林珊珊，趙明敏，成睿琦，郭 震，孫紹哲，趙 鵬 ，楊志超

(1.中國電力科學研究院有限公司,北京 100192；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102200； 3.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；4.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044)

0 引言

近年來，隨著智能電網的大規(guī)模建設[1]，變電站內電子式互感器開始批量應用，互感器電壓采集單元在變電站復雜電磁環(huán)境下的可靠性問題凸顯，已成為制約智能電網發(fā)展的瓶頸之一[2]。變電站電磁環(huán)境復雜且嚴酷，變電站中的開關操作、雷擊、短路故障、交變磁場等都會同時對電壓采集單元產生影響[3-5]。

對于變電站中電子式互感器的抗電磁干擾性能，已有學者作了一些研究。馮利民等通過建立噪聲耦合近似模型，實現(xiàn)對電子式互感器干擾信息的定性分析研究，提出了對電子式互感器的干擾抑制方法[6]。白世軍等基于110 kV某智能化變電站投運中隔離開關在分合過程中電子式互感器采集單元工作異常導致保護誤動的現(xiàn)象，深入分析探討了導致采集卡工作異常的原因，并給出了提高地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)本體電子式互感器采集卡抗干擾能力的具體方案[7]。楊亞奇通過研究直擊雷和侵入波兩種形式對智能變電站內智能組件的影響建模分析及影響因素，得到了變電站內智能組件的抗擾度限值[8]。段顯壯通過分析電子式互感器的原理，提出了一種精度更高的印制電路板(printed circuit board,PCB)型羅氏線圈電子互感器，并對其抗擾性能進行了優(yōu)化研究[9]。

但是，考慮兩種以上干擾源同時作用于設備的抗擾度問題卻鮮有研究。無論是IEC還是國家電磁兼容標準，對電壓采集單元的測試均單獨進行各類抗擾度試驗。但學生試驗不能有效模擬變電站實際環(huán)境，不能滿足設備在變電站現(xiàn)場所需的抗擾度要求。例如：當變電站中存在雷擊導致的開關操作時，環(huán)境中同時存在多種電磁干擾，干擾源不唯一，可能存在射頻感應場耦合、阻尼振蕩波傳導耦合、電快速瞬變脈沖群傳導耦合、雷擊浪涌感應耦合，只對采集單元作單一類型抗擾度試驗顯然與實際情況相差較大。因此，電子式互感器電壓采集單元混合電磁干擾研究具有重要意義。該研究對提高互感器電壓采集單元電磁抗擾能力具有工程參考價值。

1 干擾源實測

變電站電磁環(huán)境復雜，電壓采集單元受到的電磁干擾主要來自開關操作、雷擊、短路故障等輻射電磁騷擾，以及各種電容電感裝置產生的傳導電磁騷擾。隔離開關與斷路器操作是變電站內電磁騷擾的典型形式。

為模擬斷路器操作期間變電站內采集單元所受的電磁干擾水平，在許繼集團的試驗場內搭建了模擬試驗平臺。試驗電路如圖1所示。

圖1 試驗電路圖Fig.1 Test circuit diagram

圖1中，高壓電源為工頻單相電源，電壓峰值可在30～65 kV變化。測點①為距斷路器1 m處，布置空間電磁場探頭；測點②為分壓器低壓側，布置電壓探頭；測點③和測點④分別模擬系統(tǒng)側地線和模擬負載側地線，布置電流探頭；測點⑤為電子式互感器直流電源負極側，測點⑥為電子式互感器信號線，布置電流探頭。

試驗分別測得了單相高壓電源65 kV時合閘情況下電子式互感器周圍暫態(tài)電磁場、電源線與信號線上騷擾電流。65 kV合閘時，采集單元電源線電流時域及頻域波形如圖2所示。其首個脈沖上升時間小于10 ns，電流幅值約為33 A，主要能量集中于2 MHz附近。

圖2 65 kV合閘時采集單元電源線電流時域及頻域波形Fig.2 Time domain and frequency domain waveform of power line current of acquisition unit when 65 kV is closed

65 kV合閘時，采集單元信號線電流時域及頻域波形如圖3所示。其首個脈沖上升時間小于10 ns，電流幅值約為78 A，主要能量集中于1 MHz附近。

在中國電科院與亞德諾半導體技術有限公司(analog device instrument，ADI)合作的電子式互感器采集單元抗擾性能項目研究中，ADI公司根據大量試驗數據將拉合刀閘測得的波形分解為IEC 61000標準波形。該分解方式為電子式互感器采集單元混合干擾試驗提供了參考。開關操作波形的首個脈沖能量低頻率高，因而可等效分解為電快速瞬變脈沖群與靜電放電波形。而較長時間尺度的脈沖信號呈現(xiàn)頻率降低但能量較高的特點，可等效分解為阻尼振蕩波與浪涌波形。同時，考慮到變電站環(huán)境中射頻場電磁騷擾的存在，將不同類型干擾混合施加于電壓采集單元，能夠更好地模擬實際情況、分析電壓采集單元的抗擾性能。

圖3 65 kV合閘時采集單元信號線電流時域及頻域波形Fig.3 Time domain and frequency domain waveform of signal line current of acquisition unit when 65 kV is closed

2 耦合機理分析

電磁騷擾的傳播途徑主要是指電磁騷擾信號由騷擾源傳播到敏感設備的耦合過程，一般分為傳導耦合和場耦合[10-11]。傳導耦合是電磁干擾通過線路內部傳導進入敏感設備，場耦合是電磁干擾通過電容電感耦合進入敏感設備。

電子式互感器采集單元電磁騷擾耦合路徑如圖4所示。

圖4 電子式互感器采集單元電磁騷擾耦合路徑Fig.4 Electromagnetic disturbance coupling path of electronic transformer acquisition unit

傳感單元測得的電壓或電流信號通過信號端口進入采集單元，將電信號轉換為光信號，并將光信號通過光纖端口傳入合并單元。電源端口為采集單元供電的端口，由220 V交流電源供電。變電站高壓一次側產生的電壓電流干擾通過電子式互感器傳導進入采集單元的信號端口。由于采集單元的電源線和信號線接地，開關操作時產生的地電位升可通過地線傳入采集單元[12]。同時，開關操作產生的高頻電壓電流信號能夠在空間中激發(fā)電磁場。該空間電磁場可通過采集單元的信號端口或電源端口的線路耦合進入采集單元，從而對其產生干擾。

實際工作中，由于采集單元信號端口/電源端口線纜由于彎曲度、距地高度不一致等原因，其線纜上的傳導干擾電流沿線呈不均勻分布，表示為：

I1(f,x)=I1(f,0)H1(f,x)

(1)

式中:I1(f,x)為信號線/電源線上電流與導線位置之間的函數，表示干擾源產生的初始共模傳導干擾電流；H1(f,x)為線路不同位置與傳導干擾電流頻率之間的分布函數，主要與導線上各點彎曲度、距地高度等因素有關。

同時，暴露于空間電磁場中的設備會產生感應干擾電流，表示為：

(2)

式中:Ei為不同類型的空間場在線纜不同位置處的分布函數；H2(f,x)為空間場與傳導電流頻率之間的傳遞函數，主要與線纜材質、轉移阻抗等因素有關。

線纜上總的干擾電流可表示為：

(3)

當試驗室進行不同類型干擾源的混合干擾試驗時，在信號線/電源線上施加不同類型的傳導干擾信號。暫不考慮空間電磁場，Ei=0。I1可用線纜初始位置的傳導干擾信號電壓U(f,0)與導線靠近干擾源端的輸入阻抗Z(f,0)表示，見式(4)。由此，可得到的式(5)所示的干擾電流I的表達式。因此，當不同類型的干擾信號疊加之后，線路上總的干擾電流增加。理論分析可知，混合干擾試驗會比單一干擾試驗產生更大的影響。

(4)

(5)

3 試驗驗證

為驗證電壓采集單元對開關操作情況下的電磁騷擾的抗擾度情況，本文對電壓采集單元進行了單一干擾抗擾度試驗與混合干擾抗擾度試驗。根據中國電科院發(fā)明的測試方法：基于變電站混合電磁干擾模擬的電力設備測試方法，具體試驗項目包括電快速瞬變脈沖群(electrical fast transient burst，EFT)、浪涌(surge)、阻尼振蕩波(damped oscillation wave，D.O.)和射頻傳導(conducted susceptibility，CS)抗擾度試驗。分別進行單一干擾源試驗和混合電磁干擾試驗。通過與單一干擾源作用時采集單元的狀態(tài)進行對比，對混合電磁干擾產生的影響進行分析。

3.1 試驗布局

對于單一干擾源的試驗，其中EFT抗擾度試驗、Surge抗擾度試驗、D.O.抗擾度試驗和CS抗擾度試驗均根據IEC 61000-4系列標準執(zhí)行[13-14]。單一干擾源抗擾度試驗布置如圖5所示。

圖5 單一干擾源抗擾度試驗布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of single interference source immunity test layout

圖5中：干擾發(fā)生器、耦合去耦網絡(coupling and decoupling network,CDN)、采集單元均與接地參考平面相連；采用耦合和去耦網絡將干擾信號耦合進入采集單元的信號線纜，同時保證與采集單元相連的其他電纜不受影響，只近似于干擾源以不同的幅值和相位同時作用于受試電纜的實際情況。

混合干擾抗擾度測試原理如圖6所示。

圖6 混合干擾抗擾度測試原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of mixed interference immunity test layout

將不同種類干擾通過CDN同時施加到被測設備(equipment under test,EUT)的電源/信號線上，其余試驗設置與單一干擾源試驗相同。通過上位機讀取輸出到合并單元的數據，分析比較互感器采集單元在受到干擾后輸出是否有影響。

3.2 試驗結果與分析

在對電壓采集單元施加不同強度的干擾時，上位機對采集單元采集到的數據進行波形分析。對于部分畸變不明顯的波形，對其進行放大細節(jié)來顯示受到的影響。對于畸變明顯波形，則不進行放大細節(jié)處理。圖7為正常情況下的錄波。圖7(b)為圖7(a)局部放大后的波形，正常情況下的電流幅值為65.011 mA，頻率為50 Hz。

圖7 正常情況下的錄波Fig.7 Recording under normal conditions

3.2.1 單一電磁騷擾抗擾度試驗

首先，對電壓采集單元進行單一騷擾源的抗擾度試驗。本文對采集單元的電源端口進行了EFT抗擾度試驗，對信號端口進行了D.O.、CS和Surge抗擾度試驗，從上位機中得到的錄波波形如圖8所示。

圖8 單一干擾下采集單元輸出波形Fig.8 Acquisition card output waveforms under a single interference source

從圖8可以看出，單一干擾情況下，EFT、CS和D.O.對采集單元的影響程度很小，采集單元輸出波形與正常情況相差不大，而對信號線施加Surge 2 kV的共模干擾時，發(fā)現(xiàn)不僅在產生浪涌脈沖時電流波形存在畸變，基波幅值也增加到了89.201 mA，相比正常波形幅值增加了37.2%。從整體上看，采集單元的輸出波形畸變程度較低，可認為電壓采集單元對單一類型的電磁騷擾有較高的抗擾性能。

3.2.2 混合電磁騷擾抗擾度試驗

在此基礎之上，對采集單元同時施加兩種及以上電磁干擾。試驗項目設置如表1所示。

表1 試驗項目設置Tab.1 Test project setting

按照表1所示項目設置，對采集單元進行混合干擾抗擾度試驗。混合干擾下采集單元輸出波形如圖9所示。與圖9對比可以看出，在對采集單元施加混合干擾時，采集單元的輸出波形畸變更嚴重。

圖9(a)為對采集單元端口施加4 kV/100 kHz的EFT干擾、對信號端口施加2 kV/10 MHz的D.O.干擾信號時，采集單元采集到的電流信號中，電流最大值可達138.661 mA，遠大于正常信號幅值，信號畸變較為嚴重。圖9(b)為對采集單元電源端口施加4 kV/100 kHz的EFT干擾，在采集單元信號端口施加1 kV共模的Surge干擾信號時，采集單元采集到的電流信號。從圖9可以看出，采集單元采集得到的電流基波幅值增大到99.352 mA。其中在施加浪涌脈沖時采集單元采集到的電流最大值可達到325.919 mA，表明浪涌干擾信號對采集單元采集信號的準確性產生了較大影響。因此，需加強采集單元信號端口對浪涌脈沖信號的防護。圖9(c)為對采集單元電源端口施加4 kV/100 kHz的EFT干擾和頻率為10 MHz、電壓為20 V的CS干擾，對信號端口施加2 kV/10 MHz的D.O.干擾得到的采集單元輸出電流波形。其中，該信號的基波幅值與頻率與正常信號相差不大，但與信號端口施加Surge信號相比，電流波形畸變的時間尺度更大、更加平緩，得到其電流最大幅值為117.495 mA。綜上可知，試驗結果與理論分析結果一致，混合干擾試驗比單一干擾試驗對采集單元產生更嚴重的影響。

圖9 混合干擾下采集單元輸出波形Fig.9 Acquisition unit output waveforms under mixed interference

3.3 設備抗擾度改進措施

對電磁干擾的防護主要有三個方面：電磁屏蔽、EMI濾波以及接地技術。本文通過設計電源端口濾波器，實現(xiàn)對電子式互感器采集單元的電磁干擾防護。

電源端口低通濾波器的衰減函數為:

L(w)=10Lg(1+k2w2n)

(6)

由于衰減隨頻率單調增加，通帶內最大衰減Lp對應截止頻率Wc，又因阻帶Ws頻率上對應的衰減為Ls，因此得出:

LP=10Lg(1+k2wC2n)

(7)

LS=10Lg(1+k2wS2n)

(8)

電源濾波器原理圖如圖10所示。

對采集單元電源端口施加EFT加入濾波器前后流過電流，其幅值抑制比約為5.901。為進一步驗證濾波器的效果，在電源端口加入濾波器后，對采集單元施加與圖9相同情況的混合干擾，通過上位機采集到如圖11所示的電流波形。

圖11 加入電源濾波器后混合干擾下采集單元輸出波形Fig.11 After the power filter is added,the output waveforms of the acquisition unit is mixed under interference

在采集單元電源端口加入濾波器后，對于圖11(a)與圖11(c)所示的兩種干擾情況采集單元采集到的波形畸變程度大大降低，趨近于正常波形。而對于圖11(b)所示情況采集單元采集到的電流波形畸變程度有所減小，但與正常波形仍舊相差較大。這說明這種情況下對采集單元產生影響的主要因素為信號端口施加的Surge干擾。因此，為提高采集單元抗擾性能，還需要設計增加信號端口濾波器。以上試驗證明了采集單元電源端口濾波器設計的有效性[15-18]。

4 結論

本文通過試驗測得拉合刀閘情況下采集單元二次側傳導電磁騷擾波形，并對其波形成分進行分解。根據采集單元實際工作中電磁騷擾的耦合情況設計試驗，證明了采集單元對單一類型電磁干擾具有較強的抗擾性能。而當兩種或多種類型電磁干擾源疊加時采集單元采集到的波形發(fā)生嚴重畸變，證明采集單元對混合電磁干擾的抗擾性能較差。本文所設計的施加在采集單元電源端口的濾波器，能夠成功阻隔瞬態(tài)混合電磁干擾；通過試驗驗證，其也能有效減小波形畸變程度。