变电站中电压采集单元混合电磁干扰研究

林珊珊，赵明敏，成睿琦，郭 震，孙绍哲，赵 鹏 ，杨志超

(1.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102200； 3.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；4.北京交通大学电气工程学院，北京 100044)

0 引言

近年来，随着智能电网的大规模建设[1]，变电站内电子式互感器开始批量应用，互感器电压采集单元在变电站复杂电磁环境下的可靠性问题凸显，已成为制约智能电网发展的瓶颈之一[2]。变电站电磁环境复杂且严酷，变电站中的开关操作、雷击、短路故障、交变磁场等都会同时对电压采集单元产生影响[3-5]。

对于变电站中电子式互感器的抗电磁干扰性能，已有学者作了一些研究。冯利民等通过建立噪声耦合近似模型，实现对电子式互感器干扰信息的定性分析研究，提出了对电子式互感器的干扰抑制方法[6]。白世军等基于110 kV某智能化变电站投运中隔离开关在分合过程中电子式互感器采集单元工作异常导致保护误动的现象，深入分析探讨了导致采集卡工作异常的原因，并给出了提高地理信息系统(geographic information system,GIS)本体电子式互感器采集卡抗干扰能力的具体方案[7]。杨亚奇通过研究直击雷和侵入波两种形式对智能变电站内智能组件的影响建模分析及影响因素，得到了变电站内智能组件的抗扰度限值[8]。段显壮通过分析电子式互感器的原理，提出了一种精度更高的印制电路板(printed circuit board,PCB)型罗氏线圈电子互感器，并对其抗扰性能进行了优化研究[9]。

但是，考虑两种以上干扰源同时作用于设备的抗扰度问题却鲜有研究。无论是IEC还是国家电磁兼容标准，对电压采集单元的测试均单独进行各类抗扰度试验。但学生试验不能有效模拟变电站实际环境，不能满足设备在变电站现场所需的抗扰度要求。例如：当变电站中存在雷击导致的开关操作时，环境中同时存在多种电磁干扰，干扰源不唯一，可能存在射频感应场耦合、阻尼振荡波传导耦合、电快速瞬变脉冲群传导耦合、雷击浪涌感应耦合，只对采集单元作单一类型抗扰度试验显然与实际情况相差较大。因此，电子式互感器电压采集单元混合电磁干扰研究具有重要意义。该研究对提高互感器电压采集单元电磁抗扰能力具有工程参考价值。

1 干扰源实测

变电站电磁环境复杂，电压采集单元受到的电磁干扰主要来自开关操作、雷击、短路故障等辐射电磁骚扰，以及各种电容电感装置产生的传导电磁骚扰。隔离开关与断路器操作是变电站内电磁骚扰的典型形式。

为模拟断路器操作期间变电站内采集单元所受的电磁干扰水平，在许继集团的试验场内搭建了模拟试验平台。试验电路如图1所示。

图1 试验电路图Fig.1 Test circuit diagram

图1中，高压电源为工频单相电源，电压峰值可在30～65 kV变化。测点①为距断路器1 m处，布置空间电磁场探头；测点②为分压器低压侧，布置电压探头；测点③和测点④分别模拟系统侧地线和模拟负载侧地线，布置电流探头；测点⑤为电子式互感器直流电源负极侧，测点⑥为电子式互感器信号线，布置电流探头。

试验分别测得了单相高压电源65 kV时合闸情况下电子式互感器周围暂态电磁场、电源线与信号线上骚扰电流。65 kV合闸时，采集单元电源线电流时域及频域波形如图2所示。其首个脉冲上升时间小于10 ns，电流幅值约为33 A，主要能量集中于2 MHz附近。

图2 65 kV合闸时采集单元电源线电流时域及频域波形Fig.2 Time domain and frequency domain waveform of power line current of acquisition unit when 65 kV is closed

65 kV合闸时，采集单元信号线电流时域及频域波形如图3所示。其首个脉冲上升时间小于10 ns，电流幅值约为78 A，主要能量集中于1 MHz附近。

在中国电科院与亚德诺半导体技术有限公司(analog device instrument，ADI)合作的电子式互感器采集单元抗扰性能项目研究中，ADI公司根据大量试验数据将拉合刀闸测得的波形分解为IEC 61000标准波形。该分解方式为电子式互感器采集单元混合干扰试验提供了参考。开关操作波形的首个脉冲能量低频率高，因而可等效分解为电快速瞬变脉冲群与静电放电波形。而较长时间尺度的脉冲信号呈现频率降低但能量较高的特点，可等效分解为阻尼振荡波与浪涌波形。同时，考虑到变电站环境中射频场电磁骚扰的存在，将不同类型干扰混合施加于电压采集单元，能够更好地模拟实际情况、分析电压采集单元的抗扰性能。

图3 65 kV合闸时采集单元信号线电流时域及频域波形Fig.3 Time domain and frequency domain waveform of signal line current of acquisition unit when 65 kV is closed

2 耦合机理分析

电磁骚扰的传播途径主要是指电磁骚扰信号由骚扰源传播到敏感设备的耦合过程，一般分为传导耦合和场耦合[10-11]。传导耦合是电磁干扰通过线路内部传导进入敏感设备，场耦合是电磁干扰通过电容电感耦合进入敏感设备。

电子式互感器采集单元电磁骚扰耦合路径如图4所示。

图4 电子式互感器采集单元电磁骚扰耦合路径Fig.4 Electromagnetic disturbance coupling path of electronic transformer acquisition unit

传感单元测得的电压或电流信号通过信号端口进入采集单元，将电信号转换为光信号，并将光信号通过光纤端口传入合并单元。电源端口为采集单元供电的端口，由220 V交流电源供电。变电站高压一次侧产生的电压电流干扰通过电子式互感器传导进入采集单元的信号端口。由于采集单元的电源线和信号线接地，开关操作时产生的地电位升可通过地线传入采集单元[12]。同时，开关操作产生的高频电压电流信号能够在空间中激发电磁场。该空间电磁场可通过采集单元的信号端口或电源端口的线路耦合进入采集单元，从而对其产生干扰。

实际工作中，由于采集单元信号端口/电源端口线缆由于弯曲度、距地高度不一致等原因，其线缆上的传导干扰电流沿线呈不均匀分布，表示为：

I1(f,x)=I1(f,0)H1(f,x)

(1)

式中:I1(f,x)为信号线/电源线上电流与导线位置之间的函数，表示干扰源产生的初始共模传导干扰电流；H1(f,x)为线路不同位置与传导干扰电流频率之间的分布函数，主要与导线上各点弯曲度、距地高度等因素有关。

同时，暴露于空间电磁场中的设备会产生感应干扰电流，表示为：

(2)

式中:Ei为不同类型的空间场在线缆不同位置处的分布函数；H2(f,x)为空间场与传导电流频率之间的传递函数，主要与线缆材质、转移阻抗等因素有关。

线缆上总的干扰电流可表示为：

(3)

当试验室进行不同类型干扰源的混合干扰试验时，在信号线/电源线上施加不同类型的传导干扰信号。暂不考虑空间电磁场，Ei=0。I1可用线缆初始位置的传导干扰信号电压U(f,0)与导线靠近干扰源端的输入阻抗Z(f,0)表示，见式(4)。由此，可得到的式(5)所示的干扰电流I的表达式。因此，当不同类型的干扰信号叠加之后，线路上总的干扰电流增加。理论分析可知，混合干扰试验会比单一干扰试验产生更大的影响。

(4)

(5)

3 试验验证

为验证电压采集单元对开关操作情况下的电磁骚扰的抗扰度情况，本文对电压采集单元进行了单一干扰抗扰度试验与混合干扰抗扰度试验。根据中国电科院发明的测试方法：基于变电站混合电磁干扰模拟的电力设备测试方法，具体试验项目包括电快速瞬变脉冲群(electrical fast transient burst，EFT)、浪涌(surge)、阻尼振荡波(damped oscillation wave，D.O.)和射频传导(conducted susceptibility，CS)抗扰度试验。分别进行单一干扰源试验和混合电磁干扰试验。通过与单一干扰源作用时采集单元的状态进行对比，对混合电磁干扰产生的影响进行分析。

3.1 试验布局

对于单一干扰源的试验，其中EFT抗扰度试验、Surge抗扰度试验、D.O.抗扰度试验和CS抗扰度试验均根据IEC 61000-4系列标准执行[13-14]。单一干扰源抗扰度试验布置如图5所示。

图5 单一干扰源抗扰度试验布置示意图Fig.5 Schematic diagram of single interference source immunity test layout

图5中：干扰发生器、耦合去耦网络(coupling and decoupling network,CDN)、采集单元均与接地参考平面相连；采用耦合和去耦网络将干扰信号耦合进入采集单元的信号线缆，同时保证与采集单元相连的其他电缆不受影响，只近似于干扰源以不同的幅值和相位同时作用于受试电缆的实际情况。

混合干扰抗扰度测试原理如图6所示。

图6 混合干扰抗扰度测试原理示意图Fig.6 Schematic diagram of mixed interference immunity test layout

将不同种类干扰通过CDN同时施加到被测设备(equipment under test,EUT)的电源/信号线上，其余试验设置与单一干扰源试验相同。通过上位机读取输出到合并单元的数据，分析比较互感器采集单元在受到干扰后输出是否有影响。

3.2 试验结果与分析

在对电压采集单元施加不同强度的干扰时，上位机对采集单元采集到的数据进行波形分析。对于部分畸变不明显的波形，对其进行放大细节来显示受到的影响。对于畸变明显波形，则不进行放大细节处理。图7为正常情况下的录波。图7(b)为图7(a)局部放大后的波形，正常情况下的电流幅值为65.011 mA，频率为50 Hz。

图7 正常情况下的录波Fig.7 Recording under normal conditions

3.2.1 单一电磁骚扰抗扰度试验

首先，对电压采集单元进行单一骚扰源的抗扰度试验。本文对采集单元的电源端口进行了EFT抗扰度试验，对信号端口进行了D.O.、CS和Surge抗扰度试验，从上位机中得到的录波波形如图8所示。

图8 单一干扰下采集单元输出波形Fig.8 Acquisition card output waveforms under a single interference source

从图8可以看出，单一干扰情况下，EFT、CS和D.O.对采集单元的影响程度很小，采集单元输出波形与正常情况相差不大，而对信号线施加Surge 2 kV的共模干扰时，发现不仅在产生浪涌脉冲时电流波形存在畸变，基波幅值也增加到了89.201 mA，相比正常波形幅值增加了37.2%。从整体上看，采集单元的输出波形畸变程度较低，可认为电压采集单元对单一类型的电磁骚扰有较高的抗扰性能。

3.2.2 混合电磁骚扰抗扰度试验

在此基础之上，对采集单元同时施加两种及以上电磁干扰。试验项目设置如表1所示。

表1 试验项目设置Tab.1 Test project setting

按照表1所示项目设置，对采集单元进行混合干扰抗扰度试验。混合干扰下采集单元输出波形如图9所示。与图9对比可以看出，在对采集单元施加混合干扰时，采集单元的输出波形畸变更严重。

图9(a)为对采集单元端口施加4 kV/100 kHz的EFT干扰、对信号端口施加2 kV/10 MHz的D.O.干扰信号时，采集单元采集到的电流信号中，电流最大值可达138.661 mA，远大于正常信号幅值，信号畸变较为严重。图9(b)为对采集单元电源端口施加4 kV/100 kHz的EFT干扰，在采集单元信号端口施加1 kV共模的Surge干扰信号时，采集单元采集到的电流信号。从图9可以看出，采集单元采集得到的电流基波幅值增大到99.352 mA。其中在施加浪涌脉冲时采集单元采集到的电流最大值可达到325.919 mA，表明浪涌干扰信号对采集单元采集信号的准确性产生了较大影响。因此，需加强采集单元信号端口对浪涌脉冲信号的防护。图9(c)为对采集单元电源端口施加4 kV/100 kHz的EFT干扰和频率为10 MHz、电压为20 V的CS干扰，对信号端口施加2 kV/10 MHz的D.O.干扰得到的采集单元输出电流波形。其中，该信号的基波幅值与频率与正常信号相差不大，但与信号端口施加Surge信号相比，电流波形畸变的时间尺度更大、更加平缓，得到其电流最大幅值为117.495 mA。综上可知，试验结果与理论分析结果一致，混合干扰试验比单一干扰试验对采集单元产生更严重的影响。

图9 混合干扰下采集单元输出波形Fig.9 Acquisition unit output waveforms under mixed interference

3.3 设备抗扰度改进措施

对电磁干扰的防护主要有三个方面：电磁屏蔽、EMI滤波以及接地技术。本文通过设计电源端口滤波器，实现对电子式互感器采集单元的电磁干扰防护。

电源端口低通滤波器的衰减函数为:

L(w)=10Lg(1+k2w2n)

(6)

由于衰减随频率单调增加，通带内最大衰减Lp对应截止频率Wc，又因阻带Ws频率上对应的衰减为Ls，因此得出:

LP=10Lg(1+k2wC2n)

(7)

LS=10Lg(1+k2wS2n)

(8)

电源滤波器原理图如图10所示。

对采集单元电源端口施加EFT加入滤波器前后流过电流，其幅值抑制比约为5.901。为进一步验证滤波器的效果，在电源端口加入滤波器后，对采集单元施加与图9相同情况的混合干扰，通过上位机采集到如图11所示的电流波形。

图11 加入电源滤波器后混合干扰下采集单元输出波形Fig.11 After the power filter is added,the output waveforms of the acquisition unit is mixed under interference

在采集单元电源端口加入滤波器后，对于图11(a)与图11(c)所示的两种干扰情况采集单元采集到的波形畸变程度大大降低，趋近于正常波形。而对于图11(b)所示情况采集单元采集到的电流波形畸变程度有所减小，但与正常波形仍旧相差较大。这说明这种情况下对采集单元产生影响的主要因素为信号端口施加的Surge干扰。因此，为提高采集单元抗扰性能，还需要设计增加信号端口滤波器。以上试验证明了采集单元电源端口滤波器设计的有效性[15-18]。

4 结论

本文通过试验测得拉合刀闸情况下采集单元二次侧传导电磁骚扰波形，并对其波形成分进行分解。根据采集单元实际工作中电磁骚扰的耦合情况设计试验，证明了采集单元对单一类型电磁干扰具有较强的抗扰性能。而当两种或多种类型电磁干扰源叠加时采集单元采集到的波形发生严重畸变，证明采集单元对混合电磁干扰的抗扰性能较差。本文所设计的施加在采集单元电源端口的滤波器，能够成功阻隔瞬态混合电磁干扰；通过试验验证，其也能有效减小波形畸变程度。