保護裝置交流回路EMS測試對源影響的研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 陳志鋒 鄧穎寧 金 震

由于電力行業的特殊性和重要性，業內對保護裝置電磁兼容（EMC）性能具有嚴格的要求。而交流采樣回路端口作為傳統帶模擬量保護裝置的重要接口，經常受到現場各類干擾影響，因此在電磁兼容抗擾度試驗中，其經常作為重要測試端口而進行各類干擾測試。測試過程中，經常會碰到交流回路受干擾后導致采樣異常，進而判斷得出保護裝置功能下降的結論。這類異常應是樣品本身硬件質量不過關產生的，但另一種大概率是輔助設備帶來的問題。業內通常稱輸出模擬量的輔助設備為“源”，本文針對輔助“源”本身因干擾對其輸出產生的影響原因進行了分析，并對如何消除此類影響提出了一些建議。

1 EMC 產品標準中與保護和測量功能有關的試驗要求

交流采樣回路端口作為保護裝置的一種輸入端口，其主要作用就是隔離并線性接收來自一次電力設備中相關交流電壓與電流模擬量，在電力標準中，通常以這些輸入端口的模擬量及變化值作為保護或者測控功能的主要考察量，從而達到監控電力系統實時狀態。電力系統相關產品標準中，均對交流端口的EMC 抗擾度測試要求。

以繼電保護產品標準IEC 60255-26:2023[1]《量度繼電器和保護裝置 第26部分：電磁兼容要求》為例，抗擾度的驗收準則中“保護和測量功能”有專門要求，內容規定如下：保護要求——“試驗中和試驗后，在規定限值內性能正常”；測量要求——“試驗期間沒有性能下降”。考察上述功能，一般是通過交流回路采樣的結果來判斷是否合格。

2 EMC 產品標準測試項目與輔助“源”在EMS 測試中應用

如圖1所示，對于保護裝置交流回路端口，標準中規定有多項電磁兼容抗擾度EMS 試驗項目，主要是輻射抗擾度測試RS 和傳導抗擾度測試CS，目的都是考察交流回路在干擾下的采樣情況，以判斷樣品功能是否合格。RS 主要是高頻運行設備產生的對外空間輻射抗擾度測試，CS 主要是類似靜電、浪涌、快瞬、射頻傳導感應場和阻尼震蕩波等傳導類抗擾度測試，此類傳導干擾通常通過線纜間的分布電容間接耦合或直接傳導到設備上。從干擾傳輸方式看，傳導干擾比輻射干擾影響結果更直接；從各項干擾對交流回路端口的實際測試結果來看，CS 相對RS 對交流回路試驗影響比較大。

圖1 保護裝置交流回路端口EMS 測試

交流回路EMS 行業內試驗通常做法：首先挑選合適的輔助“源”（一般用繼電保護調試儀器模擬來自電力系統的交流采樣，方便快捷），給樣品交流回路加設定的試驗激勵量，樣品設置好保護定值后，施加各種干擾觀察并判斷樣品的運行狀態是否符合標準要求。以輻射抗擾度測試為例，輔助“源”通過暗室外部的濾波器后給暗室內部的樣品加激勵量，暗室內的電磁輻射干擾因屏蔽效應不會對暗室外的“源”有影響；而傳導抗擾度測試（CS）中，交流回路端口試驗時，輔助“源”通過EMC 設備（譬如耦合去耦網絡CDN）后施加激勵量給樣品，此時“源”與干擾發生器置于同一時空，試驗時干擾發生器可能會對“源”產生一些異常影響。

注：繼電保護其他端口進行傳導干擾試驗時，偶爾也會發現在某些種類干擾作用下，“源”也可能輸出不正常量給交流回路。此類問題應在測試中應予以重視。

3 EMS 試驗中由輔助“源”引起的交流回路采樣出現異常及原因

在保護裝置產品交流回路進行抗擾度試驗時，加量后的裝置可能會出現一些異常現象，這些異常現象通常包括：保護拒動或者誤動；交流回路的采樣值超出樣品干擾下允許的偏差。

針對上述現象，首先考慮交流激勵量通過EMC 設備后畸變失真因素，一般該情況影響較小，不足以對測試結果產生大的影響。細究其他原因，一方面是交流回路本身硬件設計薄弱產生的問題，然而大部分原因卻是由施加交流激勵量的輔助“源”受到不同類型干擾后，其輸出已經異常，也就是說此時“源”已經不干凈了，導致工作正常的交流回路采到異常的量，從而樣品出現異常，試驗誤判不合格。

例如，某產品進行某項CS 抗擾度最高等級試驗時，通過某型號繼電保護測試儀輸出有效值為0.95A（峰值1.344A）的激勵電流給保護樣品交流回路，進行保護動作試驗，保護裝置動作電流定值設定為1A，結果保護裝置報過流保護動作跳閘后，檢查保護裝置錄波發現電流采樣波形出現了異常。如圖2所示，該繼電保護測試儀受到干擾后，輸出一個4.655A 瞬時突變值，按保護一個周波24點采樣算法真實輸出電流有效值為1.344A，超過保護動作定值了。

圖2 保護裝置真實采樣電流

為驗證該型號繼電保護測試儀性能，用干擾儀直接對其施加較低等級的干擾發現，其輸出已明顯不正常，說明該產品設計的EMC 性能沒有過關，影響了測試結果評判。電力系統控保裝置測試中經常碰到此類現象，每個實驗室或檢測機構都在為規避這些問題尋找解決方法。

究其原因，相對RS 測試，傳導敏感度測試CS對輔助設備的影響比較大，在靜電、快瞬、浪涌、阻尼振蕩波和射頻傳導感應場測試中尤為明顯。這些測試名為傳導干擾，實則其有高低頻成分存在，高低頻特性兼有，不能簡單地認為干擾模式為傳導干擾，通常測試時輔助設備性能不過關，是傳導和輻射干擾同時耦合作用，最終影響“源”的輸出。因此，不同干擾對“源”影響還需考慮干擾的頻率特性及耦合方式[2-5]，表1為主要抗擾度測試的頻率成分及耦合方式。

表1 主要抗擾度測試的頻率成分及耦合方式

以快速瞬變為例，其頻率分布寬，干擾信號通過傳導和空間電磁輻射耦合傳播干擾能量。若按標準IEC 60255-26最高測試等級4kV 測試，發生器輸出能量強度大，干擾耦合方式可在傳導與輻射之間相互切換。當干擾以空間輻射輸出時，此時“源”的輸出接線可作為天線把干擾轉換為傳導引至儀器內部，干擾能力設計不過關的儀器很容易輸出錯誤的量，導致“不干凈”。當然，其他傳導干擾也有類似現象，也可通過各種不同耦合方式把不同強度的干擾注入“源”上，影響其輸出。

4 如何得到一個干凈的抗干擾性能好的源

為避免抗擾度試驗中輔助“源”對測試結果產生異常影響，給試驗提供一個可靠且干凈的“源”，有必要提升其相關干擾試驗的抗擾度水平。從電磁兼容三要素的電磁干擾源、耦合途徑和敏感設備來考慮，電磁干擾源本身就是干擾發生器，這無法改變，但可以從耦合途徑和敏感設備做一些手段與方法來處理。

本文認為，具體可以從以下幾個方面進行改善：一是“源”生產廠家提高軟硬件的設計水平，提升抗擾度設計水平，用戶注意儀器選型；二是“源”接線時，應注意儀器可靠接地；三是“源”加量輸出線根部應繞多匝線通過共模磁環或者加退耦鉗，防止高頻干擾沿線纜進入儀器內部；四是“源”在空間上應與干擾發生器保持足夠空間距離；五是必要時，試驗放屏蔽室內進行，“源”放屏蔽室外，經濾波器加激勵量；六是為防止浪涌等高能量干擾打壞儀器，可以在“源”與干擾發生器之間加裝一個中轉過渡盒，該盒內部電路設計抑制浪涌、快瞬等干擾（功能類似濾波器），避免直接損壞儀器。若沒有現成繼電保護儀器，也可以搭建一個簡易電路。

如圖3所示，交流源因采用市電失真度較高，可選用大容量變頻器，通過一個可調隔離變壓器轉換輸出電壓，串接一個可調電阻后通過干擾發生器的CDN 后接入樣品的交流回路，調整合適的電壓和電阻得到試驗用的電壓或電流模擬量。該回路也可有效消除試驗時干擾的影響。采用上述手段，通過長期試驗實踐觀察，基本可避免“源”受干擾影響的結果，保障試驗順利進行。

圖3 模擬激勵量簡易電路

5 結語

本文針對在保護產品交流回路進行抗擾度試驗時出現的因輔助“源”本身受干擾導致的異常現象，分析了具體原因并對如何消除此類影響提出了一些建議。本文提到的一些試驗問題，行業內從業者可能也碰到過，而本文提出的改進試驗方法，在實際測試中確實改善了“源”的輸出，這對產品的型式試驗有一定的借鑒意義。同時，為更好滿足此類試驗要求，“源”生產廠家要提高產品可靠性設計水平，并建議行業內對加量的輔助設備制定產品標準，尤其是EMC 方面的嚴苛等級要求。