高壓直流輸電控制保護平臺運行主機電磁兼容試驗解析

陳希艷，徐洋濤，陳威立

（許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 前言

直流輸電具有輸送容量大、輸送距離遠、調節方便等優點。由于中國資源能源分布不均，直流輸電在國內得到了大規模應用[1-2]。HCM3000是針對特高壓、多端直流輸電、柔性直流輸電及其他工業控制領域的高端應用而開發的一款大型嵌入式控制保護系統軟硬件平臺，是直流輸電控制保護系統的核心組成部分，用于構建交直流站控系統、極控系統和直流保護系統等關鍵控制保護設備。以整體試驗類型測試為例，控制保護平臺整體試驗可以根據不同的功能要求配置不同的控制保護平臺運行主機。

電磁兼容試驗主要依據國家標準GB/T17626和行業標準DL/T 1087-2008來進行。DL/T 1087-2008適用于±800 kV特高壓直流換流站二次設備（包括直流側、交流側的保護、控制、監測設備及通信設備等）的抗擾度性能要求。±800 kV以下電壓等級的換流站二次設備抗擾度要求可參照該標準。

1 換流站電磁環境分析

換流站內的電磁環境十分復雜，交流和直流產生的各種電磁騷擾現象在換流站中均有發生，無論在線路上還是空間上，均存在大量各種形態的電磁騷擾源，如因雷擊產生的浪涌、感性負載下開關動作產生的快速脈沖群、各種無線電設備發出的輻射騷擾信號以及由晶閘體本身暫態轉換過程中產生的非標準騷擾信號等[3-10]。因此在換流站運行的各類保護、控制和監測設備，必須具有足夠的抵抗各種騷擾的能力。

換流站內交流側電磁騷擾主要有：

1）高壓隔離開關和斷路器的操作，將在母線或線路上引起含有多種頻率分量的衰減振蕩波，以暫態電磁場的形式向周圍空間輻射，或通過連接在母線的測量設備（TA、TV、CVT等）直接耦合至二次回路；

2）雷擊線路或構架及系統短路故障，將有大電流注入地網，從而在二次電纜的芯線中感應出騷擾電壓、侵入二次回路；

3）換流站在換流的同時會在直流側和交流側產生特征諧波及非特征諧波，騷擾二次設備和通信系統；

4）交流側開關操作產生的暫態騷擾傳導至直流側，影響直流光電互感器。其他還有導線和金具放電電暈等能產生頻率較高的電磁場輻射。此外，負荷的變化將造成站用電的電壓波動、電壓暫降、短時中斷和電源頻率變化等。

直流側的電磁騷擾主要有：

1）換流閥換相時產生的高頻騷擾，雖然閥廳具有一定的屏蔽效能，可抵御向外部的輻射，但仍能通過引出的極導線和連接的測量裝置騷擾二次設備；

2）換流器產生的特征和非特征諧波對交流側一次、二次設備的影響；

3）雷擊引起的騷擾以及導線電暈產生的無線電干擾等。

2 控制保護平臺機箱配置

系統主要包含基本的板卡組合成一個機箱和由電氣隔離接口模塊所構成的接口組件，其測試環境還需配置相應的功能設備和儀表，用于完成基本功能性能檢測，以某換流站閥組控制機箱為例，配置如圖1所示。

圖1 閥組控制機箱典型配置

EPU20A是HCM3000平臺中的主處理器插件。它具有一般處理器插件的運算和控制功能，同時具有管理與配置機箱中其它各種插件、實現插件間數據交換的功能；

ESM10B是一種共享內存插件，為機箱內的處理器插件提供統一的、共享的大容量內存，滿足處理器插件間大容量、快速數據交換功能。當機箱中具有兩塊及以上的處理器插件時，必須配置一塊ESM插件；

EMF20A是一種多功能插件，具有點火脈沖輸出接口、TDM總線接口和快速通信總線接口，并在點火脈沖機制中加入Amin功能，是HCM3000平臺的一種擴展插件。

EVI10A是一種VBE接口插件，具有VBE相關控制信號調制和輸出接口，是HCM3000平臺的一種擴展插件。

EVC10A是一種VBE接口插件，具有觸發脈沖信號調制、轉換功能和與豎琴脈沖輸出接口，是HCM3000平臺的一種擴展插件。

EDI10B是一種數字量接口插件，具有32路數字量輸入和32路數字量輸出通道，可用于高速數字量信號的傳輸。

ECM10A是一種現場總線通訊插件，實現PROFIBUS DP 協議的通信。

ENT10B是一種以太網總線通訊插件，實現速率為10/100 Mbps的以太網通信。

ICT10A是一種電子式互感器光通訊插件，需要與處理器插件EPU系列配合使用，采用遵循IEC60044-8電氣規范的定制化FT3規約，可支持傳送24通道的數據，為HCM3000平臺提供IEC60044-8協議（與安穩系統接口）的通訊通道。

IFC20A是一種快速通信插件，具有快速通信總線接口，提供高速點對點通訊功能。IFC10必須嵌入到處理器插件EPU上才能運行。

3 電磁兼容試驗要求

3.1 電磁兼容試驗概述

電磁兼容試驗主要有：

1）工頻磁場；

2）脈沖磁場；

3）阻尼振蕩磁場；

4）射頻輻射電磁場；

5）靜電放電；

6）浪涌；

7）阻尼振蕩波；

8）電快速瞬變脈沖群；

9）射頻場感應的傳導騷擾；

10）電源電壓暫降、短時中斷；

11）諧波抗擾度（對于交流電源）、紋波（對于直流電源）。

圖2 設備端口示意圖

由于光纖由電絕緣的石英材料制成，因而光纖通信線路不受普通電磁場的干擾，因而電磁兼容部分只對電接口的端口進行試驗。設備端口如圖2所示。該控制保護平臺端口均為低壓控制設備間的連接電纜，因此所有端口均為現場連接方式。

根據標準，電磁兼容各項試驗合格與否應分別按照兩類驗收準則進行判定。

3.2 外殼端口抗擾度要求

依據DL/T 1087-2008對裝置外殼端口抗擾度要求。

3.2.1 磁場試驗

在高壓直流換流站中，工頻磁場主要是由電源回路、接地回路及電網中的電流產生的，脈沖磁場是由接地線和接地網絡中的雷電流產生的，阻尼振蕩磁場是由隔離開關操作中壓和高壓回路過程中產生的。

工頻磁場、脈沖磁場、阻尼振蕩磁場檢驗方法均為浸入法，磁場方向為X、Y、Z三個方向。工頻磁場的磁場強度為：連續磁場100 A/m，短時磁場1 000 A/m；磁場持續時間為：連續磁場60 s，短時磁場3 s。脈沖磁場的磁場強度為：1 000 A/m，至少要施加5次正極性脈沖磁場和5次負極性脈沖磁場。每兩次脈沖之間的時間間隔應不小于10 s。阻尼振蕩磁場的磁場強度為：100 A/m，在100 kHz和1 MHz兩個頻率下進行試驗。

試驗過程中應監視受試設備的各項功能，其中，工頻磁場連續磁場應按照抗擾度試驗驗收準則A判定設備性能，而工頻磁場短時磁場、脈沖磁場及阻尼振蕩磁場應按照抗擾度試驗驗收準則B判定設備性能。

3.2.2 射頻輻射電磁場試驗

在高壓直流換流站中，射頻輻射、平波電抗器和直流濾波器的隔離開關切合、換流閥的開通與關斷都會形成輻射電磁場。

試驗過程中，用1 kHz的正弦波對信號進行80%的幅度調制后，在80 MHz～1 GHz和1.4 GHz～2 GHz頻率范圍內進行掃頻測量，掃描步長不超過前一頻率的1%。

射頻輻射電磁場試驗過程中應依據所示抗擾度試驗驗收準則A判定設備性能。

3.2.3 靜電放電試驗

試驗時，應將輔助激勵量和負載施加在相應的電路上，其值應等于額定值。輸入激勵量值應盡可能地接近轉換狀態，但不能超過靜電放電騷擾所要求的變差值。整定值及試驗有關的相應變差值應由制造廠規定。

試驗點的選擇應是正常運行條件下操作者易于接近的部位，包括通信端口和去掉裝置外殼才能接近的整定調整部位。但不包括去掉外殼之后還需要去掉任一部分（例如某個插件）才能整定調整的部位。因此對本平臺進行靜電放電試驗的主要部位為：

1）接觸放電：螺釘、USB口外殼、以太網口外殼、現場總線口外殼；

2）空氣放電部位：拉手、機箱外殼、孔面板、指示燈、開關、USB口、以太網口、現場總線口。

在靜電放電試驗過程中應按照抗擾度試驗驗收準則B判定設備性能。

3.3 信號端口抗擾度要求

對信號端口抗擾度要求依據相關規定。

信號端口包括開關量輸入、開關量輸出、通信線的測試。其中開關量輸入為板卡DFV100，板卡上的事件輸入如圖3所示。開關量輸出為板卡DFV100，板卡上的事件輸出如圖4所示。

需要測試的通信線為現場總線和以太網線。根據DL/T 1087-2008中規定，如果設備與輔助設備相連，則應該接入那些對于試驗端口是必需的，而且有代表性的最少配置的輔助設備進行試驗。因為板卡ECM10A的現場總線經過REPEATER轉接至屏外如圖5所示，因此需對REPEATER的現場總線端口進行測試。其中板卡BEM11A的以太網接口直接連接至光纖接口屏如圖6所示，而所有板卡EPU20A的以太網經HUB轉接后連接至光纖接口屏如圖7所示，因此對BEM11A的以太網線直接進行測試，而對EPU20A的以太網線在HUB端進行測試。

圖3 典型開關量輸入端口

圖4 典型開關量輸出端口

圖5 現場總線端口

3.3.1 浪涌試驗

浪涌是由開關操作或雷擊在電網或通信線上產生暫態過電壓或過電流形成的。浪涌呈脈沖狀，其波前時間為數微秒，脈沖半峰值時間從幾十微秒到幾百微秒，脈沖幅度從幾百伏到幾萬伏，或從幾百安到上千安，是一種能量較大的騷擾。

在開關量輸入/輸出端口施加的浪涌脈沖峰值電壓為：線－地±0.5 kV、±1 kV、±2 kV，線－線±0.5 kV、±1 kV，通信端口施加的浪涌脈沖峰值電壓為：±0.5 kV、±1 kV，該控制保護平臺按試驗等級3進行試驗，在試驗過程中受試設備不但要滿足試驗等級3而且還要滿足試驗等級1和試驗等級2，是因為要考慮到受試設備的非線性電流-電壓特性，而且逐漸增大浪涌電壓還有助于保護設備，不至于一上來就加大浪涌電壓而使設備遭破壞，因此標準規定試驗電壓只能逐漸增加到規定的試驗等級。信號端口中的開關量輸入輸出端口試驗耦合網絡為：線－地42 Ω/0.5 μF，線－線42 Ω/0.5 μF，通信線端口試驗耦合網絡為：屏蔽層-地2 Ω。在浪涌試驗過程中應按照抗擾度試驗驗收準則B判定設備性能。

圖6 板卡BEM11A以太網端口

圖7 板卡EPU20A以太網端口

3.3.2 阻尼振蕩波試驗

出現在設備端口上的阻尼振蕩波是由電廠、高中壓變電站及重工業設備的電弧再放電或切換產生的。試驗過程中輸入/輸出線應分別與信號源、控制線相連接，并由輔助設備提供受試設備正常運行的工作信號。模擬器的輸入/輸出電路應采用濾波器，防止干擾其他設備。并將耦合/去耦網絡用長度為1 m的電纜與受試設備相連接，并與參考地相連接。

信號端口的第一峰值電壓為：共模2.5 kV，差模1 kV，通信端口的第一峰值電壓為：1 kV。測試時間為：60 s，脈沖頻率為：100 kHz為 40次 /s，1 MHz為 400次 /s。

在阻尼振蕩波試驗過程中應按照抗擾度試驗驗收準則B判定設備性能。

3.3.3 電快速瞬變脈沖群試驗

電感性負載在斷開時，由于開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，會在斷開點處產生暫態騷擾。這種暫態騷擾以脈沖形式出現，如果電感性負載多次重復開關，則脈沖群又會以相應的時間間隔多次重復出現。這種暫態騷擾能量較小，一般不大可能引起設備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以仍會對電子、電氣設備的可靠工作產生影響。在高壓直流輸電換流站中脈沖群主要是由操作感性負載、繼電器觸點抖動、操作SF6電氣設備等引起的。

對于設備的模擬量輸入/輸出端口，一般采用耦合/去耦網絡來施加試驗電壓，而對于開關量輸入/輸出端口及通信端口，則通過容性耦合夾來施加試驗電壓。耦合裝置和受試設備之間的信號線長度應不大于1 m，如果制造商提供的與受試設備不可拆卸的電纜長度超過1 m，那么超出的部分在接地參考平面上方0.1 m處以0.4 m的直徑盤繞起來。

信號端口及通信端口施加脈沖群峰值電壓為±2 kV,在電快速瞬變脈沖群試驗過程中應按照抗擾度試驗驗收準則B判定設備性能。

3.3.4 射頻場感應的傳導騷擾試驗

在高壓直流換流站中，射頻場感應的傳導騷擾抗擾度主要是由射頻發射機的輻射、換流閥的開通、關斷引起的。

試驗過程中，將受試設備置于參考地平面上0.1 m厚的絕緣支座上，將耦合和去耦網絡CDN接入輔助設備和受試設備端口之間，這種注入方法為直接注入法。一般情況下模擬量信號使用直接注入法，而通信線用鉗注入法。無論直接注入還是用鉗注入均應對騷擾源的電平進行調整，該控制保護平臺試驗電平為10 V。然后用自動方式在0.15 MHz～80 MHz進行掃描，掃描頻率步長的大小不應超過前一頻率值的1%。在射頻場感應的傳導騷擾試驗過程中應按照抗擾度試驗驗收準則A判定設備性能。

3.4 電源端口抗擾度要求

對低壓交流、直流輸入電源端口抗擾度要求見相關規程規定。電源端口指為設備供電的端口，包括組裝在屏柜內的設備的電源輸入，該柜的電源端口被認為是其中任何一個組件的電源端口，組裝在一個柜內的外部單元的電源輸入，設備的外部單元可以由該設備或由一個外部電源進行供電/控制。該控制保護平臺電源端口如圖8所示。

圖8 電源輸入端口

對電源端口進行的試驗除了以下兩點均可依據以上各個項目的參數和驗收準則進行。

1）浪涌試驗過程中，耦合網絡為：線－地12 Ω/9μF，線－線 2 Ω/18μF。

2）電快速瞬變脈沖群試驗過程中，施加脈沖群峰值電壓為±4 kV。

功能接地端口抗擾度要求依據相關規定進行。

4 結束語

對抗擾度性能的判據以DL/T 1087-2008為準。二次設備的抗擾性能是保證電力系統安全可靠運行的重要條件，由于直流輸電控制保護平臺處于高壓換流站內，而換流站存在大量電氣、電子設備，形成了錯綜復雜的電磁環境，為了使換流站內的電氣設備運行過程中不受外來干擾的影響，嚴格按照國家標準和行業標準進行電磁兼容試驗是非常有必要的。