雷電沖擊對一二次融合成套開關電磁干擾研究

程 顯，朱劍鵬，趙海洋，袁曉東，賀 翔，徐銘銘

(1．鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001；2．國網(wǎng)河南省電力公司 電力科學研究院，河南 鄭州 450000；3．河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著一二次融合配電開關一體化發(fā)展，設備的智能化成為當今電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢，一次高電壓設備與二次測控設備的集成化，增加了二次設備對瞬態(tài)干擾的敏感性和脆弱性[1]。相比于傳統(tǒng)開關設備，將二次設備放置到現(xiàn)場一次設備附近可能使其受到雷電過電壓干擾，破壞設備的絕緣特性[2-3]。

配電開關一二次設備一體化進程不斷加快，融合產(chǎn)品的電磁兼容性能問題日益突出，國內(nèi)研究者主要對高壓開關操作引起的二次設備瞬態(tài)電磁特性進行了研究，并提出了相應的抗干擾措施[4]。文獻[5-8]通過10 kV柱上開關及開關柜開斷過程對二次智能設備的電磁干擾進行研究，得到干擾信號的頻帶及能量分布情況；文獻[9]在252 kV智能氣體絕緣金屬封閉開關(gas insulated switchgear，GIS)開合母線充電電流試驗中，對二次設備上產(chǎn)生的電磁干擾進行了測量，耦合電壓超過1 kV；文獻[10]中對變電站隔離開關及斷路器操作引起的二次回路干擾電壓測量表明其主頻為1～4 MHz，且幅值不高于1 kV；文獻[11-13]中研制了瞬態(tài)電磁干擾測量系統(tǒng)，得到開關動作引起的二次設備電磁干擾特征，試驗表明最大共模干擾幅值接近2 kV。國內(nèi)外對一二次融合配電開關二次設備電磁兼容的研究較少，且主要是針對高壓開關操作對二次回路產(chǎn)生的電磁場進行測量[14-15]。

筆者搭建了雷電沖擊試驗平臺，利用信號屏蔽測量裝置采集電壓互感器(potential trans former，PT)二次側、饋線終端(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)輸入及輸出側電壓信號，得到?jīng)_擊電壓下二次設備產(chǎn)生的干擾電壓，對結果進行頻譜分析，得到干擾電壓頻帶分布，并設計濾波方式進行有效抑制，為配電開關一二次融合設備抗電磁干擾改進研究提供參考。

1 雷電沖擊電壓試驗測試

1.1 雷電干擾傳播路徑

當雷電直擊輸電線路或桿塔時，由于直擊雷過電壓和感應雷過電壓的作用，傳輸線路上產(chǎn)生的高頻雷電波經(jīng)一次設備侵入到變電站母線，部分干擾信號通過設備雜散電容傳入控制電纜，另一部分則會耦合至二次電纜屏蔽層產(chǎn)生足夠強度的感應過電壓，圖1為雷電干擾傳播至母線的路徑示意圖。

圖1 雷電干擾傳播路徑示意圖Figure 1 Schematic diagram of lightning interference propagation pathway

雷電波傳導到母線上會產(chǎn)生高頻振蕩波，圖2為雷電干擾傳播路徑等效電路圖，當母線暫態(tài)電壓UB作用于電壓互感器一次側時，干擾電壓將通過接地網(wǎng)阻抗、接地引線電感和寄生電容的作用傳導到二次設備。圖中CT為互感器套管電容；LG為引線電感；ZG為接地阻抗；C1N、C2N為互感器一次側、二次側與屏蔽層之間的寄生電容；Z0為二次回路電纜波阻抗；ZL為二次回路電纜負載阻抗。

圖2 雷電干擾傳播路徑等效電路圖Figure 2 Equivalent circuit diagram of lightning interference propagation path

1.2 試驗裝置及參數(shù)

雷電沖擊試驗原理如圖3所示。圖中，T為調(diào)壓器；r為保護電阻；D1為高壓硅堆；R為充電電阻；C1、C2為主電容；g1為點火球隙；g2為中間球隙；g0為隔離球隙；Rt為放電電阻；Rf為波前電阻。

圖3 雷電沖擊試驗原理圖Figure 3 Schematic diagram of lightning impulse test

雷電發(fā)生裝置為CJDY-200型沖擊電壓發(fā)生器，額定電壓為100 kV，PT為JDZW-10R型電壓互感器，變比為10 kV/0.1 kV，準確等級0.5 S。按照雷電沖擊電壓發(fā)生器試驗標準及變電站雷電波侵入引起電磁干擾的等效性要求設定試驗參數(shù)見表1。

表1 電壓發(fā)生器參數(shù)Table 1 Voltage generator parameters

通常情況下，雷電沖擊試驗系統(tǒng)包括如圖4所示5個基本部分。利用控制系統(tǒng)調(diào)整雷電沖擊電壓幅值，產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾電壓通過連接在母線上的設備傳導到二次設備，并利用測量裝置采集端口電壓干擾波形，最后上傳到主控系統(tǒng)。

圖4 雷電沖擊試驗系統(tǒng)Figure 4 Lightning impulse test system

由于饋線終端通過連接電纜對高壓開關設備進行信號采集測量及遠程操控，瞬態(tài)干擾可能通過電磁波耦合或近場耦合、電纜傳導至二次設備造成故障。根據(jù)GB 3906—2006對10 kV高壓開關設備沖擊電壓試驗要求，相對于地、相間和斷口間應分別承受75、85 kV的雷電沖擊電壓，試驗中選取輻射干擾電壓峰值為100 kV，傳導干擾電壓峰值為70 kV，初始電壓設置為20 kV，并以10 kV的梯度遞增方式施加到一二次融合配電開關的斷路器高壓端子位置，試驗裝置實物連接如圖5所示。

圖5 試驗裝置實物圖Figure 5 Physical chart of the test device

1.3 抗干擾電壓信號測量系統(tǒng)

抗干擾電壓信號測量裝置如圖6所示，由高壓探頭、數(shù)字示波器、逆變器、隔離變壓器、光電轉換器和屏蔽箱等部分組成，利用頻率為75 MHz的Tek6015A無源高壓探頭采集各端口電壓信號。

圖6 信號測量系統(tǒng)組成示意圖Figure 6 Diagram of signal measurement system

為了減弱射頻干擾和雜散電容信號對測量裝置的影響，所有采集信號均經(jīng)過光纖隔離采樣系統(tǒng)進入泰克TPS2024B四通道200 MHz帶寬數(shù)字示波器。屏蔽箱體有效防止外部空間的電磁干擾進入箱內(nèi)，干擾示波器端口信號,電池和逆變器組成的供電系統(tǒng)有效避免了空間電磁干擾沿電源線進入示波器內(nèi)。在屏蔽箱內(nèi)加裝的光電轉換裝置能夠將示波器測量的電信號轉換為光信號，由光纖傳輸至遠端的測量、控制裝置，再次經(jīng)過光電轉換成為計算機可以直接識別處理的電信號。

2 試驗結果

2.1 雷電波輻射干擾試驗

圖7為雷電波輻射干擾條件下饋線終端處于不同水平距離及沖擊電壓等級下的正向輻射干擾電壓峰值折線圖。其中，試驗距離變化范圍為0～2.5 m，試驗電壓變化范圍為20～100 kV。

由圖7可知，雷電沖擊電壓為20 kV時，PT二次側、FTU饋線終端輸入及輸出端的正負向輻射干擾電壓峰值基本保持在1 kV以內(nèi)，當雷電干擾電壓升高到100 kV時，各端口的正負向輻射干擾電壓峰值最大可以達到3 kV左右，且隨著沖擊電壓等級的升高，干擾電壓會出現(xiàn)一定程度的跌落，但整體仍呈上升趨勢。

圖7 雷電波輻射耦合下端口干擾電壓峰值Figure 7 Peak value of interference voltage under the coupling of lightning wave and radiation

在雷電沖擊電壓等級相同的情況下，當沖擊電壓距離斷路器端子2.5 m時，干擾電壓也會隨著雷電電壓等級的升高逐漸增大，但基本維持在1 kV左右。試驗過程中，隨著距離的不斷減小，當沖擊電壓距離縮短到0.4 m時，3個端口輻射電壓峰值均出現(xiàn)明顯躍變，且各電壓等級下的雷電干擾電壓均達到最大值。可以得出：磁場強度隨雷擊距離的減小明顯增大，各端口受到的干擾電壓峰值也明顯增大，甚至會對二次設備的測量控制功能產(chǎn)生影響。

圖8為不同雷電波幅值輻射耦合下的FTU輸入端電壓時域及頻域波形，其中圖8(a)為雷電波輻射干擾下FTU輸入端干擾電壓波形，可以得出PT二次側輸出電壓正弦波有效值為100 V，周期為20 ms，且雷電電壓干擾下輸入波形發(fā)生明顯畸變；圖8(b)為對應圖8(a)中12.5 ms左右波形畸變位置的局部放大圖，觀察可知，雷電沖擊電壓的侵入會使正常工作電壓波形出現(xiàn)高頻振蕩干擾，其電壓峰值約為1.25 kV，干擾時間約為2 μs，但很快衰減甚至消失。主要原因是二次設備內(nèi)部存在較為復雜的阻感電路，而這些器件會對瞬態(tài)干擾波形具有較好的抑制作用；圖8(c)為經(jīng)傅立葉變換得到的頻譜特性，干擾頻帶主要分布在3.6～6.4 MHz。其中，二次設備輸入端產(chǎn)生的高頻振蕩可能是雷電沖擊電壓下降引起的，低頻振蕩與二次設備內(nèi)部的阻抗、導納有關。

圖8 雷電波輻射耦合下FTU輸入端電壓波形Figure 8 Waveform of FTU input voltage under radiation coupling of lightning waves

2.2 雷電波傳導干擾試驗

圖9為傳導耦合試驗中不同沖擊電壓下正負向干擾電壓峰值折線圖，根據(jù)高壓交流斷路器雷電沖擊試驗要求設置試驗電壓范圍為20～70 kV。

圖9 雷電波傳導耦合下端口干擾電壓峰值Figure 9 Peak value of port interference voltage under lightning wave conduction coupling

由圖9可知，干擾電壓峰值與雷電沖擊電壓等級呈正相關，當沖擊電壓為20 kV時，PT二次側、FTU饋線終端輸入及輸出端正負向干擾電壓峰值均處于0.9 kV以內(nèi)，當沖擊電壓升高到70 kV時，F(xiàn)TU輸入端正向干擾電壓可達4.5 kV，PT二次側及FTU輸出端干擾電壓也均處于3 kV以上或-3 kV以下，且明顯高于對應電壓等級下的空間輻射耦合干擾電壓峰值。

圖10為不同雷電波幅值傳導耦合下的FTU輸入端電壓時域及頻域波形，其中圖10(a)為雷電波傳導耦合下FTU輸入端干擾電壓波形，可以得出PT二次側輸出電壓正弦波有效值為100 V，周期為20 ms，電壓波形也發(fā)生了畸變；圖10(b)為對應圖10(a)中12.5 ms左右波形畸變位置的局部放大圖，觀察可得雷電沖擊電壓的侵入會使正常工作電壓波形出現(xiàn)高頻振蕩干擾，其電壓峰值約為1.45 kV，干擾時間約為1.5 μs，持續(xù)時間較短的主要原因也是二次設備內(nèi)部存在較為復雜的阻感器件對瞬態(tài)干擾波形具有較為明顯的抑制作用；觀察可得干擾峰值為1.45 kV左右，干擾時間約1.5 μs；圖10(c)為經(jīng)傅立葉變換得到的頻譜特性，干擾頻帶主要分布在1.2～6.7 MHz、12.5～20 MHz之間。傳導耦合下雷電沖擊電壓直接侵入PT電壓互感器一次側，干擾電壓波形相比于輻射耦合更為密集，且干擾電壓幅值更高。由時域及頻域波形可知：傳導試驗造成的瞬態(tài)干擾信號頻帶分布較寬，說明沖擊電壓傳導耦合能增加二次回路高頻干擾范圍，對二次設備造成更大危害。

圖10 雷電波傳導耦合下FTU輸入端電壓波形Figure 10 Waveform of FTU input voltage under lightning wave conduction coupling

試驗結果及分析可知：二次回路的阻感效果會對雷電沖擊電壓產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾產(chǎn)生一定的衰減作用，但在信號傳輸過程中由于缺少有效的電磁干擾抑制措施，二次設備還是會受到嚴重的空間輻射耦合及傳導耦合干擾。因此，基于試驗過程中出現(xiàn)的電磁干擾問題開展了提高一二次融合配電開關二次設備可靠性的研究。

3 雷電沖擊電壓干擾抑制措施

為了減弱雷電沖擊電壓對二次設備的干擾影響，可進行以下幾種防護措施：①對于饋線終端內(nèi)部的干擾，硬件上一般采用在二次設備端口施加隔離變壓器、浪涌吸收器和TVS管等方式；②利用金屬屏蔽材料對二次設備進行金屬屏蔽；③將外殼接地，為瞬態(tài)高頻干擾提供泄放途徑。

濾波器電路原理圖如圖11所示。由于雷電沖擊電壓干擾信號主要為分布在1～20 MHz之間的高頻阻尼振蕩波，考慮到二次設備電感值過大會造成內(nèi)部場強增大，電容值過大會影響高頻響應，因此，根據(jù)干擾電壓頻段及濾波能力確定電感。設定電感L為6 mH，電容CA、CB分別為0.22 μF、4.7 nF，將P、N連接在電壓互感器二次輸出端口，P′、N′連接在FTU饋線終端輸入端口。

圖11 濾波器電路原理圖Figure 11 Schematic diagram of filter circuit

該濾波器電路主要包括L型濾波結構(共模濾波器)和π型濾波結構(差模濾波器)。當共模信號流過L型濾波器時，由于兩個線圈繞向一致，所產(chǎn)生的磁場可以相互抵消，能有效抑制共模傳導干擾；而π型濾波器由C型濾波器和RC濾波器組成，當差模信號流入時先經(jīng)過CA的濾波，再進入由L1和CA構成的濾波電路中進一步對交流成分進行濾除，其網(wǎng)絡端口等效電路結構如圖12所示。

圖12 濾波器等效電路結構Figure 12 Equivalent circuit structure of filter

接入濾波器裝置后的電路示意圖如圖13所示。在40 kV雷電沖擊電壓干擾條件下進行試驗，并采集FTU饋線終端輸出端電壓干擾波形，對比未接入濾波器的典型干擾波形如圖14所示。由圖14可以看出，接入濾波器后饋線終端輸出端產(chǎn)生的正向干擾電壓峰值由1.36 kV下降到450 V左右，反向干擾電壓峰值由800 V下降到480 V左右，且干擾電壓頻率明顯降低，干擾持續(xù)時間明顯縮短，削弱了雷電沖擊電壓對二次測量、控制單元的不利影響。結果表明，該濾波器對降低一二次融合饋線終端運行過程中的電磁干擾問題具有比較顯著的改善作用。

圖13 接入濾波器后的電路結構圖Figure 13 Circuit structure diagram after Accessing Filter

圖14 接入濾波器前后FTU輸出電壓波形Figure 14 Output voltage waveform of FTU before and after adding the filter

接入濾波器后，多次測量饋線終端輸出側正負向干擾電壓幅值如表2所示。對比可知：雷電干擾波經(jīng)濾波抑制后再通過電壓互感器和電纜線路侵入FTU，正負向干擾電壓峰值均有明顯減小。相同雷電沖擊電壓等級下，饋線終端正向電壓峰值從濾波前的平均812 V下降到濾波后的624 V左右，下降幅度為23.2%；負向電壓峰值從濾波前的平均-784 V上升到濾波后的-563 V左右，下降幅度為28.2%，且未發(fā)生誤動、拒動等故障現(xiàn)象。

表2 加入濾波器后正負向干擾電壓峰值Table 2 Positive and negative interference voltage peak after adding filter

4 結論

筆者搭建了幅值為100 kV的雷電沖擊電壓試驗平臺，對配電開關二次設備進行電壓干擾試驗，通過測量裝置采集電壓互感器二次側、FTU饋線終端輸入及輸出側電壓信號，頻譜分析得到二次設備端口的電磁干擾特性，提出干擾抑制措施并進行試驗驗證，得到以下結論：

(1)施加雷電沖擊電壓時，電壓互感器二次側、FTU饋線終端輸入以及輸出側都產(chǎn)生較為明顯的瞬態(tài)高頻干擾。雷電波輻射干擾條件下，沖擊電壓為100 kV時，干擾電壓峰值達到3 kV，頻帶主要分布在3.6～16.4 MHz之間；雷電波傳導干擾條件下，沖擊電壓為70 kV時，干擾電壓峰值約為4.5 kV，頻帶主要為1.2～6.7 MHz之間、12.5～20 MHz之間。

(2)針對雷電沖擊電壓對一二次融合配電開關二次設備造成的瞬態(tài)高頻干擾問題，可以采取濾波、屏蔽、接地等措施進行有效抑制。試驗結果表明，加入濾波器后FTU饋線終端輸出側正負向干擾電壓峰值降低了20%以上，且尖峰數(shù)量明顯減少，干擾信號得到顯著抑制。試驗結果為一二次融合配電開關二次設備電磁兼容改進研究提供參考。