變電站電磁干擾源對二次系統耦合機理研究

賀家慧，張丹丹，陳俊欽，童 歆，王永勤，張 露

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢430074）

0 引言

變電站電氣設備密集且電磁環境復雜，二次系統在工作的過程中會承受各種電磁干擾，可能會出現通訊故障、造成測量不準確甚至元器件損壞等結果。二次系統測量的準確性對電網運行的安全穩定性起著很大的作用，因此研究變電站內電磁干擾源對二次系統的電磁耦合機理，從而制定相對應的防護措施，提高二次系統電磁兼容性是十分重要的。

從1980年開始，國內外學者就對變電站的電磁環境和電磁兼容問題進行了相關研究，主要對變電站內各種電磁干擾源、干擾耦合路徑以及電磁屏蔽開展了大量的研究工作［1-6］。文獻［2］～文獻［4］對變電站內常見的電磁干擾源進行了介紹，并給出了各個電磁干擾源的頻譜特性。文獻［6］～文獻［8］介紹了電磁干擾耦合方式，但都未對變電站內一二次系統之間的耦合機理進行研究，梁振光運用電磁拓撲法定性地對變電站內干擾源與敏感設備的耦合方式進行了分析［9］。文獻［10］從硬件和軟件兩個方面提出了電子設備的抗電磁干擾措施，就如何提高設備數據采集系統的準確性進行研究。但是變電站作為電力系統中一二次設備最密集的場所，存在多種電磁干擾源，其與二次系統的電磁耦合路徑更是復雜多樣，因此如何完整地定量研究變電站內電磁干擾源與二次系統之間的耦合機理仍然是個待解決的問題［11-13］。

本文首先介紹變電站內常見的典型電磁干擾源，其次從傳導耦合、感應耦合、輻射耦合3個電磁耦合方式出發給出了變電站內二次設備的電磁干擾耦合路徑，接著建立了變電站中電磁干擾源與二次系統的整體耦合對應關系，最后根據所研究的電磁耦合機理提出了二次設備的抗干擾措施。

1 變電站主要的電磁干擾源

變電站內電磁干擾的存在形式主要有暫態和穩態兩種，一種是以開關操作、系統運行故障、雷擊等造成的瞬態電場、磁場形式存在，另一種是以工頻電壓、電流和電場、磁場形式存在。

1.1 瞬態干擾

1）高壓開關操作產生的暫態干擾

變電站內斷路器和隔離開關在操作過程中會在回路中產生頻率為幾十kHz 到幾十MHz 高頻震蕩，其瞬態電流和暫態過電壓會通過電流互感器和電壓互感器等測量設備直接耦合到二次系統［14］，影響二次系統的正常運行。

2）雷擊干擾、系統短路

由于變電站內有避雷針保護，很少發生直接雷擊，因此變電站內雷擊干擾只考慮感應雷擊造成的電磁干擾。感應雷擊和系統短路都會在周圍空間產生強烈的輻射電磁場，會在地面上的金屬導體感應出很高的電流，引起地電位的增高。這種大的干擾電流和干擾電壓會通過各種耦合方式對二次系統產生影響。

3）電快速瞬變脈沖干擾

電快速瞬變脈沖干擾的特征為幅值高、頻率高，會對二次設備的輸入輸出端口和數字系統產生較大的影響。電快速瞬變脈沖波形如圖1所示［15-16］。

圖1 電快速瞬變脈沖波形Fig.1 Electrical fast transient pulse waveform

1.2 穩態干擾

1）變電站內母線、設備產生的工頻電磁場

母線、變壓器、發電機等設備會在周圍產生工頻電磁場。給定點處場強的大小分別取決于線路電壓和電流以及線路結構。由輸電線路產生的工頻電場一般在邊相導線向外方向迅速衰減，空間任一點場強的大小和方向都是隨時間周期變化的。110～500 kV 的變電站中多數區域電場小于4 kV/m，工頻磁場感應強度小于0.02 mT［6］。

2）無線電設備產生的輻射干擾

無線電臺、無線發射機、電視臺等都會產生電磁輻射源。變電站內工作人員使用無線電通信工具，如步話機時就會產生輻射干擾。

綜上所述，變電站中常見的電磁干擾源示意圖可用圖2表示。

圖2 變電站中常見的電磁干擾源Fig.2 Common electromagnetic disturbance sources in a substation

2 耦合方式分析

電磁干擾源通過各種耦合路徑將電磁干擾能量施加到敏感設備上。變電站中電磁干擾的耦合路徑主要有傳導耦合、感應耦合、輻射耦合3 種方式，其中感應耦合又分為電感性耦合和電容性耦合［17］。

2.1 傳導耦合

傳導耦合是指干擾源和敏感設備通過公共電路直接連接產生耦合，所以也稱為公共阻抗耦合［9］。如圖3所示，電路1和電路2的地電流都流經共地電阻，電路2的電流會在電路1中耦合出干擾電壓，干擾電壓大小取決于公共阻抗幅值。

圖3 共阻抗耦合示意圖（接地回路）Fig.3 Schematic diagram of common impedance coupling

在變電站中由于公共接地網的存在，在發生雷擊、系統短路故障時與接地網相連的二次設備以及電纜上也會出現干擾電壓，且隨著接地電阻的增大而增大。

2.2 電容性耦合

干擾源與被干擾源電路之間存在著電容通路，干擾源和二次系統兩者之間的分布電容是干擾入侵的主要通路。圖4為兩電路間電容性耦合模型。其中電路1上的電壓U1為干擾源電壓，電路2為受影響的電路即敏感電路。R為電路2與地之間的電阻，電路1、2各自對地的分布電容分別為C1g、C2g，電路1、2 之間的分布電容為C12。

圖4 兩電路間電容性耦合模型Fig.4 Capacitive coupling model between two circuits

因此當敏感電路的電阻值較小時，電容性耦合可以用連接在敏感電路與地之間的一個幅值為In=jωC12U1的電流源來模擬。

電路間的分布電容C12和兩電路間的距離有關，干擾源與敏感設備間的距離越短，C12越大，電容性耦合就越嚴重。在變電站中當回路中存在耦合電容器、電容式電壓互感器等電容性設備時，干擾回路的暫態電壓更容易通過電容性耦合方式對二次系統產生干擾。

2.3 電感性耦合

電感性耦合是由于兩電路之間存在著互感而產生的，一個電路中電流的改變引起磁交鏈而耦合到另一電路。變電站中除了發生事故時一次回路中會產生大電流，開關操作也會產生多次的重燃弧，在線路上產生脈沖電流，對二次系統造成干擾。

圖5為電感性耦合模型示意圖，當電路1中存在電流I1時，會在電路2 中產生磁通，使電路1、2 之間存在互感M12。

圖5 兩電路間電感性耦合模型Fig.5 Inductive coupling model between two wires

電路1 中的干擾電流I1在電路2 中產生的干擾電壓Un為：

由式（4）可知，在干擾源幅值和頻率不變的情況下，可以通過減小兩電路間互感M12來減小在敏感設備中產生干擾電壓，具體可以采用調整兩電路的方向位置、減小敏感設備面積的方式來抑制干擾電壓［18］。

2.4 輻射耦合

干擾源產生的干擾能量以電磁波的形式通過空間耦合到二次敏感設備的耦合方式即為輻射耦合干擾。電磁輻射耦合的路徑具體可以分為以下4 種：天線與天線間的耦合、電磁場對閉合回路的耦合、電磁場通過孔縫的耦合、電磁場對線的感應耦合。

輻射耦合干擾可以分為遠場輻射耦合和近場輻射耦合。與干擾源的距離r<<λ/2π 的空間區域為近場區，λ為波長，此區域內電磁場的性質與靜電場和恒定磁場的性質基本相似。與干擾源的距離r>>λ/2π的空間區域稱為遠場區，在此區域內輻射耦合干擾以天線的形式進行［19-21］。

3 變電站電磁耦合機理分析

對于某一臺二次設備，在研究其電磁干擾耦合機理時需要考慮的區域包括設備周圍空間、設備內部的各個子空間、設備孔縫、連接設備以及設備內部的電纜等［22］。變電站某一個二次設備的電磁耦合路徑示意圖如圖6 所示。對于這個二次設備，外界電磁干擾可以通過輻射耦合、感應耦合、傳導耦合方式進入到敏感電路，設備不同區域之間通過電纜或孔縫建立聯系。

圖6 二次設備的電磁耦合路徑示意圖Fig.6 Schematic diagram of electromagnetic coupling path of secondary equipment

在變電站中電磁干擾源多、二次設備多，干擾源對二次系統的耦合是十分復雜的。針對這樣龐大的系統要給出完整的耦合路徑將會非常復雜。根據圖2中給出的變電站中常見電磁干擾源，可以列出其與二次回路的耦合對應關系，如圖7所示。

圖7 變電站中的電磁騷擾源與二次系統的耦合對應關系Fig.7 Coupling relationship between electromagnetic disturbance sources and secondary circuit in a substation

由圖7 可知變電站在發生雷擊、系統短路或者進行開關操作的時候會在大地和線路中產生過電壓和瞬態電流，并會向周圍輻射電磁場。電磁干擾會通過多種方式、路徑耦合到二次系統中，這些耦合路徑包括空間、母線、TA、TV、電纜、二次設備線纜等。同時射頻設備也會通過輻射耦合對二次設備產生一定的干擾。

以感應雷擊產生的電磁干擾為例對干擾源與二次設備之間的電磁耦合機理進行分析。雷電流通過避雷器引入大地，進而通過周圍土壤和變電站接地網向外擴散，造成地電位變化，會對與接地網相連的設備產生影響。同時發生雷擊時，雷電流會在周圍產生瞬態電磁場并通過輻射耦合方式穿過變電站控制室墻壁和設備外殼進入到設備內部，對其工作產生影響。

4 抗干擾措施

為了提高變電站內二次設備的抗電磁干擾性能，應從電磁干擾三要素出發，首先需要明確干擾源，減少干擾源產生干擾能量的幅值和頻率。其次需要切斷干擾源和二次系統之間的耦合路徑，最后采取各種抑制電磁干擾的方法來降低二次設備本身的電磁敏感性。由于變電站是個十分復雜的系統，在一次系統正常運行的情況下必定會向外傳輸電磁干擾能量，因此采用合適防護和抑制措施來切斷電磁耦合路徑是十分重要的。可以采取屏蔽隔離、濾波、接地等方式來減小干擾源對二次系統的電磁干擾。

4.1 屏蔽

在變電站中可以選用由高導電性金屬材料制成的屏蔽機殼對二次設備進行屏蔽和隔離，機殼起到電磁屏蔽罩的作用，金屬屏蔽機殼必須有效接地。圖8 為二次設備具有屏蔽體時兩電路間電磁耦合模型。

圖8具有屏蔽體時兩電路間電磁耦合模型Fig.8 Electromagnetic coupling model between two circuits with shield

沒有屏蔽機殼時，干擾源U1在電路2 上感應出的干擾電壓Un為：

二次設備具有屏蔽機殼時，干擾源U1在電路2 上產生的干擾電壓Un為：

式（5）、式（6）中，C12為干擾源與被干擾設備之間的分布電容，C2S為被干擾設備與其屏蔽體之間的互容，C2g為被干擾設備對地的分布電容。由于C12很小，且有C12<

因此在變電站中可以對電磁干擾源、敏感設備加裝屏蔽套來有效地減少電磁干擾，必要時可以采用雙層屏蔽的方式來進一步減少電磁干擾帶來的影響［23-25］。

4.2 接地

對變電站中一次、二次系統進行合理的接地可以對電磁干擾起到一定的抑制作用。

對變電站內一次設備進行接地可以從源頭上減少電磁干擾。在對一次系統進行接地時，對于引入瞬態大電流的區域，如開關場、避雷器接入地點等位置需多鋪設接地線，起到降低由瞬態大電流引起的地網中的瞬變電位升高和地網中各點瞬變電位差的作用，從而降低輻射出的電磁干擾能量。

從安全方面和抗干擾性能考慮，需要對二次設備的外部金屬機殼和內部電路屏蔽機殼有效接地。其次，對于設備內部的電路部分，需要進行工作接地，起到抑制地環流引起的電磁干擾，防止靜電累積。設備存在多級PCB板時，需要遵循一點接地的原則，即將地線連在一塊同時接入接地網，電路板內各點和接地線對金屬機殼的電位同時變化，接地線起到電壓基準的作用［26］。

4.3 濾波

選擇合適的抗電磁濾波器可以有效濾除不需要的頻帶干擾。變電站內常用的濾波器種類有電感濾波器、電容濾波器和RC 濾波器3 種。一般將RC 濾波器加在交流采樣的小電壓互感器和小電流互感器的二次側上，如避雷器在線監測裝置的穿心式電流傳感器，可以起到濾去高頻干擾信號的作用。

5 結語

本文分析了變電站中常見的瞬態和穩態電磁干擾源，并從傳導耦合、感應耦合、輻射耦合3 個方面對電磁耦合方式進行了分析，在此基礎上給出了變電站內二次設備的耦合路徑并建立了變電站中電磁騷擾源與二次系統的整體耦合對應關系。根據電磁耦合機理提出了變電站二次設備抗干擾措施，采取屏蔽隔離、接地、濾波等措施可以有效切斷電磁干擾耦合路徑，減少設備受到的干擾，優化二次設備的工作環境。

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