高壓直流輸電控制保護(hù)平臺(tái)運(yùn)行主機(jī)電磁兼容試驗(yàn)解析

陳希艷，徐洋濤，陳威立

（許昌開普檢測(cè)研究院股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 前言

直流輸電具有輸送容量大、輸送距離遠(yuǎn)、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于中國資源能源分布不均，直流輸電在國內(nèi)得到了大規(guī)模應(yīng)用[1-2]。HCM3000是針對(duì)特高壓、多端直流輸電、柔性直流輸電及其他工業(yè)控制領(lǐng)域的高端應(yīng)用而開發(fā)的一款大型嵌入式控制保護(hù)系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，是直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的核心組成部分，用于構(gòu)建交直流站控系統(tǒng)、極控系統(tǒng)和直流保護(hù)系統(tǒng)等關(guān)鍵控制保護(hù)設(shè)備。以整體試驗(yàn)類型測(cè)試為例，控制保護(hù)平臺(tái)整體試驗(yàn)可以根據(jù)不同的功能要求配置不同的控制保護(hù)平臺(tái)運(yùn)行主機(jī)。

電磁兼容試驗(yàn)主要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17626和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1087-2008來進(jìn)行。DL/T 1087-2008適用于±800 kV特高壓直流換流站二次設(shè)備（包括直流側(cè)、交流側(cè)的保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)設(shè)備及通信設(shè)備等）的抗擾度性能要求?！?00 kV以下電壓等級(jí)的換流站二次設(shè)備抗擾度要求可參照該標(biāo)準(zhǔn)。

1 換流站電磁環(huán)境分析

換流站內(nèi)的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，交流和直流產(chǎn)生的各種電磁騷擾現(xiàn)象在換流站中均有發(fā)生，無論在線路上還是空間上，均存在大量各種形態(tài)的電磁騷擾源，如因雷擊產(chǎn)生的浪涌、感性負(fù)載下開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的快速脈沖群、各種無線電設(shè)備發(fā)出的輻射騷擾信號(hào)以及由晶閘體本身暫態(tài)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的非標(biāo)準(zhǔn)騷擾信號(hào)等[3-10]。因此在換流站運(yùn)行的各類保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備，必須具有足夠的抵抗各種騷擾的能力。

換流站內(nèi)交流側(cè)電磁騷擾主要有：

1）高壓隔離開關(guān)和斷路器的操作，將在母線或線路上引起含有多種頻率分量的衰減振蕩波，以暫態(tài)電磁場(chǎng)的形式向周圍空間輻射，或通過連接在母線的測(cè)量設(shè)備（TA、TV、CVT等）直接耦合至二次回路；

2）雷擊線路或構(gòu)架及系統(tǒng)短路故障，將有大電流注入地網(wǎng)，從而在二次電纜的芯線中感應(yīng)出騷擾電壓、侵入二次回路；

3）換流站在換流的同時(shí)會(huì)在直流側(cè)和交流側(cè)產(chǎn)生特征諧波及非特征諧波，騷擾二次設(shè)備和通信系統(tǒng)；

4）交流側(cè)開關(guān)操作產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾傳導(dǎo)至直流側(cè)，影響直流光電互感器。其他還有導(dǎo)線和金具放電電暈等能產(chǎn)生頻率較高的電磁場(chǎng)輻射。此外，負(fù)荷的變化將造成站用電的電壓波動(dòng)、電壓暫降、短時(shí)中斷和電源頻率變化等。

直流側(cè)的電磁騷擾主要有：

1）換流閥換相時(shí)產(chǎn)生的高頻騷擾，雖然閥廳具有一定的屏蔽效能，可抵御向外部的輻射，但仍能通過引出的極導(dǎo)線和連接的測(cè)量裝置騷擾二次設(shè)備；

2）換流器產(chǎn)生的特征和非特征諧波對(duì)交流側(cè)一次、二次設(shè)備的影響；

3）雷擊引起的騷擾以及導(dǎo)線電暈產(chǎn)生的無線電干擾等。

2 控制保護(hù)平臺(tái)機(jī)箱配置

系統(tǒng)主要包含基本的板卡組合成一個(gè)機(jī)箱和由電氣隔離接口模塊所構(gòu)成的接口組件，其測(cè)試環(huán)境還需配置相應(yīng)的功能設(shè)備和儀表，用于完成基本功能性能檢測(cè)，以某換流站閥組控制機(jī)箱為例，配置如圖1所示。

圖1 閥組控制機(jī)箱典型配置

EPU20A是HCM3000平臺(tái)中的主處理器插件。它具有一般處理器插件的運(yùn)算和控制功能，同時(shí)具有管理與配置機(jī)箱中其它各種插件、實(shí)現(xiàn)插件間數(shù)據(jù)交換的功能；

ESM10B是一種共享內(nèi)存插件，為機(jī)箱內(nèi)的處理器插件提供統(tǒng)一的、共享的大容量?jī)?nèi)存，滿足處理器插件間大容量、快速數(shù)據(jù)交換功能。當(dāng)機(jī)箱中具有兩塊及以上的處理器插件時(shí)，必須配置一塊ESM插件；

EMF20A是一種多功能插件，具有點(diǎn)火脈沖輸出接口、TDM總線接口和快速通信總線接口，并在點(diǎn)火脈沖機(jī)制中加入Amin功能，是HCM3000平臺(tái)的一種擴(kuò)展插件。

EVI10A是一種VBE接口插件，具有VBE相關(guān)控制信號(hào)調(diào)制和輸出接口，是HCM3000平臺(tái)的一種擴(kuò)展插件。

EVC10A是一種VBE接口插件，具有觸發(fā)脈沖信號(hào)調(diào)制、轉(zhuǎn)換功能和與豎琴脈沖輸出接口，是HCM3000平臺(tái)的一種擴(kuò)展插件。

EDI10B是一種數(shù)字量接口插件，具有32路數(shù)字量輸入和32路數(shù)字量輸出通道，可用于高速數(shù)字量信號(hào)的傳輸。

ECM10A是一種現(xiàn)場(chǎng)總線通訊插件，實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP 協(xié)議的通信。

ENT10B是一種以太網(wǎng)總線通訊插件，實(shí)現(xiàn)速率為10/100 Mbps的以太網(wǎng)通信。

ICT10A是一種電子式互感器光通訊插件，需要與處理器插件EPU系列配合使用，采用遵循IEC60044-8電氣規(guī)范的定制化FT3規(guī)約，可支持傳送24通道的數(shù)據(jù)，為HCM3000平臺(tái)提供IEC60044-8協(xié)議（與安穩(wěn)系統(tǒng)接口）的通訊通道。

IFC20A是一種快速通信插件，具有快速通信總線接口，提供高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊功能。IFC10必須嵌入到處理器插件EPU上才能運(yùn)行。

3 電磁兼容試驗(yàn)要求

3.1 電磁兼容試驗(yàn)概述

電磁兼容試驗(yàn)主要有：

1）工頻磁場(chǎng)；

2）脈沖磁場(chǎng)；

3）阻尼振蕩磁場(chǎng)；

4）射頻輻射電磁場(chǎng)；

5）靜電放電；

6）浪涌；

7）阻尼振蕩波；

8）電快速瞬變脈沖群；

9）射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾；

10）電源電壓暫降、短時(shí)中斷；

11）諧波抗擾度（對(duì)于交流電源）、紋波（對(duì)于直流電源）。

圖2 設(shè)備端口示意圖

由于光纖由電絕緣的石英材料制成，因而光纖通信線路不受普通電磁場(chǎng)的干擾，因而電磁兼容部分只對(duì)電接口的端口進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)備端口如圖2所示。該控制保護(hù)平臺(tái)端口均為低壓控制設(shè)備間的連接電纜，因此所有端口均為現(xiàn)場(chǎng)連接方式。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，電磁兼容各項(xiàng)試驗(yàn)合格與否應(yīng)分別按照兩類驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行判定。

3.2 外殼端口抗擾度要求

依據(jù)DL/T 1087-2008對(duì)裝置外殼端口抗擾度要求。

3.2.1 磁場(chǎng)試驗(yàn)

在高壓直流換流站中，工頻磁場(chǎng)主要是由電源回路、接地回路及電網(wǎng)中的電流產(chǎn)生的，脈沖磁場(chǎng)是由接地線和接地網(wǎng)絡(luò)中的雷電流產(chǎn)生的，阻尼振蕩磁場(chǎng)是由隔離開關(guān)操作中壓和高壓回路過程中產(chǎn)生的。

工頻磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、阻尼振蕩磁場(chǎng)檢驗(yàn)方法均為浸入法，磁場(chǎng)方向?yàn)閄、Y、Z三個(gè)方向。工頻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：連續(xù)磁場(chǎng)100 A/m，短時(shí)磁場(chǎng)1 000 A/m；磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間為：連續(xù)磁場(chǎng)60 s，短時(shí)磁場(chǎng)3 s。脈沖磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：1 000 A/m，至少要施加5次正極性脈沖磁場(chǎng)和5次負(fù)極性脈沖磁場(chǎng)。每?jī)纱蚊}沖之間的時(shí)間間隔應(yīng)不小于10 s。阻尼振蕩磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：100 A/m，在100 kHz和1 MHz兩個(gè)頻率下進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中應(yīng)監(jiān)視受試設(shè)備的各項(xiàng)功能，其中，工頻磁場(chǎng)連續(xù)磁場(chǎng)應(yīng)按照抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則A判定設(shè)備性能，而工頻磁場(chǎng)短時(shí)磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)及阻尼振蕩磁場(chǎng)應(yīng)按照抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則B判定設(shè)備性能。

3.2.2 射頻輻射電磁場(chǎng)試驗(yàn)

在高壓直流換流站中，射頻輻射、平波電抗器和直流濾波器的隔離開關(guān)切合、換流閥的開通與關(guān)斷都會(huì)形成輻射電磁場(chǎng)。

試驗(yàn)過程中，用1 kHz的正弦波對(duì)信號(hào)進(jìn)行80%的幅度調(diào)制后，在80 MHz～1 GHz和1.4 GHz～2 GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻測(cè)量，掃描步長(zhǎng)不超過前一頻率的1%。

射頻輻射電磁場(chǎng)試驗(yàn)過程中應(yīng)依據(jù)所示抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則A判定設(shè)備性能。

3.2.3 靜電放電試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將輔助激勵(lì)量和負(fù)載施加在相應(yīng)的電路上，其值應(yīng)等于額定值。輸入激勵(lì)量值應(yīng)盡可能地接近轉(zhuǎn)換狀態(tài)，但不能超過靜電放電騷擾所要求的變差值。整定值及試驗(yàn)有關(guān)的相應(yīng)變差值應(yīng)由制造廠規(guī)定。

試驗(yàn)點(diǎn)的選擇應(yīng)是正常運(yùn)行條件下操作者易于接近的部位，包括通信端口和去掉裝置外殼才能接近的整定調(diào)整部位。但不包括去掉外殼之后還需要去掉任一部分（例如某個(gè)插件）才能整定調(diào)整的部位。因此對(duì)本平臺(tái)進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)的主要部位為：

1）接觸放電：螺釘、USB口外殼、以太網(wǎng)口外殼、現(xiàn)場(chǎng)總線口外殼；

2）空氣放電部位：拉手、機(jī)箱外殼、孔面板、指示燈、開關(guān)、USB口、以太網(wǎng)口、現(xiàn)場(chǎng)總線口。

在靜電放電試驗(yàn)過程中應(yīng)按照抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則B判定設(shè)備性能。

3.3 信號(hào)端口抗擾度要求

對(duì)信號(hào)端口抗擾度要求依據(jù)相關(guān)規(guī)定。

信號(hào)端口包括開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、通信線的測(cè)試。其中開關(guān)量輸入為板卡DFV100，板卡上的事件輸入如圖3所示。開關(guān)量輸出為板卡DFV100，板卡上的事件輸出如圖4所示。

需要測(cè)試的通信線為現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)線。根據(jù)DL/T 1087-2008中規(guī)定，如果設(shè)備與輔助設(shè)備相連，則應(yīng)該接入那些對(duì)于試驗(yàn)端口是必需的，而且有代表性的最少配置的輔助設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。因?yàn)榘蹇‥CM10A的現(xiàn)場(chǎng)總線經(jīng)過REPEATER轉(zhuǎn)接至屏外如圖5所示，因此需對(duì)REPEATER的現(xiàn)場(chǎng)總線端口進(jìn)行測(cè)試。其中板卡BEM11A的以太網(wǎng)接口直接連接至光纖接口屏如圖6所示，而所有板卡EPU20A的以太網(wǎng)經(jīng)HUB轉(zhuǎn)接后連接至光纖接口屏如圖7所示，因此對(duì)BEM11A的以太網(wǎng)線直接進(jìn)行測(cè)試，而對(duì)EPU20A的以太網(wǎng)線在HUB端進(jìn)行測(cè)試。

圖3 典型開關(guān)量輸入端口

圖4 典型開關(guān)量輸出端口

圖5 現(xiàn)場(chǎng)總線端口

3.3.1 浪涌試驗(yàn)

浪涌是由開關(guān)操作或雷擊在電網(wǎng)或通信線上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓或過電流形成的。浪涌呈脈沖狀，其波前時(shí)間為數(shù)微秒，脈沖半峰值時(shí)間從幾十微秒到幾百微秒，脈沖幅度從幾百伏到幾萬伏，或從幾百安到上千安，是一種能量較大的騷擾。

在開關(guān)量輸入/輸出端口施加的浪涌脈沖峰值電壓為：線－地±0.5 kV、±1 kV、±2 kV，線－線±0.5 kV、±1 kV，通信端口施加的浪涌脈沖峰值電壓為：±0.5 kV、±1 kV，該控制保護(hù)平臺(tái)按試驗(yàn)等級(jí)3進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中受試設(shè)備不但要滿足試驗(yàn)等級(jí)3而且還要滿足試驗(yàn)等級(jí)1和試驗(yàn)等級(jí)2，是因?yàn)橐紤]到受試設(shè)備的非線性電流-電壓特性，而且逐漸增大浪涌電壓還有助于保護(hù)設(shè)備，不至于一上來就加大浪涌電壓而使設(shè)備遭破壞，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)電壓只能逐漸增加到規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)。信號(hào)端口中的開關(guān)量輸入輸出端口試驗(yàn)耦合網(wǎng)絡(luò)為：線－地42 Ω/0.5 μF，線－線42 Ω/0.5 μF，通信線端口試驗(yàn)耦合網(wǎng)絡(luò)為：屏蔽層-地2 Ω。在浪涌試驗(yàn)過程中應(yīng)按照抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則B判定設(shè)備性能。

圖6 板卡BEM11A以太網(wǎng)端口

圖7 板卡EPU20A以太網(wǎng)端口

3.3.2 阻尼振蕩波試驗(yàn)

出現(xiàn)在設(shè)備端口上的阻尼振蕩波是由電廠、高中壓變電站及重工業(yè)設(shè)備的電弧再放電或切換產(chǎn)生的。試驗(yàn)過程中輸入/輸出線應(yīng)分別與信號(hào)源、控制線相連接，并由輔助設(shè)備提供受試設(shè)備正常運(yùn)行的工作信號(hào)。模擬器的輸入/輸出電路應(yīng)采用濾波器，防止干擾其他設(shè)備。并將耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)用長(zhǎng)度為1 m的電纜與受試設(shè)備相連接，并與參考地相連接。

信號(hào)端口的第一峰值電壓為：共模2.5 kV，差模1 kV，通信端口的第一峰值電壓為：1 kV。測(cè)試時(shí)間為：60 s，脈沖頻率為：100 kHz為 40次 /s，1 MHz為 400次 /s。

在阻尼振蕩波試驗(yàn)過程中應(yīng)按照抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則B判定設(shè)備性能。

3.3.3 電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)

電感性負(fù)載在斷開時(shí)，由于開關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，會(huì)在斷開點(diǎn)處產(chǎn)生暫態(tài)騷擾。這種暫態(tài)騷擾以脈沖形式出現(xiàn)，如果電感性負(fù)載多次重復(fù)開關(guān)，則脈沖群又會(huì)以相應(yīng)的時(shí)間間隔多次重復(fù)出現(xiàn)。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不大可能引起設(shè)備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以仍會(huì)對(duì)電子、電氣設(shè)備的可靠工作產(chǎn)生影響。在高壓直流輸電換流站中脈沖群主要是由操作感性負(fù)載、繼電器觸點(diǎn)抖動(dòng)、操作SF6電氣設(shè)備等引起的。

對(duì)于設(shè)備的模擬量輸入/輸出端口，一般采用耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)來施加試驗(yàn)電壓，而對(duì)于開關(guān)量輸入/輸出端口及通信端口，則通過容性耦合夾來施加試驗(yàn)電壓。耦合裝置和受試設(shè)備之間的信號(hào)線長(zhǎng)度應(yīng)不大于1 m，如果制造商提供的與受試設(shè)備不可拆卸的電纜長(zhǎng)度超過1 m，那么超出的部分在接地參考平面上方0.1 m處以0.4 m的直徑盤繞起來。

信號(hào)端口及通信端口施加脈沖群峰值電壓為±2 kV,在電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)過程中應(yīng)按照抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則B判定設(shè)備性能。

3.3.4 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)

在高壓直流換流站中，射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度主要是由射頻發(fā)射機(jī)的輻射、換流閥的開通、關(guān)斷引起的。

試驗(yàn)過程中，將受試設(shè)備置于參考地平面上0.1 m厚的絕緣支座上，將耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)CDN接入輔助設(shè)備和受試設(shè)備端口之間，這種注入方法為直接注入法。一般情況下模擬量信號(hào)使用直接注入法，而通信線用鉗注入法。無論直接注入還是用鉗注入均應(yīng)對(duì)騷擾源的電平進(jìn)行調(diào)整，該控制保護(hù)平臺(tái)試驗(yàn)電平為10 V。然后用自動(dòng)方式在0.15 MHz～80 MHz進(jìn)行掃描，掃描頻率步長(zhǎng)的大小不應(yīng)超過前一頻率值的1%。在射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)過程中應(yīng)按照抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則A判定設(shè)備性能。

3.4 電源端口抗擾度要求

對(duì)低壓交流、直流輸入電源端口抗擾度要求見相關(guān)規(guī)程規(guī)定。電源端口指為設(shè)備供電的端口，包括組裝在屏柜內(nèi)的設(shè)備的電源輸入，該柜的電源端口被認(rèn)為是其中任何一個(gè)組件的電源端口，組裝在一個(gè)柜內(nèi)的外部單元的電源輸入，設(shè)備的外部單元可以由該設(shè)備或由一個(gè)外部電源進(jìn)行供電/控制。該控制保護(hù)平臺(tái)電源端口如圖8所示。

圖8 電源輸入端口

對(duì)電源端口進(jìn)行的試驗(yàn)除了以下兩點(diǎn)均可依據(jù)以上各個(gè)項(xiàng)目的參數(shù)和驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行。

1）浪涌試驗(yàn)過程中，耦合網(wǎng)絡(luò)為：線－地12 Ω/9μF，線－線 2 Ω/18μF。

2）電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)過程中，施加脈沖群峰值電壓為±4 kV。

功能接地端口抗擾度要求依據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

4 結(jié)束語

對(duì)抗擾度性能的判據(jù)以DL/T 1087-2008為準(zhǔn)。二次設(shè)備的抗擾性能是保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要條件，由于直流輸電控制保護(hù)平臺(tái)處于高壓換流站內(nèi)，而換流站存在大量電氣、電子設(shè)備，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的電磁環(huán)境，為了使換流站內(nèi)的電氣設(shè)備運(yùn)行過程中不受外來干擾的影響，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)是非常有必要的。