日本PDK公司的磁氧鐵環(huán)，分別加在有關(guān)的信號(hào)線和電源線上做測(cè)試。具體為：在綜合保護(hù)裝置的電流回路和電壓回路上加裝磁氧鐵環(huán)；綜合保護(hù)裝置的電源線上加裝磁氧鐵環(huán)；在HMI電源線上加磁氧鐵環(huán)。如下圖所示（圖五、圖六）一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)共增加4個(gè)磁環(huán)。在增加磁環(huán)后，操作開關(guān)柜內(nèi)的三工位隔離開關(guān)分閘和合閘各10次，在20次的操作中，綜合保護(hù)裝置共出現(xiàn)2次死機(jī)現(xiàn)象。該措施相當(dāng)程度的改善了綜合保護(hù)裝置的抗干擾能力。在現(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)不同方案的測(cè)試，最終確定現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急方案采用HMI增加金屬保護(hù)罩和對(duì)

相關(guān)的二次回路增加磁氧鐵環(huán)的方案。圖五：綜合保護(hù)裝置電源線、電流回路、電壓回路加磁氧鐵環(huán)示意圖圖六：HMI3.3現(xiàn)場(chǎng)可能應(yīng)急方案3在HMI人機(jī)界面上增加不銹鋼金屬外罩。外罩設(shè)計(jì)尺寸為330mmx270mmx290mm（長(zhǎng)x寬x深），厚1mm。通過一段時(shí)間的觀察，增加金屬外罩后，HMI死機(jī)發(fā)生現(xiàn)象明顯減少，該方案對(duì)HMI的抗干擾有一定效果。4、對(duì)該問題的深入分析及最終解決為了從根本上解決綜合保護(hù)裝置和HMI的電磁兼容問題，在設(shè)備廠試驗(yàn)室進(jìn)行了有關(guān)測(cè)試，通過深入研究分析，最終確定了本工程的解決措施。安排生產(chǎn)跟現(xiàn)場(chǎng)配置條件一樣的開關(guān)柜。按照現(xiàn)場(chǎng)的接線，將現(xiàn)場(chǎng)換回的綜合保護(hù)裝置裝到新生產(chǎn)的開關(guān)柜上。為了得到一次電壓，將母線三相連在一起，通過工頻耐壓儀施加相電壓，柜體一次接地采用50mm2銅線連接到耐壓試驗(yàn)室的主接地上。操作隔離開關(guān)，在不同的措施下，在二次側(cè)檢測(cè)該干擾量并觀測(cè)干擾的影響。4.1綜合保護(hù)裝置EMC問題的解決在外部措施沒有明顯效果的情況下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)送返的問題最嚴(yán)重的2臺(tái)綜合保護(hù)裝置內(nèi)部進(jìn)行檢查。將綜合保護(hù)裝置打開后，逐段檢查接觸，測(cè)試接地電阻，并與不同的板卡進(jìn)行比較。在檢查板卡的過程中，發(fā)現(xiàn)模擬量輸入卡存在接地接觸不良的情況。如下圖（圖七）：圖七：綜合保護(hù)裝置內(nèi)板卡接觸情況通過對(duì)該接地部位狀態(tài)的重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其接地狀態(tài)對(duì)整機(jī)的抗干擾能力有著決定性的影響。人為的制造（模擬）接觸不良的情況，發(fā)現(xiàn)綜合保護(hù)裝置受干擾的問題現(xiàn)象多次重現(xiàn)；而在其接地良好的狀態(tài)下，操作隔離開關(guān)分合多次，均未出現(xiàn)異常。通過工廠試驗(yàn)，可以判定綜合保護(hù)裝置抗干擾性能差是由于保護(hù)裝置內(nèi)板卡部位的接觸不良造成的?，F(xiàn)場(chǎng)通過更換綜合保護(hù)裝置的隔板，使模擬量輸入卡可靠接地，避免了接觸不良的情況，在現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)生誤跳的現(xiàn)象，證明了該措施是有效的。4.2HMI的EMC問題解決在設(shè)備廠內(nèi)，對(duì)二次布線進(jìn)線了較大的調(diào)整。主要措施包括：對(duì)帶電顯示器傳感器二次線進(jìn)行隔離；帶電顯示器傳感器二次線屏蔽層兩端接地，增加屏蔽層在低壓室的接地；將HMI的接地線由柜門框架上部移到柜門接地的扁平線上（降低阻抗）；將HMI的數(shù)據(jù)線進(jìn)行隔離，單獨(dú)布線；將HMI的數(shù)據(jù)線屏蔽層雙端接地。這些措施都沒有改變接線原理，只是布線和接線方式的優(yōu)化。在試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于帶電顯示器傳感器二次線隔離有明顯的效果。即：帶電顯示器傳感器二次線從開關(guān)柜斷路器右側(cè)二次線槽分開時(shí)，操作50次未再現(xiàn)HMI死機(jī)現(xiàn)象。而將帶電顯示器傳感器二次線放入二次線槽時(shí)，操作開關(guān)，出現(xiàn)HMI死機(jī)現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)通過將帶電顯示器傳感器二次線獨(dú)立布線，與其它二次線隔離開，沒有發(fā)生HMI死機(jī)的現(xiàn)象，證明了該措施是有效的。5、本工程問題引發(fā)的深入探討問題根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況和工廠試驗(yàn)情況，開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置在受到了快速瞬變干擾，尤其是高頻干擾信號(hào)時(shí)，誤發(fā)了保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，并不正常的觸發(fā)了HMI，使得HMI出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。在外部電磁環(huán)境不容易改變的情況下，應(yīng)盡可能提高設(shè)備的抗干擾能力。這就需要在工程前期就發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，并及時(shí)得以解決。對(duì)于開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置，目前都是通過確定抗干擾等級(jí)來(lái)考核其EMC能力。但是具體是幾級(jí)，針對(duì)地鐵環(huán)境，筆者認(rèn)為是一個(gè)值得商榷的問題。根據(jù)《電氣繼電器第22-4部分：量度繼電器和保護(hù)裝置的電氣騷擾試驗(yàn)一電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗(yàn)》（GB/T14598.10-2007）中對(duì)于量度繼電器和保護(hù)裝置快速瞬變干擾試驗(yàn)的說(shuō)明，為了包括不同的現(xiàn)場(chǎng)條件，該標(biāo)準(zhǔn)中提出了四個(gè)不同的嚴(yán)酷等級(jí)，對(duì)于大多數(shù)型式的量度繼電器和保護(hù)裝置，采用第III級(jí)的試驗(yàn)電壓值，在一些情況下IV級(jí)也可使用。僅在采用特殊措施的情況下才使用較低等級(jí)的試驗(yàn)電壓值。這一條款是絕大多數(shù)設(shè)備廠選擇綜合保護(hù)裝置EMC試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)的依據(jù)之一。為降低成本，設(shè)備廠家一般選擇嚴(yán)酷等級(jí)為III級(jí)。本工程中壓開關(guān)柜廠提供的國(guó)家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的電磁兼容檢驗(yàn)報(bào)告中，其智能保護(hù)控制裝置通過了IEC60225-22，IEC61000-4規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為III級(jí)的8個(gè)電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目（試驗(yàn)方法根據(jù)《繼電器及裝置基本試驗(yàn)方法》（GB/T7261-2000））。為了進(jìn)一步研究，將該開關(guān)柜廠的綜合保護(hù)裝置送至南京南瑞試驗(yàn)室，做了電磁兼容IV級(jí)嚴(yán)酷等級(jí)的試驗(yàn)，沒有通過。筆者的個(gè)人意見為，由于本工程中壓開關(guān)柜涉及投資巨大，為了保證可