變電站電磁干擾源對二次系統(tǒng)耦合機(jī)理研究

賀家慧，張丹丹，陳俊欽，童 歆，王永勤，張 露

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074）

0 引言

變電站電氣設(shè)備密集且電磁環(huán)境復(fù)雜，二次系統(tǒng)在工作的過程中會(huì)承受各種電磁干擾，可能會(huì)出現(xiàn)通訊故障、造成測量不準(zhǔn)確甚至元器件損壞等結(jié)果。二次系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性對電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性起著很大的作用，因此研究變電站內(nèi)電磁干擾源對二次系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)理，從而制定相對應(yīng)的防護(hù)措施，提高二次系統(tǒng)電磁兼容性是十分重要的。

從1980年開始，國內(nèi)外學(xué)者就對變電站的電磁環(huán)境和電磁兼容問題進(jìn)行了相關(guān)研究，主要對變電站內(nèi)各種電磁干擾源、干擾耦合路徑以及電磁屏蔽開展了大量的研究工作［1-6］。文獻(xiàn)［2］～文獻(xiàn)［4］對變電站內(nèi)常見的電磁干擾源進(jìn)行了介紹，并給出了各個(gè)電磁干擾源的頻譜特性。文獻(xiàn)［6］～文獻(xiàn)［8］介紹了電磁干擾耦合方式，但都未對變電站內(nèi)一二次系統(tǒng)之間的耦合機(jī)理進(jìn)行研究，梁振光運(yùn)用電磁拓?fù)浞ǘㄐ缘貙ψ冸娬緝?nèi)干擾源與敏感設(shè)備的耦合方式進(jìn)行了分析［9］。文獻(xiàn)［10］從硬件和軟件兩個(gè)方面提出了電子設(shè)備的抗電磁干擾措施，就如何提高設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究。但是變電站作為電力系統(tǒng)中一二次設(shè)備最密集的場所，存在多種電磁干擾源，其與二次系統(tǒng)的電磁耦合路徑更是復(fù)雜多樣，因此如何完整地定量研究變電站內(nèi)電磁干擾源與二次系統(tǒng)之間的耦合機(jī)理仍然是個(gè)待解決的問題［11-13］。

本文首先介紹變電站內(nèi)常見的典型電磁干擾源，其次從傳導(dǎo)耦合、感應(yīng)耦合、輻射耦合3個(gè)電磁耦合方式出發(fā)給出了變電站內(nèi)二次設(shè)備的電磁干擾耦合路徑，接著建立了變電站中電磁干擾源與二次系統(tǒng)的整體耦合對應(yīng)關(guān)系，最后根據(jù)所研究的電磁耦合機(jī)理提出了二次設(shè)備的抗干擾措施。

1 變電站主要的電磁干擾源

變電站內(nèi)電磁干擾的存在形式主要有暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種，一種是以開關(guān)操作、系統(tǒng)運(yùn)行故障、雷擊等造成的瞬態(tài)電場、磁場形式存在，另一種是以工頻電壓、電流和電場、磁場形式存在。

1.1 瞬態(tài)干擾

1）高壓開關(guān)操作產(chǎn)生的暫態(tài)干擾

變電站內(nèi)斷路器和隔離開關(guān)在操作過程中會(huì)在回路中產(chǎn)生頻率為幾十kHz 到幾十MHz 高頻震蕩，其瞬態(tài)電流和暫態(tài)過電壓會(huì)通過電流互感器和電壓互感器等測量設(shè)備直接耦合到二次系統(tǒng)［14］，影響二次系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2）雷擊干擾、系統(tǒng)短路

由于變電站內(nèi)有避雷針保護(hù)，很少發(fā)生直接雷擊，因此變電站內(nèi)雷擊干擾只考慮感應(yīng)雷擊造成的電磁干擾。感應(yīng)雷擊和系統(tǒng)短路都會(huì)在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射電磁場，會(huì)在地面上的金屬導(dǎo)體感應(yīng)出很高的電流，引起地電位的增高。這種大的干擾電流和干擾電壓會(huì)通過各種耦合方式對二次系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

3）電快速瞬變脈沖干擾

電快速瞬變脈沖干擾的特征為幅值高、頻率高，會(huì)對二次設(shè)備的輸入輸出端口和數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。電快速瞬變脈沖波形如圖1所示［15-16］。

圖1 電快速瞬變脈沖波形Fig.1 Electrical fast transient pulse waveform

1.2 穩(wěn)態(tài)干擾

1）變電站內(nèi)母線、設(shè)備產(chǎn)生的工頻電磁場

母線、變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備會(huì)在周圍產(chǎn)生工頻電磁場。給定點(diǎn)處場強(qiáng)的大小分別取決于線路電壓和電流以及線路結(jié)構(gòu)。由輸電線路產(chǎn)生的工頻電場一般在邊相導(dǎo)線向外方向迅速衰減，空間任一點(diǎn)場強(qiáng)的大小和方向都是隨時(shí)間周期變化的。110～500 kV 的變電站中多數(shù)區(qū)域電場小于4 kV/m，工頻磁場感應(yīng)強(qiáng)度小于0.02 mT［6］。

2）無線電設(shè)備產(chǎn)生的輻射干擾

無線電臺(tái)、無線發(fā)射機(jī)、電視臺(tái)等都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射源。變電站內(nèi)工作人員使用無線電通信工具，如步話機(jī)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。

綜上所述，變電站中常見的電磁干擾源示意圖可用圖2表示。

圖2 變電站中常見的電磁干擾源Fig.2 Common electromagnetic disturbance sources in a substation

2 耦合方式分析

電磁干擾源通過各種耦合路徑將電磁干擾能量施加到敏感設(shè)備上。變電站中電磁干擾的耦合路徑主要有傳導(dǎo)耦合、感應(yīng)耦合、輻射耦合3 種方式，其中感應(yīng)耦合又分為電感性耦合和電容性耦合［17］。

2.1 傳導(dǎo)耦合

傳導(dǎo)耦合是指干擾源和敏感設(shè)備通過公共電路直接連接產(chǎn)生耦合，所以也稱為公共阻抗耦合［9］。如圖3所示，電路1和電路2的地電流都流經(jīng)共地電阻，電路2的電流會(huì)在電路1中耦合出干擾電壓，干擾電壓大小取決于公共阻抗幅值。

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

在變電站中由于公共接地網(wǎng)的存在，在發(fā)生雷擊、系統(tǒng)短路故障時(shí)與接地網(wǎng)相連的二次設(shè)備以及電纜上也會(huì)出現(xiàn)干擾電壓，且隨著接地電阻的增大而增大。

2.2 電容性耦合

干擾源與被干擾源電路之間存在著電容通路，干擾源和二次系統(tǒng)兩者之間的分布電容是干擾入侵的主要通路。圖4為兩電路間電容性耦合模型。其中電路1上的電壓U1為干擾源電壓，電路2為受影響的電路即敏感電路。R為電路2與地之間的電阻，電路1、2各自對地的分布電容分別為C1g、C2g，電路1、2 之間的分布電容為C12。

圖4 兩電路間電容性耦合模型Fig.4 Capacitive coupling model between two circuits

因此當(dāng)敏感電路的電阻值較小時(shí)，電容性耦合可以用連接在敏感電路與地之間的一個(gè)幅值為In=jωC12U1的電流源來模擬。

電路間的分布電容C12和兩電路間的距離有關(guān)，干擾源與敏感設(shè)備間的距離越短，C12越大，電容性耦合就越嚴(yán)重。在變電站中當(dāng)回路中存在耦合電容器、電容式電壓互感器等電容性設(shè)備時(shí)，干擾回路的暫態(tài)電壓更容易通過電容性耦合方式對二次系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

2.3 電感性耦合

電感性耦合是由于兩電路之間存在著互感而產(chǎn)生的，一個(gè)電路中電流的改變引起磁交鏈而耦合到另一電路。變電站中除了發(fā)生事故時(shí)一次回路中會(huì)產(chǎn)生大電流，開關(guān)操作也會(huì)產(chǎn)生多次的重燃弧，在線路上產(chǎn)生脈沖電流，對二次系統(tǒng)造成干擾。

圖5為電感性耦合模型示意圖，當(dāng)電路1中存在電流I1時(shí)，會(huì)在電路2 中產(chǎn)生磁通，使電路1、2 之間存在互感M12。

圖5 兩電路間電感性耦合模型Fig.5 Inductive coupling model between two wires

電路1 中的干擾電流I1在電路2 中產(chǎn)生的干擾電壓Un為：

由式（4）可知，在干擾源幅值和頻率不變的情況下，可以通過減小兩電路間互感M12來減小在敏感設(shè)備中產(chǎn)生干擾電壓，具體可以采用調(diào)整兩電路的方向位置、減小敏感設(shè)備面積的方式來抑制干擾電壓［18］。

2.4 輻射耦合

干擾源產(chǎn)生的干擾能量以電磁波的形式通過空間耦合到二次敏感設(shè)備的耦合方式即為輻射耦合干擾。電磁輻射耦合的路徑具體可以分為以下4 種：天線與天線間的耦合、電磁場對閉合回路的耦合、電磁場通過孔縫的耦合、電磁場對線的感應(yīng)耦合。

輻射耦合干擾可以分為遠(yuǎn)場輻射耦合和近場輻射耦合。與干擾源的距離r<<λ/2π 的空間區(qū)域?yàn)榻鼒鰠^(qū)，λ為波長，此區(qū)域內(nèi)電磁場的性質(zhì)與靜電場和恒定磁場的性質(zhì)基本相似。與干擾源的距離r>>λ/2π的空間區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)輻射耦合干擾以天線的形式進(jìn)行［19-21］。

3 變電站電磁耦合機(jī)理分析

對于某一臺(tái)二次設(shè)備，在研究其電磁干擾耦合機(jī)理時(shí)需要考慮的區(qū)域包括設(shè)備周圍空間、設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)子空間、設(shè)備孔縫、連接設(shè)備以及設(shè)備內(nèi)部的電纜等［22］。變電站某一個(gè)二次設(shè)備的電磁耦合路徑示意圖如圖6 所示。對于這個(gè)二次設(shè)備，外界電磁干擾可以通過輻射耦合、感應(yīng)耦合、傳導(dǎo)耦合方式進(jìn)入到敏感電路，設(shè)備不同區(qū)域之間通過電纜或孔縫建立聯(lián)系。

圖6 二次設(shè)備的電磁耦合路徑示意圖Fig.6 Schematic diagram of electromagnetic coupling path of secondary equipment

在變電站中電磁干擾源多、二次設(shè)備多，干擾源對二次系統(tǒng)的耦合是十分復(fù)雜的。針對這樣龐大的系統(tǒng)要給出完整的耦合路徑將會(huì)非常復(fù)雜。根據(jù)圖2中給出的變電站中常見電磁干擾源，可以列出其與二次回路的耦合對應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。

圖7 變電站中的電磁騷擾源與二次系統(tǒng)的耦合對應(yīng)關(guān)系Fig.7 Coupling relationship between electromagnetic disturbance sources and secondary circuit in a substation

由圖7 可知變電站在發(fā)生雷擊、系統(tǒng)短路或者進(jìn)行開關(guān)操作的時(shí)候會(huì)在大地和線路中產(chǎn)生過電壓和瞬態(tài)電流，并會(huì)向周圍輻射電磁場。電磁干擾會(huì)通過多種方式、路徑耦合到二次系統(tǒng)中，這些耦合路徑包括空間、母線、TA、TV、電纜、二次設(shè)備線纜等。同時(shí)射頻設(shè)備也會(huì)通過輻射耦合對二次設(shè)備產(chǎn)生一定的干擾。

以感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的電磁干擾為例對干擾源與二次設(shè)備之間的電磁耦合機(jī)理進(jìn)行分析。雷電流通過避雷器引入大地，進(jìn)而通過周圍土壤和變電站接地網(wǎng)向外擴(kuò)散，造成地電位變化，會(huì)對與接地網(wǎng)相連的設(shè)備產(chǎn)生影響。同時(shí)發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流會(huì)在周圍產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場并通過輻射耦合方式穿過變電站控制室墻壁和設(shè)備外殼進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，對其工作產(chǎn)生影響。

4 抗干擾措施

為了提高變電站內(nèi)二次設(shè)備的抗電磁干擾性能，應(yīng)從電磁干擾三要素出發(fā)，首先需要明確干擾源，減少干擾源產(chǎn)生干擾能量的幅值和頻率。其次需要切斷干擾源和二次系統(tǒng)之間的耦合路徑，最后采取各種抑制電磁干擾的方法來降低二次設(shè)備本身的電磁敏感性。由于變電站是個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，在一次系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下必定會(huì)向外傳輸電磁干擾能量，因此采用合適防護(hù)和抑制措施來切斷電磁耦合路徑是十分重要的?？梢圆扇∑帘胃綦x、濾波、接地等方式來減小干擾源對二次系統(tǒng)的電磁干擾。

4.1 屏蔽

在變電站中可以選用由高導(dǎo)電性金屬材料制成的屏蔽機(jī)殼對二次設(shè)備進(jìn)行屏蔽和隔離，機(jī)殼起到電磁屏蔽罩的作用，金屬屏蔽機(jī)殼必須有效接地。圖8 為二次設(shè)備具有屏蔽體時(shí)兩電路間電磁耦合模型。

圖8具有屏蔽體時(shí)兩電路間電磁耦合模型Fig.8 Electromagnetic coupling model between two circuits with shield

沒有屏蔽機(jī)殼時(shí)，干擾源U1在電路2 上感應(yīng)出的干擾電壓Un為：

二次設(shè)備具有屏蔽機(jī)殼時(shí)，干擾源U1在電路2 上產(chǎn)生的干擾電壓Un為：

式（5）、式（6）中，C12為干擾源與被干擾設(shè)備之間的分布電容，C2S為被干擾設(shè)備與其屏蔽體之間的互容，C2g為被干擾設(shè)備對地的分布電容。由于C12很小，且有C12<

因此在變電站中可以對電磁干擾源、敏感設(shè)備加裝屏蔽套來有效地減少電磁干擾，必要時(shí)可以采用雙層屏蔽的方式來進(jìn)一步減少電磁干擾帶來的影響［23-25］。

4.2 接地

對變電站中一次、二次系統(tǒng)進(jìn)行合理的接地可以對電磁干擾起到一定的抑制作用。

對變電站內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行接地可以從源頭上減少電磁干擾。在對一次系統(tǒng)進(jìn)行接地時(shí)，對于引入瞬態(tài)大電流的區(qū)域，如開關(guān)場、避雷器接入地點(diǎn)等位置需多鋪設(shè)接地線，起到降低由瞬態(tài)大電流引起的地網(wǎng)中的瞬變電位升高和地網(wǎng)中各點(diǎn)瞬變電位差的作用，從而降低輻射出的電磁干擾能量。

從安全方面和抗干擾性能考慮，需要對二次設(shè)備的外部金屬機(jī)殼和內(nèi)部電路屏蔽機(jī)殼有效接地。其次，對于設(shè)備內(nèi)部的電路部分，需要進(jìn)行工作接地，起到抑制地環(huán)流引起的電磁干擾，防止靜電累積。設(shè)備存在多級PCB板時(shí)，需要遵循一點(diǎn)接地的原則，即將地線連在一塊同時(shí)接入接地網(wǎng)，電路板內(nèi)各點(diǎn)和接地線對金屬機(jī)殼的電位同時(shí)變化，接地線起到電壓基準(zhǔn)的作用［26］。

4.3 濾波

選擇合適的抗電磁濾波器可以有效濾除不需要的頻帶干擾。變電站內(nèi)常用的濾波器種類有電感濾波器、電容濾波器和RC 濾波器3 種。一般將RC 濾波器加在交流采樣的小電壓互感器和小電流互感器的二次側(cè)上，如避雷器在線監(jiān)測裝置的穿心式電流傳感器，可以起到濾去高頻干擾信號的作用。

5 結(jié)語

本文分析了變電站中常見的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)電磁干擾源，并從傳導(dǎo)耦合、感應(yīng)耦合、輻射耦合3 個(gè)方面對電磁耦合方式進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上給出了變電站內(nèi)二次設(shè)備的耦合路徑并建立了變電站中電磁騷擾源與二次系統(tǒng)的整體耦合對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)電磁耦合機(jī)理提出了變電站二次設(shè)備抗干擾措施，采取屏蔽隔離、接地、濾波等措施可以有效切斷電磁干擾耦合路徑，減少設(shè)備受到的干擾，優(yōu)化二次設(shè)備的工作環(huán)境。

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