智能變電站就地智能設(shè)備電磁兼容抗擾度實(shí)驗(yàn)分析

嵇建飛 袁宇波 龐福濱

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 南京 211100）

1 引言

采用分散式布置時(shí)，變電站內(nèi)的二次智能設(shè)備受電磁騷擾影響較小，通常能夠正常工作。而隨著智能變電站的建設(shè)發(fā)展，二次智能設(shè)備就地布置成為趨勢(shì)，二次智能設(shè)備因受電磁騷擾而導(dǎo)致工作異常的情況屢有發(fā)生[1,2]。2011年，由于羅氏線圈電子式互感器受到開關(guān)及刀閘操作產(chǎn)生的干擾導(dǎo)致波形異常，國(guó)家電網(wǎng)公司基建部58號(hào)補(bǔ)充文件規(guī)定：在電子式互感器未完善前，新建變電站一律采用常規(guī)互感器配以合并單元實(shí)現(xiàn)模擬量就地?cái)?shù)字化轉(zhuǎn)換，利用光纖上傳，提高其可靠性。變電站二次智能設(shè)備在出廠前都要進(jìn)行電磁發(fā)射與抗擾度試驗(yàn)評(píng)估，評(píng)估合格才能使用。我國(guó)的電磁兼容抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17626，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等同于IEC61000-4標(biāo)準(zhǔn)。

為了考察變電站中就地匯控柜智能組件端口電磁騷擾的特性和現(xiàn)行電磁兼容實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的適用性，本文測(cè)錄了某110kV GIS和500kV GIS智能變電站斷路器和隔離開關(guān)操作在就地匯控柜CT（Current Transformer，電流互感器）端口產(chǎn)生的騷擾電壓，分析了騷擾信號(hào)的幅度和時(shí)頻特性。開展就地匯控柜智能組件電磁兼容實(shí)驗(yàn)，在結(jié)合電磁兼容實(shí)驗(yàn)結(jié)果和騷擾信號(hào)幅頻和時(shí)頻特性的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)現(xiàn)行電磁兼容抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的適用性，特別研究了IEC61000-4-18阻尼振蕩波試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)波形的對(duì)應(yīng)情況，最后對(duì)提高就地布置二次智能設(shè)備的電磁兼容性能提出了一些建議。

2 智能組件電磁兼容試驗(yàn)

某110kV變電站一次接線圖如圖1所示。該變電站使用GIS（Gas Insulated Switchgear，六氟化硫封閉式組合電器）組合電器，智能組件就地安裝于匯控柜內(nèi)，采用常規(guī)互感器。某日啟動(dòng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，在合上隔離開關(guān)時(shí)，就地匯控柜內(nèi)智能組件出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。發(fā)生異常情況以后，對(duì)該110kV智能變電站進(jìn)行了排查處理，處理流程如圖2所示。由圖可見，拉合隔離開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾通過CT二次回路耦合到直流電源是智能組件發(fā)生重啟的重要原因，將接入智能組件的CT二次線與直流電源二次線分開之后（見圖3），雖然智能組件不再重啟，但是丟點(diǎn)現(xiàn)象依然存在。

圖1 某110kV智能變電站一次接線圖Fig.1 The primary electric wiring diagram of the 110kV intelligent substation

圖2 某110kV智能變電站異常情況處理流程Fig.2 The processing flow of one 110kV intelligent substation

圖3 CT二次線和直流電源線Fig.3 The secondary side cables of CT and DC power cables

由于智能組件丟點(diǎn)現(xiàn)象依然存在，因此對(duì)智能組件重新進(jìn)行了電磁兼容相關(guān)實(shí)驗(yàn)（圖4，圖5）。首先對(duì)合并單元的電源量、開入量、模擬量回路施加IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IV級(jí)嚴(yán)酷等級(jí)試驗(yàn)（電快速瞬變脈沖：4kV、5KHz/100KHz，浪涌波形：4kV，8/20us），裝置運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。提高試驗(yàn)等級(jí)，在進(jìn)行電快速瞬變抗干擾試驗(yàn)時(shí)，對(duì)裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加遠(yuǎn)高于四級(jí)（4.5kV以上、100KHz）干擾波形，裝置運(yùn)行正常、但偶爾會(huì)出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象；在進(jìn)行浪涌試驗(yàn)時(shí)，對(duì)裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加遠(yuǎn)高于四級(jí)（4.4kV，8/20us）浪涌波形，裝置運(yùn)行正常、未出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。

圖4 電快速瞬變脈沖群抗擾度測(cè)試圖Fig.4 EFTB(Electrical fast transient/burst)experiment

圖5 浪涌抗擾度測(cè)試圖Fig.5 Surge experiment

由于在進(jìn)行非常規(guī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，合并單元出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象，因此對(duì)合并單元進(jìn)行了整改措施，整改措施如下:

1)原設(shè)計(jì)采用雙DSP插件實(shí)現(xiàn)MU功能，DSP插件之間經(jīng)過總線背板實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信，新設(shè)計(jì)將雙DSP模塊集成到一塊插件上，取消經(jīng)過總線背板的通信方式，此改進(jìn)可以進(jìn)一步提高裝置的抗干擾能力；

2)機(jī)箱加工采用全導(dǎo)電加工方式，機(jī)箱各部分之間電氣連接更加可靠，提高機(jī)箱的完整性，從而提高裝置的整體抗電磁騷擾性能；

在改進(jìn)合并單元機(jī)箱結(jié)構(gòu)，改善箱體整體導(dǎo)電性能、并改進(jìn)分板連接方式后，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置運(yùn)行正常、無丟點(diǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，抗干擾性能進(jìn)一步提高；新裝置在電快速瞬變干擾實(shí)驗(yàn)中，能夠確保在4.4kV/100KHz情況下，無丟點(diǎn)現(xiàn)象。

3 測(cè)錄電磁暫態(tài)信號(hào)

圖6 測(cè)錄電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)Fig.6 Recording electrogmetic transient disturbance signal

圖6是測(cè)錄電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)的示意圖和實(shí)物圖。電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)測(cè)錄系統(tǒng)由示波器，高壓探頭組成[3][4]。示波器和高壓探頭主要性能如表1所示。智能組件安裝于就地匯控柜，銅排(接地網(wǎng))位于匯控柜內(nèi)底部，智能組件接地點(diǎn)位于其右下角。測(cè)錄地點(diǎn)選擇在就地匯控柜，智能組件安裝于就地匯控柜，CT二次線纜，直流電源線引到就地匯控柜內(nèi)部的端子排上。

3.單通道最大存儲(chǔ)深度：256Mpts/ch 4.最大采樣速度：120GS/s

3.1 某110kV變電站

圖7 110kV GIS變電站隔離開關(guān)操作時(shí)，測(cè)得的電磁暫態(tài)騷擾時(shí)域波形Fig.7 Whenthedisconectorsoperated，the electromagnetic transientdisturbance time-domain waveform of every channel

圖7是110kV GIS變電站隔離開關(guān)操作時(shí)，測(cè)得的電磁暫態(tài)騷擾時(shí)域波形。隔離開關(guān)操作速度慢，產(chǎn)生多次電弧擊穿和重?fù)舸綦x開關(guān)操作在二次設(shè)備端口產(chǎn)生數(shù)十次脈沖，電壓信號(hào)的波形比較接近，電流信號(hào)的波形也比較接近，有些差別是由于一次母線的瞬態(tài)電流波和電壓波耦合進(jìn)各測(cè)量端口的路徑不同[5-8]。直流電源（差模干擾）通道騷擾信號(hào)最大峰峰值為300V，直流電源正對(duì)地（共模干擾）通道騷擾信號(hào)最大峰峰值為700V，CT二次側(cè)A相對(duì)地騷擾信號(hào)電壓峰峰值為1000V，CT二次側(cè)A相電流通道騷擾信號(hào)峰峰值為200V，合并單元地線對(duì)銅排的騷擾信號(hào)電壓峰峰值為3000V。

圖8 110kV GIS變電站隔離開關(guān)操作時(shí)，測(cè)得的電磁暫態(tài)騷擾頻譜Fig.8 When the disconectors operated,the electromagnetic transient disturbance frequency-domain waveform of every channel

圖8是不同通道測(cè)得的電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)頻譜圖。從頻譜圖上可以看出，不同電壓通道的頻譜圖比較相似。隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的電磁騷擾主要集中在高頻段，且在625Hz，4kHz，48kHZ，200kHz，600kHz，30MHz附近頻譜出現(xiàn)峰值。

3.2 某500kV變電站

圖9 5041開關(guān)投切5622線試驗(yàn)前接線方式Fig.9 The primary electric wiring diagram of the 500kV intelligent substation before the 5041 breaker switching to 5622 line

某500kV GIS變電站，采用3/2接線方式，配置兩臺(tái)主變，四條出線。5041斷路器投切5622線試驗(yàn)前接線方式如圖9所示。在5041斷路器投切5622線時(shí)，測(cè)錄斷路器操作產(chǎn)生的電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)。5041、5042斷路器熱備用狀態(tài)，1號(hào)主變，2號(hào)主變運(yùn)行狀態(tài)。

圖10 5041斷路器操作時(shí)，測(cè)錄的各通道電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)時(shí)域波形Fig.10 When operating the 5041 breaker,the electromagnetic transient disturbance time-domain waveform of every channel

當(dāng)5041斷路器操作時(shí)，測(cè)得的DC直流電源通道，CT二次側(cè)A相電流通道，CT二次側(cè)A相電壓通道，VT二次側(cè)A相電壓通道的電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)如圖10所示。從圖中可以看出，直流電源（差模干擾）通道騷擾信號(hào)最大峰峰值約為2000V，CT二次側(cè)A相電流通道騷擾信號(hào)峰峰值約為1300A，CT二次側(cè)A相電壓通道騷擾信號(hào)峰峰值約為3700V，VT二次側(cè)電壓通道騷擾信號(hào)峰峰值約為4700V。

前面分析了斷路器操作產(chǎn)生的電磁暫態(tài)騷擾時(shí)域波形特征。通常傅里葉變換可以用來分析信號(hào)的頻譜特性，但是傅里葉變換只提供了有哪些頻率成份的信息，卻沒有提供時(shí)間信息。短時(shí)傅里葉變換（STFT，short-time Fourier transform）可以同時(shí)提供信號(hào)的頻率和時(shí)間信息。

圖11 5023開關(guān)操作時(shí)，測(cè)錄的各通道電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)時(shí)頻譜圖Fig.11 When operating the 5023 breaker,thetime-frequency spectrum of the electromagnetic transient disturbance

圖11是5041開關(guān)操作時(shí)，測(cè)錄的各通道電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)時(shí)頻譜圖。圖中橫坐標(biāo)代表信號(hào)頻率，縱坐標(biāo)代表信號(hào)持續(xù)時(shí)間，填充顏色代表信號(hào)的功率譜強(qiáng)度從時(shí)頻譜圖上可以看出CT二次側(cè)A相電壓通道，VT二次側(cè)A相電壓通道的電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)的時(shí)頻譜圖比較相似。在開關(guān)操作后的1us內(nèi)，波形較強(qiáng)，頻率主要分布在0Hz至40MHz。直流電源通道的電磁暫態(tài)騷擾信號(hào)頻率主要分布在20MHz至150MHz。對(duì)于CT二次側(cè)A相電流通道，連續(xù)間斷出現(xiàn)若干串較強(qiáng)的脈沖，脈沖頻率從0Hz到20MHz。

4 實(shí)測(cè)波形與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

圖12電快速瞬變和浪涌(沖擊)信號(hào)單個(gè)脈沖典型波形Fig.12 The single typical plus waveform of electrical fast transient and surge(impact)signals

圖12(a)是IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電快速瞬變信號(hào)單個(gè)脈沖典型波形[9][10][11]。典型的電快速瞬變信號(hào)是雙指數(shù)脈沖，上升時(shí)間是5(1±30%)ns，持續(xù)時(shí)間是50(1±30%)ns，當(dāng)負(fù)載為1000?時(shí)，輸出最大開路電壓峰值為4kV，測(cè)得電壓峰值為4(1±20%)kV。

圖12(b)是IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的浪涌(沖擊)信號(hào)單個(gè)脈沖典型波形，T1是波前時(shí)間，T2是半峰值時(shí)間[9][10][11]。浪涌波形發(fā)生器分為兩種，對(duì)于連接到對(duì)稱通信線的端口，應(yīng)使用10/700us組合波發(fā)生器，波前時(shí)間T1為10(1±30%)us，半峰值時(shí)間為700(1±20%)us；對(duì)于連接到電源線和短距離信號(hào)互連線的端口，應(yīng)使用1.2/50us組合波發(fā)生器，波前時(shí)間T1為1.2(1±30%)us，半峰值時(shí)間為50(1±20%)us。試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)分為IV個(gè)等級(jí)，當(dāng)試驗(yàn)等級(jí)取最高第IV等級(jí)時(shí)，開路電壓峰值為4(1±10%)kV。由前面的測(cè)錄結(jié)果可知，智能組件地線騷擾信號(hào)峰峰值為4.6kV，此騷擾信號(hào)峰峰值大于IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IV級(jí)電快速瞬變脈沖峰值和IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IV級(jí)浪涌(沖擊)信號(hào)峰值。

圖13 阻尼振蕩波形Fig.13 Damped oscillation waveform

而從實(shí)測(cè)的騷擾波形來看，開關(guān)操作產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾信號(hào)類似于阻尼振蕩波（圖13）。以前的阻尼振蕩波標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)AIS變電站開關(guān)操作，只包括100kHz和1MHz兩個(gè)振蕩頻率的波形，與GIS變電站開關(guān)操作電磁騷擾波形的差別較大。近年更新的IEC61000-4-18阻尼振蕩波試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)新增了快阻尼振蕩波，增加了3MHz、10MHz和30MHz三個(gè)振蕩頻率[12][13]。振鈴波是單次沖擊阻尼振蕩波，振蕩頻率為100kHz，除開放等級(jí)外，試驗(yàn)等級(jí)分為4級(jí)，從低到高共模電壓分別是0.5kV、1kV、2kV和4kV。斷路器操作引起的瞬態(tài)騷擾一般也是1～3個(gè)阻尼振蕩波，與振鈴波具有可比性。阻尼振蕩波是重復(fù)波形，振蕩頻率有100kHz和1MHz兩種，重復(fù)率為100kHz時(shí)至少40次/s，1MHz至少400次/s，試驗(yàn)等級(jí)上，除開放等級(jí)和等級(jí)4未給定具體數(shù)值外，前3級(jí)的共模電壓分別是0.5kV、1kV和2.5kV[11][12]。

開關(guān)操作引起的瞬態(tài)騷擾就是重復(fù)的阻尼振蕩波，在試驗(yàn)幅值方面，110kV變電站和500kV變電站開關(guān)操作引起的騷擾信號(hào)峰值大于振蕩波抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的峰值；在試驗(yàn)頻率方面，110kV變電站和500kV變電站開關(guān)操作引起的騷擾信號(hào)主頻都在兆赫茲級(jí)，目前最新的IEC61000-4標(biāo)準(zhǔn)在阻尼振蕩波抗擾度試驗(yàn)上已經(jīng)新增了3MHz、10MHz和30MHz的振蕩頻率，因此建議國(guó)標(biāo)也能增加相應(yīng)的振蕩頻率[13]。

5 結(jié)論

本文測(cè)錄了某110kV GIS變電站和500kV GIS變電站隔離開關(guān)和斷路器操作在就地匯控柜CT端口產(chǎn)生的騷擾電壓進(jìn)行了測(cè)量，分析了電磁騷擾信號(hào)的幅值和時(shí)頻特性。在結(jié)合智能變電站就地匯控柜智能組件電磁兼容實(shí)驗(yàn)和騷擾信號(hào)的幅值和時(shí)頻特性的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的電磁兼容抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的適用性，特別研究了IEC61000-4-18阻尼振蕩波試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)波形的對(duì)應(yīng)情況，結(jié)論及建議如下：

1.110kV GIS變電站隔離開關(guān)操作在就地匯控柜智能組件端口產(chǎn)生的電磁騷擾信號(hào)幅值主要集中在高頻段，且不同通道測(cè)得的電磁騷擾信號(hào)在625Hz，4kHz，48kHZ，200kHz，600kHz，30MHz這幾個(gè)頻點(diǎn)附近都出現(xiàn)峰值，這一點(diǎn)應(yīng)該引起重視。

2.110kV GIS變電站，500kV GIS變電站的隔離開關(guān)、斷路器操作在就地匯控柜智能組件端口產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾信號(hào)最大幅值已大于當(dāng)前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高嚴(yán)酷等級(jí)的電快速瞬變脈沖群抗擾度，浪涌抗擾度，阻尼振蕩波抗擾度峰值，此外在試驗(yàn)頻率方面，實(shí)測(cè)的騷擾信號(hào)能量主要集中在兆赫茲級(jí)頻段，建議國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也能增加相應(yīng)的振蕩頻率。

3.智能組件PCB背板設(shè)計(jì)和機(jī)箱的整體導(dǎo)電性能對(duì)其抗電磁騷擾能力非常關(guān)鍵。智能組件機(jī)箱采用全導(dǎo)電方式加工，取消經(jīng)過智能組件背板電路板的通信方式或者加強(qiáng)經(jīng)過背板通信的抗干擾性能。

[1] 錢照明,陳恒林.電力電子裝置電磁兼容研究最新進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(7):1-11.Qian Zhaoming,Chen Henglin.Stateofartof electromagnetic compatibility research on power electronic equipment[J].Transactions of China Electro technical Society,2007,22(7):1-11.

[2] 習(xí)賀勛,湯廣福,曹均正,等.特高壓直流換流閥電磁場(chǎng)與電磁兼容研究進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(22):1-7.Xi Hexun,Tang Guangfu,CaoJunzheng,etal.Research progress of electromagnetic field and electromagnetic compatibility of UHVDC converter valves[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(22):1-7.

[3] 張衛(wèi)東,陳沛龍,陳維習(xí),等.特高壓GIS變電站VFTO對(duì)二次電纜騷擾電壓的實(shí)測(cè)與仿真[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,33(0):1-10.Zhang Weidong,Chen Peilong,Chen Weijiang,et al.Measurement and simulation of disturbance voltage generated by VFTO in UHV GIS substation on the secondary cables[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(0):1-10.

[4] 盧斌先,王澤忠,李成榕,等.500kV變電站開關(guān)操作瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量與研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,25(4):133-138.Lu Binxian,Wang Zezhong,Li Cheng-rong,et al.Measurements and research of switching operation transient electric field in 500kV substation[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(4):133-138.

[5] 張重遠(yuǎn),梁貴書,崔翔,等.GIS隔離開關(guān)操作對(duì)二次設(shè)備的影響,高電壓技術(shù)[J],2002,28(2):5-7.Zhang Chongyuan,Liang Guishu,et al.The effects of operations of the disconnector switch on the secondary circuits in gas insulated substations[J].high vlotage engineering,2002,28(2):5-7.

[6] 張重遠(yuǎn).氣體絕緣變電站開關(guān)操作產(chǎn)生的電磁干擾問題研究[D].北京:華北電力大學(xué),2004:1-8 Zhang Chongyuan.Research on the electromagnetic interference duo to switching operation in gasinsulated substation [D].Beijing: North China Electric University,2004:1-8

[7] Bajramovic Z,Turkovic I,Mujezinovic A,et al.Overvoltages in secondary circuits of air-insulated substation due to disconnector switching[C].IEEE International Conference on Power System Technology(POWERCON),2012:1-4.

[8] Bajramovic Z,Turkovic I,Mujezinovic A,et al.Measures to reduce electromagnetic interferences on substation secondary circuits[C].IEEE on ELMAR Proceedings,2012:129-132.

[9] GB/T 17626電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)-抗擾度實(shí)驗(yàn)總論[S].GB/T 17626 Electromagnetic compatibility-Testing and measurement techniques-Overview of immunity tests[S].

[10]翟小社,耿英三,王建華,等.電快速瞬變脈沖群抗擾度實(shí)驗(yàn)發(fā)生器的建模[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(6):123-128.Zhai Xiaoshe,Geng Yingsan,Wang Jianhua,et al.Modeling of pulse generator in electrical fast transient/burst test[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(6):123-128.

[11]鞏學(xué)海,何金良.變電所二次系統(tǒng)電磁兼容抗擾度指標(biāo)分析[J].高電壓技術(shù),2008,34(11):2412-2416.Gong Xuehai,He Jingliang.Analysis on Electromagnetic Compatibil ity Immunity Indexes for Secondary Systems of Substation[J].High Vlotage Engineering,2008,34(11):2412-2416.

[12]GB/T 17626.10電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 阻尼振蕩磁場(chǎng)抗擾度實(shí)驗(yàn)[S].GB/T 17626.10 Electromagnetic compatibility-Testing and measurement techniques-Damped oscillatory magnetic field immunity test[S].

[13]GB/T 17626.12.電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 振蕩波抗擾度實(shí)驗(yàn)[S].GB/T 17626.12 Electromagnetic compatibility-Testing and measurement techniques-Oscillatory waves immunity test[S].