变电站电磁干扰源对二次系统耦合机理研究

贺家慧，张丹丹，陈俊钦，童 歆，王永勤，张 露

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉430074）

0 引言

变电站电气设备密集且电磁环境复杂，二次系统在工作的过程中会承受各种电磁干扰，可能会出现通讯故障、造成测量不准确甚至元器件损坏等结果。二次系统测量的准确性对电网运行的安全稳定性起着很大的作用，因此研究变电站内电磁干扰源对二次系统的电磁耦合机理，从而制定相对应的防护措施，提高二次系统电磁兼容性是十分重要的。

从1980年开始，国内外学者就对变电站的电磁环境和电磁兼容问题进行了相关研究，主要对变电站内各种电磁干扰源、干扰耦合路径以及电磁屏蔽开展了大量的研究工作［1-6］。文献［2］～文献［4］对变电站内常见的电磁干扰源进行了介绍，并给出了各个电磁干扰源的频谱特性。文献［6］～文献［8］介绍了电磁干扰耦合方式，但都未对变电站内一二次系统之间的耦合机理进行研究，梁振光运用电磁拓扑法定性地对变电站内干扰源与敏感设备的耦合方式进行了分析［9］。文献［10］从硬件和软件两个方面提出了电子设备的抗电磁干扰措施，就如何提高设备数据采集系统的准确性进行研究。但是变电站作为电力系统中一二次设备最密集的场所，存在多种电磁干扰源，其与二次系统的电磁耦合路径更是复杂多样，因此如何完整地定量研究变电站内电磁干扰源与二次系统之间的耦合机理仍然是个待解决的问题［11-13］。

本文首先介绍变电站内常见的典型电磁干扰源，其次从传导耦合、感应耦合、辐射耦合3个电磁耦合方式出发给出了变电站内二次设备的电磁干扰耦合路径，接着建立了变电站中电磁干扰源与二次系统的整体耦合对应关系，最后根据所研究的电磁耦合机理提出了二次设备的抗干扰措施。

1 变电站主要的电磁干扰源

变电站内电磁干扰的存在形式主要有暂态和稳态两种，一种是以开关操作、系统运行故障、雷击等造成的瞬态电场、磁场形式存在，另一种是以工频电压、电流和电场、磁场形式存在。

1.1 瞬态干扰

1）高压开关操作产生的暂态干扰

变电站内断路器和隔离开关在操作过程中会在回路中产生频率为几十kHz 到几十MHz 高频震荡，其瞬态电流和暂态过电压会通过电流互感器和电压互感器等测量设备直接耦合到二次系统［14］，影响二次系统的正常运行。

2）雷击干扰、系统短路

由于变电站内有避雷针保护，很少发生直接雷击，因此变电站内雷击干扰只考虑感应雷击造成的电磁干扰。感应雷击和系统短路都会在周围空间产生强烈的辐射电磁场，会在地面上的金属导体感应出很高的电流，引起地电位的增高。这种大的干扰电流和干扰电压会通过各种耦合方式对二次系统产生影响。

3）电快速瞬变脉冲干扰

电快速瞬变脉冲干扰的特征为幅值高、频率高，会对二次设备的输入输出端口和数字系统产生较大的影响。电快速瞬变脉冲波形如图1所示［15-16］。

图1 电快速瞬变脉冲波形Fig.1 Electrical fast transient pulse waveform

1.2 稳态干扰

1）变电站内母线、设备产生的工频电磁场

母线、变压器、发电机等设备会在周围产生工频电磁场。给定点处场强的大小分别取决于线路电压和电流以及线路结构。由输电线路产生的工频电场一般在边相导线向外方向迅速衰减，空间任一点场强的大小和方向都是随时间周期变化的。110～500 kV 的变电站中多数区域电场小于4 kV/m，工频磁场感应强度小于0.02 mT［6］。

2）无线电设备产生的辐射干扰

无线电台、无线发射机、电视台等都会产生电磁辐射源。变电站内工作人员使用无线电通信工具，如步话机时就会产生辐射干扰。

综上所述，变电站中常见的电磁干扰源示意图可用图2表示。

图2 变电站中常见的电磁干扰源Fig.2 Common electromagnetic disturbance sources in a substation

2 耦合方式分析

电磁干扰源通过各种耦合路径将电磁干扰能量施加到敏感设备上。变电站中电磁干扰的耦合路径主要有传导耦合、感应耦合、辐射耦合3 种方式，其中感应耦合又分为电感性耦合和电容性耦合［17］。

2.1 传导耦合

传导耦合是指干扰源和敏感设备通过公共电路直接连接产生耦合，所以也称为公共阻抗耦合［9］。如图3所示，电路1和电路2的地电流都流经共地电阻，电路2的电流会在电路1中耦合出干扰电压，干扰电压大小取决于公共阻抗幅值。

图3 共阻抗耦合示意图（接地回路）Fig.3 Schematic diagram of common impedance coupling

在变电站中由于公共接地网的存在，在发生雷击、系统短路故障时与接地网相连的二次设备以及电缆上也会出现干扰电压，且随着接地电阻的增大而增大。

2.2 电容性耦合

干扰源与被干扰源电路之间存在着电容通路，干扰源和二次系统两者之间的分布电容是干扰入侵的主要通路。图4为两电路间电容性耦合模型。其中电路1上的电压U1为干扰源电压，电路2为受影响的电路即敏感电路。R为电路2与地之间的电阻，电路1、2各自对地的分布电容分别为C1g、C2g，电路1、2 之间的分布电容为C12。

图4 两电路间电容性耦合模型Fig.4 Capacitive coupling model between two circuits

因此当敏感电路的电阻值较小时，电容性耦合可以用连接在敏感电路与地之间的一个幅值为In=jωC12U1的电流源来模拟。

电路间的分布电容C12和两电路间的距离有关，干扰源与敏感设备间的距离越短，C12越大，电容性耦合就越严重。在变电站中当回路中存在耦合电容器、电容式电压互感器等电容性设备时，干扰回路的暂态电压更容易通过电容性耦合方式对二次系统产生干扰。

2.3 电感性耦合

电感性耦合是由于两电路之间存在着互感而产生的，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。变电站中除了发生事故时一次回路中会产生大电流，开关操作也会产生多次的重燃弧，在线路上产生脉冲电流，对二次系统造成干扰。

图5为电感性耦合模型示意图，当电路1中存在电流I1时，会在电路2 中产生磁通，使电路1、2 之间存在互感M12。

图5 两电路间电感性耦合模型Fig.5 Inductive coupling model between two wires

电路1 中的干扰电流I1在电路2 中产生的干扰电压Un为：

由式（4）可知，在干扰源幅值和频率不变的情况下，可以通过减小两电路间互感M12来减小在敏感设备中产生干扰电压，具体可以采用调整两电路的方向位置、减小敏感设备面积的方式来抑制干扰电压［18］。

2.4 辐射耦合

干扰源产生的干扰能量以电磁波的形式通过空间耦合到二次敏感设备的耦合方式即为辐射耦合干扰。电磁辐射耦合的路径具体可以分为以下4 种：天线与天线间的耦合、电磁场对闭合回路的耦合、电磁场通过孔缝的耦合、电磁场对线的感应耦合。

辐射耦合干扰可以分为远场辐射耦合和近场辐射耦合。与干扰源的距离r<<λ/2π 的空间区域为近场区，λ为波长，此区域内电磁场的性质与静电场和恒定磁场的性质基本相似。与干扰源的距离r>>λ/2π的空间区域称为远场区，在此区域内辐射耦合干扰以天线的形式进行［19-21］。

3 变电站电磁耦合机理分析

对于某一台二次设备，在研究其电磁干扰耦合机理时需要考虑的区域包括设备周围空间、设备内部的各个子空间、设备孔缝、连接设备以及设备内部的电缆等［22］。变电站某一个二次设备的电磁耦合路径示意图如图6 所示。对于这个二次设备，外界电磁干扰可以通过辐射耦合、感应耦合、传导耦合方式进入到敏感电路，设备不同区域之间通过电缆或孔缝建立联系。

图6 二次设备的电磁耦合路径示意图Fig.6 Schematic diagram of electromagnetic coupling path of secondary equipment

在变电站中电磁干扰源多、二次设备多，干扰源对二次系统的耦合是十分复杂的。针对这样庞大的系统要给出完整的耦合路径将会非常复杂。根据图2中给出的变电站中常见电磁干扰源，可以列出其与二次回路的耦合对应关系，如图7所示。

图7 变电站中的电磁骚扰源与二次系统的耦合对应关系Fig.7 Coupling relationship between electromagnetic disturbance sources and secondary circuit in a substation

由图7 可知变电站在发生雷击、系统短路或者进行开关操作的时候会在大地和线路中产生过电压和瞬态电流，并会向周围辐射电磁场。电磁干扰会通过多种方式、路径耦合到二次系统中，这些耦合路径包括空间、母线、TA、TV、电缆、二次设备线缆等。同时射频设备也会通过辐射耦合对二次设备产生一定的干扰。

以感应雷击产生的电磁干扰为例对干扰源与二次设备之间的电磁耦合机理进行分析。雷电流通过避雷器引入大地，进而通过周围土壤和变电站接地网向外扩散，造成地电位变化，会对与接地网相连的设备产生影响。同时发生雷击时，雷电流会在周围产生瞬态电磁场并通过辐射耦合方式穿过变电站控制室墙壁和设备外壳进入到设备内部，对其工作产生影响。

4 抗干扰措施

为了提高变电站内二次设备的抗电磁干扰性能，应从电磁干扰三要素出发，首先需要明确干扰源，减少干扰源产生干扰能量的幅值和频率。其次需要切断干扰源和二次系统之间的耦合路径，最后采取各种抑制电磁干扰的方法来降低二次设备本身的电磁敏感性。由于变电站是个十分复杂的系统，在一次系统正常运行的情况下必定会向外传输电磁干扰能量，因此采用合适防护和抑制措施来切断电磁耦合路径是十分重要的。可以采取屏蔽隔离、滤波、接地等方式来减小干扰源对二次系统的电磁干扰。

4.1 屏蔽

在变电站中可以选用由高导电性金属材料制成的屏蔽机壳对二次设备进行屏蔽和隔离，机壳起到电磁屏蔽罩的作用，金属屏蔽机壳必须有效接地。图8 为二次设备具有屏蔽体时两电路间电磁耦合模型。

图8具有屏蔽体时两电路间电磁耦合模型Fig.8 Electromagnetic coupling model between two circuits with shield

没有屏蔽机壳时，干扰源U1在电路2 上感应出的干扰电压Un为：

二次设备具有屏蔽机壳时，干扰源U1在电路2 上产生的干扰电压Un为：

式（5）、式（6）中，C12为干扰源与被干扰设备之间的分布电容，C2S为被干扰设备与其屏蔽体之间的互容，C2g为被干扰设备对地的分布电容。由于C12很小，且有C12<

因此在变电站中可以对电磁干扰源、敏感设备加装屏蔽套来有效地减少电磁干扰，必要时可以采用双层屏蔽的方式来进一步减少电磁干扰带来的影响［23-25］。

4.2 接地

对变电站中一次、二次系统进行合理的接地可以对电磁干扰起到一定的抑制作用。

对变电站内一次设备进行接地可以从源头上减少电磁干扰。在对一次系统进行接地时，对于引入瞬态大电流的区域，如开关场、避雷器接入地点等位置需多铺设接地线，起到降低由瞬态大电流引起的地网中的瞬变电位升高和地网中各点瞬变电位差的作用，从而降低辐射出的电磁干扰能量。

从安全方面和抗干扰性能考虑，需要对二次设备的外部金属机壳和内部电路屏蔽机壳有效接地。其次，对于设备内部的电路部分，需要进行工作接地，起到抑制地环流引起的电磁干扰，防止静电累积。设备存在多级PCB板时，需要遵循一点接地的原则，即将地线连在一块同时接入接地网，电路板内各点和接地线对金属机壳的电位同时变化，接地线起到电压基准的作用［26］。

4.3 滤波

选择合适的抗电磁滤波器可以有效滤除不需要的频带干扰。变电站内常用的滤波器种类有电感滤波器、电容滤波器和RC 滤波器3 种。一般将RC 滤波器加在交流采样的小电压互感器和小电流互感器的二次侧上，如避雷器在线监测装置的穿心式电流传感器，可以起到滤去高频干扰信号的作用。

5 结语

本文分析了变电站中常见的瞬态和稳态电磁干扰源，并从传导耦合、感应耦合、辐射耦合3 个方面对电磁耦合方式进行了分析，在此基础上给出了变电站内二次设备的耦合路径并建立了变电站中电磁骚扰源与二次系统的整体耦合对应关系。根据电磁耦合机理提出了变电站二次设备抗干扰措施，采取屏蔽隔离、接地、滤波等措施可以有效切断电磁干扰耦合路径，减少设备受到的干扰，优化二次设备的工作环境。

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