智能變電站電子式互感器電磁干擾分析

趙 鵬，趙明敏，林珊珊，楊志超

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

隨著電網(wǎng)智能化的普及，智能電子設(shè)備的應(yīng)用規(guī)模大幅上升。智能變電站中的電子式互感器、智能組件、狀態(tài)監(jiān)測等智能電子裝置開始大量應(yīng)用。智能電氣設(shè)備的優(yōu)勢已經(jīng)在理論上得到驗證。然而，智能變電站內(nèi)強電設(shè)備和弱電設(shè)備并存的事實導(dǎo)致了其電磁兼容的復(fù)雜性。布置于高壓裝置旁的智能電器設(shè)備的可靠性會大大降低。智能電子設(shè)備在現(xiàn)場運行中的可靠性，已成為制約智能變電站發(fā)展的瓶頸之一[1-3]。

變電站現(xiàn)場運行時會遇到各種各樣的電磁騷擾。隨著輸電電壓等級的提高，電磁騷擾問題會更加嚴重。以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的智能電氣設(shè)備對電磁騷擾的敏感度越來越強。因此，如何在變電站有限的空間內(nèi)，保證智能電氣設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的可靠性，已成為電力工業(yè)界研究的重點[4]。

為了研究變電站的實際工況環(huán)境，本文以有源電子式電流互感器為例，對其所處安裝位置的電磁環(huán)境進行測量、分析、評估，以混合干擾的形式提出了一種智能電氣設(shè)備的電磁抗擾性能測試方法。

1 電子式互感器技術(shù)及其背景

互感器是電力系統(tǒng)中進行電能計量、測量、控制、保護等的重要設(shè)備，是電力系統(tǒng)中必不可少的核心設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行密切相關(guān)。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)傳輸容量不斷增大，電網(wǎng)運行電壓等級越來越高。傳統(tǒng)的電磁式電力互感器已越來越不適應(yīng)這種發(fā)展情況，在運行中暴露出絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易飽和、輸出受二次側(cè)負載影響等缺點。電子式互感器采集卡監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 電子式互感器采集卡監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成圖

與傳統(tǒng)電磁式互感器相比，電子式互感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻帶響應(yīng)寬、無飽和現(xiàn)象、無油化結(jié)構(gòu)、絕緣可靠等諸多優(yōu)點，因而更能順應(yīng)電網(wǎng)智能化的發(fā)展[5]。但相對于傳統(tǒng)電磁式互感器近一個世紀的運行實踐經(jīng)驗而言，電子式互感器還只是一個新生事物，其可靠性分析、連續(xù)運行數(shù)據(jù)分析以及電磁兼容等方面仍有待深入研究[6-7]。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多個智能變電站應(yīng)用了電子式互感器。國家電網(wǎng)公司110 kV以上電壓等級的智能變電站有部分采用了電子式互感器[8]。但電子式互感器新增了數(shù)字采集電路和通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在具有諸多技術(shù)優(yōu)勢的同時，與一次設(shè)備的近距離安裝也會引發(fā)傳統(tǒng)互感器的新問題[9]。工程實施結(jié)果表明，電子式互感器的穩(wěn)定性和可靠性還有待進一步改進和提高。導(dǎo)致這些新問題的主要原因是傳統(tǒng)可靠性判別方法對新電氣設(shè)備存在認識誤區(qū)，導(dǎo)致技術(shù)措施的缺失[10]。

國內(nèi)外學(xué)者也注意到了電子式互感器采集卡的可靠性問題。有學(xué)者從變電站干擾源入手，研究暫態(tài)地電位升的暫態(tài)特性及其抑制方法[11-12]。文獻[13]研究了羅氏線圈的暫態(tài)高頻模型，通過分布參數(shù)仿真和實測信號波形的對比，驗證了分布參數(shù)模型對羅氏線圈的模擬；文獻[14]和文獻[15]分別從中值濾波算法和基波相位同步算法的角度，對采集卡的輸出波形進行優(yōu)化；文獻[16]設(shè)計了電磁兼容試驗。目前，困擾電子式互感器采集卡可靠性的典型問題有屏蔽接地、抗干擾和自身電磁發(fā)射。同時，溫濕度[17]、震動及外部穩(wěn)態(tài)磁場等因素也會影響內(nèi)部積分器的穩(wěn)定、可靠運行。綜上所述，本文將對強電磁干擾環(huán)境下的電子式互感器采集卡的電磁兼容性能展開研究。

2 變電站的現(xiàn)場的電磁環(huán)境測試

為了解變電站中電磁環(huán)境的惡劣程度，在某500 kV智能變電站進行了暫態(tài)電磁環(huán)境測試。考慮到探頭系數(shù)，空間暫態(tài)電場的峰峰值約為5 kV/m，互感器的暫態(tài)地電位升峰值約為5.5 kV。 某500 kV變電站開關(guān)動作測試波形如圖2所示。

同樣地，某220 kV變電站開關(guān)動作測試波形如圖3所示。暫態(tài)電流峰峰值為20 A，暫態(tài)電壓峰峰值約為1.6 kV，在100 μs以內(nèi)出現(xiàn)了三次暫態(tài)尖峰。

通過測試可以看出，在變電站常規(guī)的開關(guān)動作時，產(chǎn)生了數(shù)kV的暫態(tài)地電位升和數(shù)kV/m的暫態(tài)電場；而互感器采集卡恰恰布置在一次側(cè)附近，所受到的電磁環(huán)境極度惡劣[18]。對于空間輻射干擾來說，GB/T 17626.3的穩(wěn)態(tài)試驗標(biāo)準最大電場強度為10 V/m，但實際上并不能體現(xiàn)開關(guān)動作時的電場暫態(tài)干擾特性。變電站中隔離開關(guān)操作時，斷口拉弧在附近產(chǎn)生的電場強度峰值可達數(shù)kV/m。這樣劇烈的瞬態(tài)電磁干擾，GB/T 17626.x標(biāo)準還未涵蓋。這也超出了人們的慣性思維[19]。因此，本文提出了一種新的標(biāo)準化混合干擾測試方法，以模擬變電站惡劣且復(fù)雜的電磁環(huán)境；同時，通過與常規(guī)標(biāo)準化抗擾度測試作對比，突出標(biāo)準化混合干擾對電子式互感器采集卡的影響。

圖3 某220 kV變電站開關(guān)動作測試波形

3 標(biāo)準化抗擾測試

變電站內(nèi)有諸多電磁干擾。干擾源大體可分為:高壓開關(guān)操作、雷擊、系統(tǒng)短路故障、感應(yīng)電磁場等[20]。電子式電流互感器所適用的國家標(biāo)準GB/T 17626.1[21]，明確列出了電子式互感器的電磁抗擾度要求。部分電磁抗擾度標(biāo)準如表1所示。

表1 部分電磁抗擾度標(biāo)準

但這些標(biāo)準僅適用于傳統(tǒng)的電磁式互感器和相關(guān)二次設(shè)備。安裝在變電站氣體絕緣變電站中一次側(cè)設(shè)備附近的電子式互感器，直接運行在高壓設(shè)備本體附近，工作場中的電磁干擾強度遠遠超過其他任何電子裝置。以上標(biāo)準列表中尚缺乏針對這種特有工況的標(biāo)準或者條款。

本文以中國電力科學(xué)研究院的試驗條件作為支撐[22]，對互感器采集卡影響較為嚴重的暫態(tài)脈沖群、阻尼振蕩波、浪涌、射頻抗擾進行標(biāo)準測試。試驗室標(biāo)準化傳導(dǎo)抗擾測試布置如圖4所示。

圖4 試驗室標(biāo)準化傳導(dǎo)抗擾測試布置示意圖

由于測試輸出量為工頻50 Hz正弦波，但以s為時間尺度輸出波形較為密集，難以看出工頻的特征。受到干擾的輸出波形如圖5所示。

圖5 受到干擾的輸出波形

由于受到的電磁干擾為毫秒級別，采集卡的輸出波形往往在秒級才可判斷受擾程度。采集卡的測試輸出波形數(shù)量繁多且幅域?qū)挿?，若干輸出結(jié)果堆疊在同一個表格中會顯得擁擠雜亂。包絡(luò)可以簡化輸出波形，同時反映采集卡受擾后的輸出特性。為了便于讀者理解，下文均以采集卡輸出波形的上包絡(luò)形式來表示采集卡的受擾程度?；ジ衅鞑杉ㄊ艿缴漕l干擾的輸出波形如圖6所示。

圖6 互感器采集卡受到射頻干擾的輸出波形

本文采用包絡(luò)的方法，僅評價互感器采集卡的輸出波形在宏觀上的受擾程度，而不拘束于每個工頻正弦波的表現(xiàn)。射頻干擾影響下的輸出結(jié)果可以直接簡化為一條曲線，代表在不同頻段下互感器采集卡的射頻受擾程度。

從圖6可以看出，在190 MHz和250 MHz附近的頻段下，互感器采集卡受到了干擾的影響。由于從80 MHz～1 GHz掃頻耗時長，且250 MHz頻段附近受到的干擾較大，因此后文射頻干擾均以250 MHz的頻率為干擾源進行測試。

在單一項穩(wěn)態(tài)30 V/m的射頻干擾強度下，電子式互感器采集卡的輸出波形并沒有受到很大的影響，且采集卡輸出的包絡(luò)線正向幅值大約為110 A。但通過變電站實測的3.5 kV/m瞬態(tài)電場強度可知，現(xiàn)有的國家標(biāo)準尚未完全體現(xiàn)變電站現(xiàn)場環(huán)境的惡劣狀況。

互感器采集卡受到浪涌的輸出波形包絡(luò)如圖7所示。對于高能低頻的浪涌，高能量確實會影響采集卡的輸出波形異常，造成畸變；但采集卡輸出波形的包絡(luò)畸變無論是幅值還是頻率都沒有高頻干擾的畸變明顯。因此，下文的混合干擾主要以高頻干擾源為主，模擬變電站的惡劣電磁環(huán)境，檢測互感器采集卡的電磁敏感度和可靠性。

圖7 互感器采集卡受到浪涌的輸出波形包絡(luò)

分別對互感器采集卡施加5 kHz和100 kHz的暫態(tài)脈沖群，干擾強度為2～4 kV?；ジ衅鞑杉ㄊ┘訒簯B(tài)脈沖群后的輸出波形包絡(luò)如圖8所示。暫態(tài)脈沖群的發(fā)射周期為300 ms，因此每隔300 ms，采集卡的輸出波形整體都會出現(xiàn)正極性畸變。無論是畸變波形的偏移量，還是畸變尖峰幅值，100 kV比5 kHz的畸變波形更嚴重。

同樣的測試布置條件，繼續(xù)進行標(biāo)準化的阻尼振蕩波測試。1 MHz的阻尼振蕩波輸出波形包絡(luò)如圖9所示。將500 V強度的1 MHz阻尼振蕩波施加在電子式互感器采集卡上時，輸出波形幾乎沒有受到影響。但隨著電壓等級的提高，在施加1～2 kV的1 MHz阻尼振蕩波時，互感器采集卡的輸出波形會依據(jù)阻尼振蕩波的發(fā)射周期而整體正方向偏移。偏移程度隨著阻尼振蕩波波形強度而增加。但當(dāng)受到2.5 kV和3 kV的1 MHz阻尼振蕩波干擾時，互感器采集卡的輸出波形的偏移程度并未明顯增加，但采集卡輸出的瞬態(tài)尖峰較其他電壓等級的干擾增大較多。

圖8 互感器采集卡施加暫態(tài)脈沖群后的輸出波形包絡(luò)

圖9 1 MHz阻尼振蕩波的輸出波形包絡(luò)

相比于高頻低能的暫態(tài)脈沖群，對互感器采集卡施加高頻高能的阻尼振蕩波，采集卡所輸出的波形有劇烈的畸變。這就說明阻尼振蕩波對互感器采集卡的穩(wěn)定性的影響要比暫態(tài)脈沖群更大。

采集卡受到100 kHz阻尼振蕩波的互感器輸出波形包絡(luò)如圖10所示。

當(dāng)互感器采集卡受到100 kHz的阻尼振蕩波時，采集卡輸出波形包絡(luò)比1 MHz的畸變更加明顯，如圖10(a)所示。相較于500 V電壓等級的1 MHz阻尼振蕩波的近乎直線，受到500 V電壓等級的100 kHz阻尼振蕩波的畸變程度更為劇烈，出現(xiàn)輸出整體偏移的同時也會出現(xiàn)畸變尖峰。隨著受擾程度愈來愈大，畸變尖峰和偏移程度也隨之增加。圖10(b)是受到2～3 kV的100 kHz阻尼振蕩波時，經(jīng)過上包絡(luò)處理的采集卡輸出波形。出現(xiàn)的畸變尖峰隨著阻尼振蕩波受擾電壓等級的提高而變大，其輸出波形的偏移程度也隨之增加。

圖10 采集卡互感器受到100 kHz阻尼振蕩波的輸出波形包絡(luò)

綜上可知，100 kHz是電子式互感器采集卡的敏感頻段，尤其是遇到阻尼振蕩波這種高能高頻干擾信號，使得互感器采集卡受到此頻點附近的干擾信號極易失效。下文的混合干擾測試主要以對互感器采集卡影響較大的阻尼振蕩波作為研究對象，同時以暫態(tài)脈沖群作為參照進行對比。

4 混合干擾

上文已經(jīng)分析了經(jīng)過標(biāo)準化抗擾度測試的互感器采集卡輸出響應(yīng)。當(dāng)前的國內(nèi)電磁兼容抗擾度標(biāo)準已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)有的電壓等級標(biāo)準。因此，本文提出了混合干擾的概念，考核在智能變電站一次側(cè)設(shè)備周邊布置的電子式互感器采集卡[23]，以檢驗變電站在極端電磁環(huán)境下互感器采集卡的抗擾度性能。

4.1 射頻抗擾與暫態(tài)脈沖群共同作用

相較于單獨施加暫態(tài)脈沖群干擾的情況，與射頻電磁場共同作用下的5 kHz或100 kHz暫態(tài)脈沖群干擾并不明顯，且100 kHz的暫態(tài)脈沖群整體受擾程度大于5 kHz的暫態(tài)脈沖群的受擾程度；甚至在同樣的縱坐標(biāo)尺度下(50～200 A)，混合干擾作用下的采集卡輸出畸變，要比單一干擾下的采集卡輸出畸變更小。

暫態(tài)脈沖群和射頻電磁場共同施加作用的輸出包絡(luò)如圖11所示。

圖11 暫態(tài)脈沖群和射頻電磁場共同作用的輸出包絡(luò)

4.2 射頻抗擾與暫態(tài)脈沖群共同作用

阻尼振蕩波和射頻電磁場共同作用的輸出包絡(luò)如圖12所示。

圖12 阻尼振蕩波和射頻電磁場共同作用的輸出包絡(luò)

當(dāng)1 MHz的阻尼振蕩波和射頻干擾共同作用時，采集卡的輸出波形較單一阻尼振蕩波干擾時沒有明顯的畸變，混合受擾程度也與單一干擾相類似。但當(dāng)100 kHz的阻尼振蕩波和射頻干擾共同作用在采集卡時，如圖12(b)所示，輸出的畸變尖峰反而減小。尤其是2 kV以上的采集卡輸出，不如100 kHz阻尼振蕩波干擾單獨施加在采集卡的輸出波形畸變嚴重。

當(dāng)射頻干擾與暫態(tài)脈沖群和阻尼振蕩波共同疊加在采集卡時，互感器采集卡受擾程度幾乎不受空間輻射射頻干擾的影響，由此體現(xiàn)傳導(dǎo)方面阻尼振蕩波和暫態(tài)脈沖群的受擾特征。同時，射頻干擾與高頻傳導(dǎo)干擾(阻尼振蕩波、暫態(tài)脈沖群)共同施加在互感器采集卡上時，反而會抑制高頻傳導(dǎo)信號，采集卡輸出波形的畸變程度較單一干擾下輸出波形的畸變程度有所減小。

4.3 阻尼振蕩波與暫態(tài)脈沖群共同作用

阻尼振蕩(damped oscillation,DO)和2 kV電快速瞬間(electrical foot transient,EFT)施加在采集卡上的輸出包絡(luò)如圖13所示。

圖13 DO和2 kV EFT施加在采集卡上的輸出包絡(luò)

將圖13與圖10相比，發(fā)現(xiàn)圖13中采集卡的受擾程度較單一100 kHz阻尼振蕩波的受擾程度更加嚴重，說明了施加2 kV的100 kHz暫態(tài)脈沖群會降低采集卡的可靠性。

相較于圖13(a)，圖14(a)中3 kV的暫態(tài)脈沖群施加在互感器采集卡后的輸出特征更加明顯，所呈線的“鋸齒波”峰值更高，同時輸出波形發(fā)生更加嚴重的偏移。隨著阻尼振蕩波(500～1 500 V)電壓的提高，整體偏移程度更加明顯。但當(dāng)阻尼振蕩波繼續(xù)增加到2 kV時，采集卡輸出波形出現(xiàn)了明顯的畸變尖峰，且尖峰的數(shù)量和幅值隨著阻尼振蕩波的增加而增加。

DO和3 kV EFT施加在采集卡上的輸出包絡(luò)如圖14所示。

DO和100 kHz 4 kV EFT施加在采集卡上的輸出包括如圖15所示。

圖15 DO和100 kHz 4 kV EFT施加在采集卡上的輸出包絡(luò)

相較于圖14(a)，圖15(a)中4 kV的暫態(tài)脈沖群施加在互感器采集卡后的輸出特征最為明顯，所呈線的“鋸齒波”峰值達到最高，而且隨著阻尼振蕩波從500～1 500 V的提高，整體偏移程度明顯。但當(dāng)阻尼振蕩波繼續(xù)增加到2 kV時，采集卡輸出波形出現(xiàn)了明顯的畸變尖峰，且尖峰的數(shù)量和幅值隨著阻尼振蕩波的增加而增加。

5 結(jié)論

在智能變電站二次側(cè)設(shè)備受到干擾日益嚴峻的情況下，通過對現(xiàn)場隔離開關(guān)動作時產(chǎn)生的暫態(tài)電壓和電流的實測，確認了布置在一次側(cè)附近的互感器采集卡的電磁環(huán)境極為惡劣。根據(jù)現(xiàn)有的國家標(biāo)準，本文在試驗室條件下對互感器采集卡的抗擾度進行了標(biāo)準化測試，發(fā)現(xiàn)100 kHz的高頻傳導(dǎo)干擾是互感器采集卡容易受擾的頻點。

為了模擬變電站的惡劣電磁環(huán)境，設(shè)計了關(guān)于暫態(tài)脈沖群和阻尼振蕩波的混合干擾試驗。經(jīng)過混合干擾的實測，發(fā)現(xiàn)混合干擾會使得采集卡的抗擾度降低。當(dāng)施加100 kHz的暫態(tài)脈沖群時，如果施加超過2 kV的100 kHz阻尼振蕩波，采集卡的輸出波形極易出現(xiàn)畸變；同時，100 kHz的暫態(tài)脈沖群會加劇這種現(xiàn)象，使互感器采集卡的電磁韌性進一步降低。因此，需要對100 kHz頻點的傳導(dǎo)干擾進行抑制。本文提出的混合干擾試驗是對國家標(biāo)準的良好補充，但關(guān)于測試形式和電壓等級還需要進一步的探討。