智能變電站就地智能設備電磁兼容抗擾度實驗分析

嵇建飛 袁宇波 龐福濱

（江蘇省電力公司電力科學研究院 南京 211100）

1 引言

采用分散式布置時，變電站內的二次智能設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發展，二次智能設備就地布置成為趨勢，二次智能設備因受電磁騷擾而導致工作異常的情況屢有發生[1,2]。2011年，由于羅氏線圈電子式互感器受到開關及刀閘操作產生的干擾導致波形異常，國家電網公司基建部58號補充文件規定：在電子式互感器未完善前，新建變電站一律采用常規互感器配以合并單元實現模擬量就地數字化轉換，利用光纖上傳，提高其可靠性。變電站二次智能設備在出廠前都要進行電磁發射與抗擾度試驗評估，評估合格才能使用。我國的電磁兼容抗擾度試驗標準為GB/T17626，這個標準等同于IEC61000-4標準。

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行電磁兼容實驗標準的適用性，本文測錄了某110kV GIS和500kV GIS智能變電站斷路器和隔離開關操作在就地匯控柜CT（Current Transformer，電流互感器）端口產生的騷擾電壓，分析了騷擾信號的幅度和時頻特性。開展就地匯控柜智能組件電磁兼容實驗，在結合電磁兼容實驗結果和騷擾信號幅頻和時頻特性的基礎上，分析了國內現行電磁兼容抗擾度試驗標準的適用性，特別研究了IEC61000-4-18阻尼振蕩波試驗標準與實測波形的對應情況，最后對提高就地布置二次智能設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

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，采用常規互感器。某日啟動運行中發現，在合上隔離開關時，就地匯控柜內智能組件出現重啟現象。發生異常情況以后，對該110kV智能變電站進行了排查處理，處理流程如圖2所示。由圖可見，拉合隔離開關時產生的電磁干擾通過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，但是丟點現象依然存在。

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

由于智能組件丟點現象依然存在，因此對智能組件重新進行了電磁兼容相關實驗（圖4，圖5）。首先對合并單元的電源量、開入量、模擬量回路施加IEC61000-4-4標準規定的IV級嚴酷等級試驗（電快速瞬變脈沖：4kV、5KHz/100KHz，浪涌波形：4kV，8/20us），裝置運行正常，沒有出現丟點現象。提高試驗等級，在進行電快速瞬變抗干擾試驗時，對裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加遠高于四級（4.5kV以上、100KHz）干擾波形，裝置運行正常、但偶爾會出現丟點現象；在進行浪涌試驗時，對裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加遠高于四級（4.4kV，8/20us）浪涌波形，裝置運行正常、未出現丟點現象。

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

圖5 浪涌抗擾度測試圖Fig.5 Surge experiment

由于在進行非常規實驗時，合并單元出現丟點現象，因此對合并單元進行了整改措施，整改措施如下:

1)原設計采用雙DSP插件實現MU功能，DSP插件之間經過總線背板實現內部通信，新設計將雙DSP模塊集成到一塊插件上，取消經過總線背板的通信方式，此改進可以進一步提高裝置的抗干擾能力；

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

在改進合并單元機箱結構，改善箱體整體導電性能、并改進分板連接方式后，重新進行實驗，裝置運行正常、無丟點現象出現，抗干擾性能進一步提高；新裝置在電快速瞬變干擾實驗中，能夠確保在4.4kV/100KHz情況下，無丟點現象。

3 測錄電磁暫態信號

圖6 測錄電磁暫態騷擾信號Fig.6 Recording electrogmetic transient disturbance signal

圖6是測錄電磁暫態騷擾信號的示意圖和實物圖。電磁暫態騷擾信號測錄系統由示波器，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)位于匯控柜內底部，智能組件接地點位于其右下角。測錄地點選擇在就地匯控柜，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部的端子排上。

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

3.1 某110kV變電站

圖7 110kV GIS變電站隔離開關操作時，測得的電磁暫態騷擾時域波形Fig.7 Whenthedisconectorsoperated，the electromagnetic transientdisturbance time-domain waveform of every channel

圖7是110kV GIS變電站隔離開關操作時，測得的電磁暫態騷擾時域波形。隔離開關操作速度慢，產生多次電弧擊穿和重擊穿，隔離開關操作在二次設備端口產生數十次脈沖，電壓信號的波形比較接近，電流信號的波形也比較接近，有些差別是由于一次母線的瞬態電流波和電壓波耦合進各測量端口的路徑不同[5-8]。直流電源（差模干擾）通道騷擾信號最大峰峰值為300V，直流電源正對地（共模干擾）通道騷擾信號最大峰峰值為700V，CT二次側A相對地騷擾信號電壓峰峰值為1000V，CT二次側A相電流通道騷擾信號峰峰值為200V，合并單元地線對銅排的騷擾信號電壓峰峰值為3000V。

圖8 110kV GIS變電站隔離開關操作時，測得的電磁暫態騷擾頻譜Fig.8 When the disconectors operated,the electromagnetic transient disturbance frequency-domain waveform of every channel

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

3.2 某500kV變電站

圖9 5041開關投切5622線試驗前接線方式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，配置兩臺主變，四條出線。5041斷路器投切5622線試驗前接線方式如圖9所示。在5041斷路器投切5622線時，測錄斷路器操作產生的電磁暫態騷擾信號。5041、5042斷路器熱備用狀態，1號主變，2號主變運行狀態。

圖10 5041斷路器操作時，測錄的各通道電磁暫態騷擾信號時域波形Fig.10 When operating the 5041 breaker,the electromagnetic transient disturbance time-domain waveform of every channel

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

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

圖11 5023開關操作時，測錄的各通道電磁暫態騷擾信號時頻譜圖Fig.11 When operating the 5023 breaker,thetime-frequency spectrum of the electromagnetic transient disturbance

圖11是5041開關操作時，測錄的各通道電磁暫態騷擾信號時頻譜圖。圖中橫坐標代表信號頻率，縱坐標代表信號持續時間，填充顏色代表信號的功率譜強度從時頻譜圖上可以看出CT二次側A相電壓通道，VT二次側A相電壓通道的電磁暫態騷擾信號的時頻譜圖比較相似。在開關操作后的1us內，波形較強，頻率主要分布在0Hz至40MHz。直流電源通道的電磁暫態騷擾信號頻率主要分布在20MHz至150MHz。對于CT二次側A相電流通道，連續間斷出現若干串較強的脈沖，脈沖頻率從0Hz到20MHz。

4 實測波形與現有標準對比

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

圖12(a)是IEC61000-4-4標準規定的電快速瞬變信號單個脈沖典型波形[9][10][11]。典型的電快速瞬變信號是雙指數脈沖，上升時間是5(1±30%)ns，持續時間是50(1±30%)ns，當負載為1000?時，輸出最大開路電壓峰值為4kV，測得電壓峰值為4(1±20%)kV。

圖12(b)是IEC61000-4-5標準規定的浪涌(沖擊)信號單個脈沖典型波形，T1是波前時間，T2是半峰值時間[9][10][11]。浪涌波形發生器分為兩種，對于連接到對稱通信線的端口，應使用10/700us組合波發生器，波前時間T1為10(1±30%)us，半峰值時間為700(1±20%)us；對于連接到電源線和短距離信號互連線的端口，應使用1.2/50us組合波發生器，波前時間T1為1.2(1±30%)us，半峰值時間為50(1±20%)us。試驗嚴酷等級分為IV個等級，當試驗等級取最高第IV等級時，開路電壓峰值為4(1±10%)kV。由前面的測錄結果可知，智能組件地線騷擾信號峰峰值為4.6kV，此騷擾信號峰峰值大于IEC61000-4-4標準規定的IV級電快速瞬變脈沖峰值和IEC61000-4-5標準規定的IV級浪涌(沖擊)信號峰值。

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

而從實測的騷擾波形來看，開關操作產生的傳導騷擾信號類似于阻尼振蕩波（圖13）。以前的阻尼振蕩波標準針對AIS變電站開關操作，只包括100kHz和1MHz兩個振蕩頻率的波形，與GIS變電站開關操作電磁騷擾波形的差別較大。近年更新的IEC61000-4-18阻尼振蕩波試驗標準新增了快阻尼振蕩波，增加了3MHz、10MHz和30MHz三個振蕩頻率[12][13]。振鈴波是單次沖擊阻尼振蕩波，振蕩頻率為100kHz，除開放等級外，試驗等級分為4級，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騷擾一般也是1～3個阻尼振蕩波，與振鈴波具有可比性。阻尼振蕩波是重復波形，振蕩頻率有100kHz和1MHz兩種，重復率為100kHz時至少40次/s，1MHz至少400次/s，試驗等級上，除開放等級和等級4未給定具體數值外，前3級的共模電壓分別是0.5kV、1kV和2.5kV[11][12]。

開關操作引起的瞬態騷擾就是重復的阻尼振蕩波，在試驗幅值方面，110kV變電站和500kV變電站開關操作引起的騷擾信號峰值大于振蕩波抗擾度試驗標準規定的峰值；在試驗頻率方面，110kV變電站和500kV變電站開關操作引起的騷擾信號主頻都在兆赫茲級，目前最新的IEC61000-4標準在阻尼振蕩波抗擾度試驗上已經新增了3MHz、10MHz和30MHz的振蕩頻率，因此建議國標也能增加相應的振蕩頻率[13]。

5 結論

本文測錄了某110kV GIS變電站和500kV GIS變電站隔離開關和斷路器操作在就地匯控柜CT端口產生的騷擾電壓進行了測量，分析了電磁騷擾信號的幅值和時頻特性。在結合智能變電站就地匯控柜智能組件電磁兼容實驗和騷擾信號的幅值和時頻特性的基礎上，分析了國內現行的電磁兼容抗擾度試驗標準的適用性，特別研究了IEC61000-4-18阻尼振蕩波試驗標準與實測波形的對應情況，結論及建議如下：

1.110kV GIS變電站隔離開關操作在就地匯控柜智能組件端口產生的電磁騷擾信號幅值主要集中在高頻段，且不同通道測得的電磁騷擾信號在625Hz，4kHz，48kHZ，200kHz，600kHz，30MHz這幾個頻點附近都出現峰值，這一點應該引起重視。

2.110kV GIS變電站，500kV GIS變電站的隔離開關、斷路器操作在就地匯控柜智能組件端口產生的暫態騷擾信號最大幅值已大于當前國內標準規定的最高嚴酷等級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，此外在試驗頻率方面，實測的騷擾信號能量主要集中在兆赫茲級頻段，建議國內現行的電磁兼容試驗標準也能增加相應的振蕩頻率。

3.智能組件PCB背板設計和機箱的整體導電性能對其抗電磁騷擾能力非常關鍵。智能組件機箱采用全導電方式加工，取消經過智能組件背板電路板的通信方式或者加強經過背板通信的抗干擾性能。

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