智能變電站電子式互感器電磁干擾分析

趙 鵬，趙明敏，林珊珊，楊志超

(中國電力科學研究院，北京 100192)

0 引言

隨著電網智能化的普及，智能電子設備的應用規模大幅上升。智能變電站中的電子式互感器、智能組件、狀態監測等智能電子裝置開始大量應用。智能電氣設備的優勢已經在理論上得到驗證。然而，智能變電站內強電設備和弱電設備并存的事實導致了其電磁兼容的復雜性。布置于高壓裝置旁的智能電器設備的可靠性會大大降低。智能電子設備在現場運行中的可靠性，已成為制約智能變電站發展的瓶頸之一[1-3]。

變電站現場運行時會遇到各種各樣的電磁騷擾。隨著輸電電壓等級的提高，電磁騷擾問題會更加嚴重。以電子技術為基礎的智能電氣設備對電磁騷擾的敏感度越來越強。因此，如何在變電站有限的空間內，保證智能電氣設備在復雜電磁環境中的可靠性，已成為電力工業界研究的重點[4]。

為了研究變電站的實際工況環境，本文以有源電子式電流互感器為例，對其所處安裝位置的電磁環境進行測量、分析、評估，以混合干擾的形式提出了一種智能電氣設備的電磁抗擾性能測試方法。

1 電子式互感器技術及其背景

互感器是電力系統中進行電能計量、測量、控制、保護等的重要設備，是電力系統中必不可少的核心設備，其精度及可靠性與電力系統的安全、穩定和經濟運行密切相關。隨著電力工業的發展，電力系統傳輸容量不斷增大，電網運行電壓等級越來越高。傳統的電磁式電力互感器已越來越不適應這種發展情況，在運行中暴露出絕緣結構復雜、易飽和、輸出受二次側負載影響等缺點。電子式互感器采集卡監測系統硬件組成如圖1所示。

圖1 電子式互感器采集卡監測系統硬件組成圖

與傳統電磁式互感器相比，電子式互感器具有體積小、質量輕、頻帶響應寬、無飽和現象、無油化結構、絕緣可靠等諸多優點，因而更能順應電網智能化的發展[5]。但相對于傳統電磁式互感器近一個世紀的運行實踐經驗而言，電子式互感器還只是一個新生事物，其可靠性分析、連續運行數據分析以及電磁兼容等方面仍有待深入研究[6-7]。

目前，國內外已經有多個智能變電站應用了電子式互感器。國家電網公司110 kV以上電壓等級的智能變電站有部分采用了電子式互感器[8]。但電子式互感器新增了數字采集電路和通信網絡系統，在具有諸多技術優勢的同時，與一次設備的近距離安裝也會引發傳統互感器的新問題[9]。工程實施結果表明，電子式互感器的穩定性和可靠性還有待進一步改進和提高。導致這些新問題的主要原因是傳統可靠性判別方法對新電氣設備存在認識誤區，導致技術措施的缺失[10]。

國內外學者也注意到了電子式互感器采集卡的可靠性問題。有學者從變電站干擾源入手，研究暫態地電位升的暫態特性及其抑制方法[11-12]。文獻[13]研究了羅氏線圈的暫態高頻模型，通過分布參數仿真和實測信號波形的對比，驗證了分布參數模型對羅氏線圈的模擬；文獻[14]和文獻[15]分別從中值濾波算法和基波相位同步算法的角度，對采集卡的輸出波形進行優化；文獻[16]設計了電磁兼容試驗。目前，困擾電子式互感器采集卡可靠性的典型問題有屏蔽接地、抗干擾和自身電磁發射。同時，溫濕度[17]、震動及外部穩態磁場等因素也會影響內部積分器的穩定、可靠運行。綜上所述，本文將對強電磁干擾環境下的電子式互感器采集卡的電磁兼容性能展開研究。

2 變電站的現場的電磁環境測試

為了解變電站中電磁環境的惡劣程度，在某500 kV智能變電站進行了暫態電磁環境測試。考慮到探頭系數，空間暫態電場的峰峰值約為5 kV/m，互感器的暫態地電位升峰值約為5.5 kV。 某500 kV變電站開關動作測試波形如圖2所示。

同樣地，某220 kV變電站開關動作測試波形如圖3所示。暫態電流峰峰值為20 A，暫態電壓峰峰值約為1.6 kV，在100 μs以內出現了三次暫態尖峰。

通過測試可以看出，在變電站常規的開關動作時，產生了數kV的暫態地電位升和數kV/m的暫態電場；而互感器采集卡恰恰布置在一次側附近，所受到的電磁環境極度惡劣[18]。對于空間輻射干擾來說，GB/T 17626.3的穩態試驗標準最大電場強度為10 V/m，但實際上并不能體現開關動作時的電場暫態干擾特性。變電站中隔離開關操作時，斷口拉弧在附近產生的電場強度峰值可達數kV/m。這樣劇烈的瞬態電磁干擾，GB/T 17626.x標準還未涵蓋。這也超出了人們的慣性思維[19]。因此，本文提出了一種新的標準化混合干擾測試方法，以模擬變電站惡劣且復雜的電磁環境；同時，通過與常規標準化抗擾度測試作對比，突出標準化混合干擾對電子式互感器采集卡的影響。

圖3 某220 kV變電站開關動作測試波形

3 標準化抗擾測試

變電站內有諸多電磁干擾。干擾源大體可分為:高壓開關操作、雷擊、系統短路故障、感應電磁場等[20]。電子式電流互感器所適用的國家標準GB/T 17626.1[21]，明確列出了電子式互感器的電磁抗擾度要求。部分電磁抗擾度標準如表1所示。

表1 部分電磁抗擾度標準

但這些標準僅適用于傳統的電磁式互感器和相關二次設備。安裝在變電站氣體絕緣變電站中一次側設備附近的電子式互感器，直接運行在高壓設備本體附近，工作場中的電磁干擾強度遠遠超過其他任何電子裝置。以上標準列表中尚缺乏針對這種特有工況的標準或者條款。

本文以中國電力科學研究院的試驗條件作為支撐[22]，對互感器采集卡影響較為嚴重的暫態脈沖群、阻尼振蕩波、浪涌、射頻抗擾進行標準測試。試驗室標準化傳導抗擾測試布置如圖4所示。

圖4 試驗室標準化傳導抗擾測試布置示意圖

由于測試輸出量為工頻50 Hz正弦波，但以s為時間尺度輸出波形較為密集，難以看出工頻的特征。受到干擾的輸出波形如圖5所示。

圖5 受到干擾的輸出波形

由于受到的電磁干擾為毫秒級別，采集卡的輸出波形往往在秒級才可判斷受擾程度。采集卡的測試輸出波形數量繁多且幅域寬泛，若干輸出結果堆疊在同一個表格中會顯得擁擠雜亂。包絡可以簡化輸出波形，同時反映采集卡受擾后的輸出特性。為了便于讀者理解，下文均以采集卡輸出波形的上包絡形式來表示采集卡的受擾程度。互感器采集卡受到射頻干擾的輸出波形如圖6所示。

圖6 互感器采集卡受到射頻干擾的輸出波形

本文采用包絡的方法，僅評價互感器采集卡的輸出波形在宏觀上的受擾程度，而不拘束于每個工頻正弦波的表現。射頻干擾影響下的輸出結果可以直接簡化為一條曲線，代表在不同頻段下互感器采集卡的射頻受擾程度。

從圖6可以看出，在190 MHz和250 MHz附近的頻段下，互感器采集卡受到了干擾的影響。由于從80 MHz～1 GHz掃頻耗時長，且250 MHz頻段附近受到的干擾較大，因此后文射頻干擾均以250 MHz的頻率為干擾源進行測試。

在單一項穩態30 V/m的射頻干擾強度下，電子式互感器采集卡的輸出波形并沒有受到很大的影響，且采集卡輸出的包絡線正向幅值大約為110 A。但通過變電站實測的3.5 kV/m瞬態電場強度可知，現有的國家標準尚未完全體現變電站現場環境的惡劣狀況。

互感器采集卡受到浪涌的輸出波形包絡如圖7所示。對于高能低頻的浪涌，高能量確實會影響采集卡的輸出波形異常，造成畸變；但采集卡輸出波形的包絡畸變無論是幅值還是頻率都沒有高頻干擾的畸變明顯。因此，下文的混合干擾主要以高頻干擾源為主，模擬變電站的惡劣電磁環境，檢測互感器采集卡的電磁敏感度和可靠性。

圖7 互感器采集卡受到浪涌的輸出波形包絡

分別對互感器采集卡施加5 kHz和100 kHz的暫態脈沖群，干擾強度為2～4 kV。互感器采集卡施加暫態脈沖群后的輸出波形包絡如圖8所示。暫態脈沖群的發射周期為300 ms，因此每隔300 ms，采集卡的輸出波形整體都會出現正極性畸變。無論是畸變波形的偏移量，還是畸變尖峰幅值，100 kV比5 kHz的畸變波形更嚴重。

同樣的測試布置條件，繼續進行標準化的阻尼振蕩波測試。1 MHz的阻尼振蕩波輸出波形包絡如圖9所示。將500 V強度的1 MHz阻尼振蕩波施加在電子式互感器采集卡上時，輸出波形幾乎沒有受到影響。但隨著電壓等級的提高，在施加1～2 kV的1 MHz阻尼振蕩波時，互感器采集卡的輸出波形會依據阻尼振蕩波的發射周期而整體正方向偏移。偏移程度隨著阻尼振蕩波波形強度而增加。但當受到2.5 kV和3 kV的1 MHz阻尼振蕩波干擾時，互感器采集卡的輸出波形的偏移程度并未明顯增加，但采集卡輸出的瞬態尖峰較其他電壓等級的干擾增大較多。

圖8 互感器采集卡施加暫態脈沖群后的輸出波形包絡

圖9 1 MHz阻尼振蕩波的輸出波形包絡

相比于高頻低能的暫態脈沖群，對互感器采集卡施加高頻高能的阻尼振蕩波，采集卡所輸出的波形有劇烈的畸變。這就說明阻尼振蕩波對互感器采集卡的穩定性的影響要比暫態脈沖群更大。

采集卡受到100 kHz阻尼振蕩波的互感器輸出波形包絡如圖10所示。

當互感器采集卡受到100 kHz的阻尼振蕩波時，采集卡輸出波形包絡比1 MHz的畸變更加明顯，如圖10(a)所示。相較于500 V電壓等級的1 MHz阻尼振蕩波的近乎直線，受到500 V電壓等級的100 kHz阻尼振蕩波的畸變程度更為劇烈，出現輸出整體偏移的同時也會出現畸變尖峰。隨著受擾程度愈來愈大，畸變尖峰和偏移程度也隨之增加。圖10(b)是受到2～3 kV的100 kHz阻尼振蕩波時，經過上包絡處理的采集卡輸出波形。出現的畸變尖峰隨著阻尼振蕩波受擾電壓等級的提高而變大，其輸出波形的偏移程度也隨之增加。

圖10 采集卡互感器受到100 kHz阻尼振蕩波的輸出波形包絡

綜上可知，100 kHz是電子式互感器采集卡的敏感頻段，尤其是遇到阻尼振蕩波這種高能高頻干擾信號，使得互感器采集卡受到此頻點附近的干擾信號極易失效。下文的混合干擾測試主要以對互感器采集卡影響較大的阻尼振蕩波作為研究對象，同時以暫態脈沖群作為參照進行對比。

4 混合干擾

上文已經分析了經過標準化抗擾度測試的互感器采集卡輸出響應。當前的國內電磁兼容抗擾度標準已經遠不能滿足現有的電壓等級標準。因此，本文提出了混合干擾的概念，考核在智能變電站一次側設備周邊布置的電子式互感器采集卡[23]，以檢驗變電站在極端電磁環境下互感器采集卡的抗擾度性能。

4.1 射頻抗擾與暫態脈沖群共同作用

相較于單獨施加暫態脈沖群干擾的情況，與射頻電磁場共同作用下的5 kHz或100 kHz暫態脈沖群干擾并不明顯，且100 kHz的暫態脈沖群整體受擾程度大于5 kHz的暫態脈沖群的受擾程度；甚至在同樣的縱坐標尺度下(50～200 A)，混合干擾作用下的采集卡輸出畸變，要比單一干擾下的采集卡輸出畸變更小。

暫態脈沖群和射頻電磁場共同施加作用的輸出包絡如圖11所示。

圖11 暫態脈沖群和射頻電磁場共同作用的輸出包絡

4.2 射頻抗擾與暫態脈沖群共同作用

阻尼振蕩波和射頻電磁場共同作用的輸出包絡如圖12所示。

圖12 阻尼振蕩波和射頻電磁場共同作用的輸出包絡

當1 MHz的阻尼振蕩波和射頻干擾共同作用時，采集卡的輸出波形較單一阻尼振蕩波干擾時沒有明顯的畸變，混合受擾程度也與單一干擾相類似。但當100 kHz的阻尼振蕩波和射頻干擾共同作用在采集卡時，如圖12(b)所示，輸出的畸變尖峰反而減小。尤其是2 kV以上的采集卡輸出，不如100 kHz阻尼振蕩波干擾單獨施加在采集卡的輸出波形畸變嚴重。

當射頻干擾與暫態脈沖群和阻尼振蕩波共同疊加在采集卡時，互感器采集卡受擾程度幾乎不受空間輻射射頻干擾的影響，由此體現傳導方面阻尼振蕩波和暫態脈沖群的受擾特征。同時，射頻干擾與高頻傳導干擾(阻尼振蕩波、暫態脈沖群)共同施加在互感器采集卡上時，反而會抑制高頻傳導信號，采集卡輸出波形的畸變程度較單一干擾下輸出波形的畸變程度有所減小。

4.3 阻尼振蕩波與暫態脈沖群共同作用

阻尼振蕩(damped oscillation,DO)和2 kV電快速瞬間(electrical foot transient,EFT)施加在采集卡上的輸出包絡如圖13所示。

圖13 DO和2 kV EFT施加在采集卡上的輸出包絡

將圖13與圖10相比，發現圖13中采集卡的受擾程度較單一100 kHz阻尼振蕩波的受擾程度更加嚴重，說明了施加2 kV的100 kHz暫態脈沖群會降低采集卡的可靠性。

相較于圖13(a)，圖14(a)中3 kV的暫態脈沖群施加在互感器采集卡后的輸出特征更加明顯，所呈線的“鋸齒波”峰值更高，同時輸出波形發生更加嚴重的偏移。隨著阻尼振蕩波(500～1 500 V)電壓的提高，整體偏移程度更加明顯。但當阻尼振蕩波繼續增加到2 kV時，采集卡輸出波形出現了明顯的畸變尖峰，且尖峰的數量和幅值隨著阻尼振蕩波的增加而增加。

DO和3 kV EFT施加在采集卡上的輸出包絡如圖14所示。

DO和100 kHz 4 kV EFT施加在采集卡上的輸出包括如圖15所示。

圖15 DO和100 kHz 4 kV EFT施加在采集卡上的輸出包絡

相較于圖14(a)，圖15(a)中4 kV的暫態脈沖群施加在互感器采集卡后的輸出特征最為明顯，所呈線的“鋸齒波”峰值達到最高，而且隨著阻尼振蕩波從500～1 500 V的提高，整體偏移程度明顯。但當阻尼振蕩波繼續增加到2 kV時，采集卡輸出波形出現了明顯的畸變尖峰，且尖峰的數量和幅值隨著阻尼振蕩波的增加而增加。

5 結論

在智能變電站二次側設備受到干擾日益嚴峻的情況下，通過對現場隔離開關動作時產生的暫態電壓和電流的實測，確認了布置在一次側附近的互感器采集卡的電磁環境極為惡劣。根據現有的國家標準，本文在試驗室條件下對互感器采集卡的抗擾度進行了標準化測試，發現100 kHz的高頻傳導干擾是互感器采集卡容易受擾的頻點。

為了模擬變電站的惡劣電磁環境，設計了關于暫態脈沖群和阻尼振蕩波的混合干擾試驗。經過混合干擾的實測，發現混合干擾會使得采集卡的抗擾度降低。當施加100 kHz的暫態脈沖群時，如果施加超過2 kV的100 kHz阻尼振蕩波，采集卡的輸出波形極易出現畸變；同時，100 kHz的暫態脈沖群會加劇這種現象，使互感器采集卡的電磁韌性進一步降低。因此，需要對100 kHz頻點的傳導干擾進行抑制。本文提出的混合干擾試驗是對國家標準的良好補充，但關于測試形式和電壓等級還需要進一步的探討。