朱晨光，徐銘輝，華爭祥，胡 可

(平高集團有限公司 技術中心，河南平頂山467000)

基于小波變換的開關柜電磁干擾分析

朱晨光，徐銘輝，華爭祥，胡 可

(平高集團有限公司 技術中心，河南平頂山467000)

開關設備運行過程中產生的暫態(tài)電磁干擾對二次電子裝置的穩(wěn)定運行有重要的影響。針對目前開關柜電磁干擾信號特征不明確，二次回路抗干擾能力不足的問題，提出了一種利用合成試驗回路和光柵隔離采集系統(tǒng)進行不同運行環(huán)境下電磁干擾信號采集，利用db小波分析方法對干擾信號進行數學處理并提取出暫態(tài)電磁干擾的主要頻帶及能量分布的方法。研究表明：隨著斷路器開斷電流數值的提升，由開斷造成的電磁干擾呈現逐漸增強的態(tài)勢，干擾電磁波頻段為d4小波和d5小波所在的7.812 5～31.25MHz頻段。為下一步研究暫態(tài)電磁干擾抑制方法，提升二次電子裝置的電磁抗干擾水平打下了基礎。

小波分析；暫態(tài)電磁干擾；能量特征

0 引言

10 kV開關柜是變電站或配電所面向用戶供電的一級配電成套設備，在中壓配電系統(tǒng)中用量巨大。隨著電網容量的不斷提升和用戶對供電可靠性的不斷提高，10 kV開關柜的安全穩(wěn)定運行越發(fā)受到電力運維部門的重視。

早期的電力系統(tǒng)主要以一次開關設備為主，二次設備集成度低，電磁干擾的影響不明顯。隨著智能電網的建設與發(fā)展，二次設備的功能集成化、控制智能化增加了10 kV開關柜對電磁干擾的敏感性和脆弱性。由于開關操作、運行方式的改變等因素引起的瞬態(tài)電磁劇烈變化現象會波及周圍的開關設備，產生的電磁干擾會通過導線傳導方式耦合到二次裝置的信號回路中，影響二次裝置的穩(wěn)定運行，甚至會發(fā)生安全事故[1]。

目前常用的信號分析方法主要有兩種：傅里葉變換信號分析法和小波變換信號分析法。傅里葉變換是將信號分解成一系列不同頻率正弦波的疊加，能夠將時域特性轉變?yōu)轭l域特性，能夠較好地反映周期信號的全局特征，但對信號局部特征的分析能力較弱。小波分析是將信號分解為一些列小波函數的疊加，在時域和頻域同時具有良好的局部化精度，可同時在時域和頻域中對信號進行多尺度聯合分析，適合于分析非穩(wěn)定性的暫態(tài)信號。

開關柜斷路器開斷過程迅速，時間短暫，電磁干擾信號暫態(tài)特征明顯，采用小波變換信號分析方法能夠彌補傅里葉變換在時域、頻域分辨率上的不足。本文通過合成試驗回路和光柵隔離采集系統(tǒng)，模擬10 kV開關柜在不同運行環(huán)境下的開斷過程并進行二次側信號采集，采用db小波分析方法對二次側信號進行分析處理，從而查找分析由開斷產生的電磁干擾信號主要頻帶及能量分布。

1 開關操作時電磁干擾機理分析

斷路器在瞬態(tài)開斷過程中會產生很高的電壓或電流變化率，這都將會通過線路中的寄生電感和電容造成很大的干擾。這些干擾會耦合到二次側引起二次側過電壓或過電流，從而使二次側保護設備誤動甚至破壞設備。

斷路器開斷等效模型見圖1 所示。

圖1 斷路器開斷等效模型

當開關打開的瞬間，斷開的母線側由于在其雜散電容中已經儲存了能量Q,所以母線側電壓將保持在恒定的電壓水平：

觸頭另一側的電位就是饋線端的正弦交流電壓，觸頭兩側電位差的逐漸增大也使得觸頭間電場強度增大，最終達到絕緣介質的擊穿場強從而電弧重燃。當斷路器切斷負荷尤其是感性負荷時會由于電流的突變而產生過電壓，這個過電壓會加在斷路器斷口兩端，當絕緣強度沒有完全恢復的時候就有可能使斷口間隙再次被擊穿，產生多次重燃。每一次的電弧重燃都會由于高壓線路中的電容和電感而引入一個高頻的阻尼正弦電流，由于高壓回路中存在電容和電感，造成一系列的阻尼正弦振蕩的疊加。這樣使得幅值為工頻的電流頻率將達數百千赫茲到幾兆赫茲，形成暫態(tài)電磁干擾源[2]。

2 開關柜電磁干擾信號測量

2.1 合成試驗回路

合成試驗回路是根據斷路器在開斷過程中大電流和高電壓不同時出現在燃弧間隙上這一特點，采用兩個電源來分別提供流過被試斷路器的電流和作用于斷路器兩端的恢復電壓的試驗方法。本文中10 kV開關柜額定參數為額定參數為：50 Hz/2 000A,額定短路開斷電流為31.5 kA。選擇在110 kV/63 kA振蕩電路型合成試驗回路中開展實驗。110 kV/63 kA振蕩電路型合成試驗回路電流回路輸出短路電流值可達63 kA，開斷方式為單相開斷，完全能夠滿足10 kV開關柜的開斷要求。合成試驗回路原理圖見圖2所示。

圖2 合成試驗回路原理圖

2.2 信號測量系統(tǒng)

由于二次側信號幅值小，高頻成份復雜，為了獲得良好的試驗結果，采用光柵隔離系統(tǒng)，對二次側電流信號采用霍爾傳感器進行測量。測量系統(tǒng)示意圖見圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)示意圖

2.3 二次側信號測量

10 kV開關柜斷路器開斷所產生的電磁干擾主要可分為輻射干擾和傳導耦合干擾。由于斷路器位于金屬封閉隔室內，開斷造成的輻射干擾受金屬腔體屏障限制，對外輻射干擾基本可忽略不計。電磁信號傳導路徑主要是通過與主回路互相耦合的電流互感器侵入二次電流信號回路，文中針對電流互感器二次側回路信號進行測量和采集。信號采樣頻率為500 MHz，最大采樣率為2.5 GSa/s，采樣時間為20 ms，即一個完整波形周期。

測量環(huán)境一：模擬開關柜在額定參數下工作，由輔助斷路器進行開斷，設定電流源電流峰值為2 kA，恢復電壓幅值為10 kV。在該環(huán)境下，測量電流互感器二次側信號回路的輸出信號，作為正常工作下的信號波形，在電源投入回路的前5 ms開始測量。利用Matlab對采集到的正常工作波形數據進行時域變換分析，波形圖見圖4所示。

圖4 測量環(huán)境一輸出電流時域波形

測量環(huán)境二：模擬開關柜在額定參數下開斷，由開關柜斷路器進行開斷，設定電流源電流峰值為2 kA，恢復電壓幅值為10 kV。在該環(huán)境下，測量電流互感器二次側信號回路的輸出信號，作為額定開斷下的信號波形，在電源投入回路的前5 ms開始測量。利用Matlab對采集到的正常工作波形數據進行時域變換分析，波形圖見圖5所示。

圖5 測量環(huán)境二輸出電流時域波形

測量環(huán)境三：模擬開關柜在短路故障情況下開斷，由開關柜斷路器進行開斷，設定電流源電流峰值為31.5 kA，恢復電壓峰值為10 kV。在該環(huán)境下，測量電流互感器二次側信號回路的輸出信號，作為短路故障下的信號波形，在電源投入回路的前5ms開始測量。利用Matlab對采集到的短路狀態(tài)下的波形數據進行時域變換分析，波形圖見圖6所示。

圖6 測量環(huán)境三輸出電流時域波形

信號時域圖以開斷第一個半波的起始點作為零時，從時域圖看，在開斷的零時刻和7～13 ms區(qū)間存在明顯的電磁干擾，且干擾信號幅值較大。

在開斷零時刻，存在尖峰電磁雜波干擾。是由于在零時刻，電流源、電壓源依靠合閘斷路器引入合成試驗回路，合閘斷路器處于合閘狀態(tài)，合閘過程中，由于觸頭的接觸和抖動產生電氣間隙，引起電場強度的變化，產生瞬變電磁場，電磁信號耦合到測量系統(tǒng)進入采集系統(tǒng)。經時域圖得知，在零時刻產生的電磁干擾幅值均在100 mV上下，較為穩(wěn)定。由于斷路器的運動特性，該電磁干擾信號在實際試驗中是無法消除，因此在分析過程中暫不考慮。

7～13 ms區(qū)間，電流信號波形畸變嚴重，受電磁干擾程度較為劇烈。本文將針對此時域重點進行db小波變換分析。

3 db小波變換分析

3.1 小波變換原理

時間(空間)和頻率是表示信號特征的重要方式。小波變換是一種時間尺度分析方法，克服了短時傅里葉變換在單分辨率上的缺陷，具有多分辨率分析的特點，在時域和頻域都有表征信號局部信息的能力，時間窗和頻率窗都可以根據信號的具體形態(tài)動態(tài)調整。小波分析可以探測正常信號中的瞬態(tài)，并展示其頻率成分，廣泛應用于各個時頻分析領域[3]。

利用小波方法分析信號特征，小波函數的選擇直接影響分析結果的正確性。小波分解層數與時頻分析精度有關，分解層數越少，分析的速度就越快，但是頻帶分辨率也越低。分解層數越多，分析的速度就相對較慢，但是頻帶的分辨率也越高。考慮到暫態(tài)電磁干擾信號特性，經過嘗試，選用db5小波函數進行小波5層分解，得到6個頻段的重構小波分解系數。

3.2 db小波變換分析

選取測試環(huán)境一的7～13 ms的信號波形進行小波分析，利用小波函數db5進行6層小波分解，額定參數工作情況下電流波形小波重構高頻系數見圖7所示。

圖7 測試環(huán)境一小波重構高頻系數

選取測試環(huán)境二的7～13 ms的信號波形進行小波分析，利用小波函數db5進行6層小波分解，額定參數開斷情況下電流波形小波重構高頻系數見圖8所示。

圖8 測試環(huán)境二小波重構高頻系數

選取測試環(huán)境三的7～13 ms的信號波形進行小波分析，利用小波函數db5進行6層小波分解，短路開斷情況下電流波形小波重構高頻系數見圖9所示。

圖9 測試環(huán)境三小波重構高頻系數

6層小波分解重構后的頻率范圍見表1所示。

表1 小波分解重構后的頻帶范圍

通過6層分解重構后的小波系數，分別計算在三組測試環(huán)境下對應頻帶的能量特征向量。然后分別進行短路故障開斷情況下、額定參數開斷情況下與正常工作情況下的能量特征對比分析。能量特征值及能量變比系數見表2所示。

表2 不同環(huán)境下能量特征及變比系數

以不同測試環(huán)境作為橫軸，重構小波特征能量作為縱軸，繪制重構小波特征能量變化趨勢圖，見圖10所示。

圖10 特征能量變化勢圖

從圖10中可分析得出，在開關柜正常工作階段，6層重構小波能量特征E1值處于較小范圍；在額定開斷情況下，6層重構小波能量特征E2值有不同程度的上升，以d4小波15.625～31.25 MHz頻段、d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段上升較明顯；在短路開斷的情況下，6層重構小波能量特征E3值有較大程度的上升，以d3小波31.25～62.5 MHz頻段、d4小波15.625～31.25 MHz頻段、d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段上升較突出。其他頻帶重構小波能量特征升幅不明顯。

以不同測試環(huán)境下能量特征E1/E1、E2/E1、E3/E1作為橫軸，重構小波特征能量變比系數作為縱軸，繪制重構小波特征能量變比系數趨勢圖，見圖11所示。

圖11 特征能量變比系數趨勢圖

從表2和圖11可分析得出，在斷路器額定開斷情況下，d4小波15.625～31.25 MHz頻段能量是正常工作的11.365倍，d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段能量是正常工作的18.004倍，d6小波31.25～62.5 MHz頻段能量是正常工作的5.641倍；在斷路器短路開斷情況下，d4小波15.625～31.25 MHz頻段能量是正常工作的27.418倍，d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段能量是正常工作的48.465倍，能量增加較為顯著。其他頻帶重構小波能量特征變比系數增幅不顯著。

4 結論

(1)在電源投入合成試驗回路的零時刻，存在尖峰電磁雜波干擾。是由于外部合閘斷路器的投入，觸頭接觸抖動產生電氣間隙，引起電場強度的變化，產生瞬變電磁場，瞬變電磁場產生的干擾信號經主回路耦合到測量系統(tǒng)進入采集系統(tǒng)，該時刻產生的電磁干擾幅值較為穩(wěn)定，與試驗回路通流大小無明顯關系。

(2)在斷路器開斷過程中產生的暫態(tài)干擾電磁波能量和頻率分布較廣，隨著斷路器開斷電流數值的提升，由開斷造成的電磁干擾呈現逐漸增強的態(tài)勢，電磁干擾信號能量特征較正常工作有著較大倍數的擴大。由上述分析可得出，由10 kV斷路器開斷產生電弧所引起的主要暫態(tài)電磁干擾頻段為d4小波和d5小波所在的7.8125～31.25 MHz頻段。

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Analysis of Switchgear Electromagnetic Interference Based on Wavelet Analysis

Zhu Chenguang, Xu Minghui，Hua Zhengxiang，Hu Ke

(Technology Center of Pinggao Group CO.,LTD,Pingdingshan 467000, China)

Transient electromagnetic interference generated in the process of switch equipment running exerts a great influence on the stable operation of the secondary electronic device. To tackle such issues as the ambiguity of the switchgear electromagnetic interference signal characteristics and the inadequacy of secondary circuit noise immunity competence, the paper proposed a method of using synthetic test circuit and raster isolation acquisition system to collect electromagnetic interference signals under different operating environments, which was analyzed using wavelet to process interference signals mathematically and to extract the transient electromagnetic interference and the energy distribution of the main band. The results indicate that with the upgrading of the current value of the circuit, electromagnetic interference tend to increase gradually, the electromagnetic interference band being between d4 wavelet 31.25 MHz and d5 wavelet 7.8125 MHz. The study lays the foundation for further study of the transient electromagnetic interference mitigation methods to enhance the electromagnetic immunity level of secondary electronic devices.

wavelet analysis；transient electromagnetic interference；energy feature

2015-05-08。

朱晨光(1984-)，男，工程師，研究方向為中壓開關設備智能化及集成技術，E-mail：15103753309@126.com。

TM591

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.008