基于小波变换的开关柜电磁干扰分析

朱晨光，徐铭辉，华争祥，胡 可

(平高集团有限公司 技术中心，河南平顶山467000)

基于小波变换的开关柜电磁干扰分析

朱晨光，徐铭辉，华争祥，胡 可

(平高集团有限公司 技术中心，河南平顶山467000)

开关设备运行过程中产生的暂态电磁干扰对二次电子装置的稳定运行有重要的影响。针对目前开关柜电磁干扰信号特征不明确，二次回路抗干扰能力不足的问题，提出了一种利用合成试验回路和光栅隔离采集系统进行不同运行环境下电磁干扰信号采集，利用db小波分析方法对干扰信号进行数学处理并提取出暂态电磁干扰的主要频带及能量分布的方法。研究表明：随着断路器开断电流数值的提升，由开断造成的电磁干扰呈现逐渐增强的态势，干扰电磁波频段为d4小波和d5小波所在的7.812 5～31.25MHz频段。为下一步研究暂态电磁干扰抑制方法，提升二次电子装置的电磁抗干扰水平打下了基础。

小波分析；暂态电磁干扰；能量特征

0 引言

10 kV开关柜是变电站或配电所面向用户供电的一级配电成套设备，在中压配电系统中用量巨大。随着电网容量的不断提升和用户对供电可靠性的不断提高，10 kV开关柜的安全稳定运行越发受到电力运维部门的重视。

早期的电力系统主要以一次开关设备为主，二次设备集成度低，电磁干扰的影响不明显。随着智能电网的建设与发展，二次设备的功能集成化、控制智能化增加了10 kV开关柜对电磁干扰的敏感性和脆弱性。由于开关操作、运行方式的改变等因素引起的瞬态电磁剧烈变化现象会波及周围的开关设备，产生的电磁干扰会通过导线传导方式耦合到二次装置的信号回路中，影响二次装置的稳定运行，甚至会发生安全事故[1]。

目前常用的信号分析方法主要有两种：傅里叶变换信号分析法和小波变换信号分析法。傅里叶变换是将信号分解成一系列不同频率正弦波的叠加，能够将时域特性转变为频域特性，能够较好地反映周期信号的全局特征，但对信号局部特征的分析能力较弱。小波分析是将信号分解为一些列小波函数的叠加，在时域和频域同时具有良好的局部化精度，可同时在时域和频域中对信号进行多尺度联合分析，适合于分析非稳定性的暂态信号。

开关柜断路器开断过程迅速，时间短暂，电磁干扰信号暂态特征明显，采用小波变换信号分析方法能够弥补傅里叶变换在时域、频域分辨率上的不足。本文通过合成试验回路和光栅隔离采集系统，模拟10 kV开关柜在不同运行环境下的开断过程并进行二次侧信号采集，采用db小波分析方法对二次侧信号进行分析处理，从而查找分析由开断产生的电磁干扰信号主要频带及能量分布。

1 开关操作时电磁干扰机理分析

断路器在瞬态开断过程中会产生很高的电压或电流变化率，这都将会通过线路中的寄生电感和电容造成很大的干扰。这些干扰会耦合到二次侧引起二次侧过电压或过电流，从而使二次侧保护设备误动甚至破坏设备。

断路器开断等效模型见图1 所示。

图1 断路器开断等效模型

当开关打开的瞬间，断开的母线侧由于在其杂散电容中已经储存了能量Q,所以母线侧电压将保持在恒定的电压水平：

触头另一侧的电位就是馈线端的正弦交流电压，触头两侧电位差的逐渐增大也使得触头间电场强度增大，最终达到绝缘介质的击穿场强从而电弧重燃。当断路器切断负荷尤其是感性负荷时会由于电流的突变而产生过电压，这个过电压会加在断路器断口两端，当绝缘强度没有完全恢复的时候就有可能使断口间隙再次被击穿，产生多次重燃。每一次的电弧重燃都会由于高压线路中的电容和电感而引入一个高频的阻尼正弦电流，由于高压回路中存在电容和电感，造成一系列的阻尼正弦振荡的叠加。这样使得幅值为工频的电流频率将达数百千赫兹到几兆赫兹，形成暂态电磁干扰源[2]。

2 开关柜电磁干扰信号测量

2.1 合成试验回路

合成试验回路是根据断路器在开断过程中大电流和高电压不同时出现在燃弧间隙上这一特点，采用两个电源来分别提供流过被试断路器的电流和作用于断路器两端的恢复电压的试验方法。本文中10 kV开关柜额定参数为额定参数为：50 Hz/2 000A,额定短路开断电流为31.5 kA。选择在110 kV/63 kA振荡电路型合成试验回路中开展实验。110 kV/63 kA振荡电路型合成试验回路电流回路输出短路电流值可达63 kA，开断方式为单相开断，完全能够满足10 kV开关柜的开断要求。合成试验回路原理图见图2所示。

图2 合成试验回路原理图

2.2 信号测量系统

由于二次侧信号幅值小，高频成份复杂，为了获得良好的试验结果，采用光栅隔离系统，对二次侧电流信号采用霍尔传感器进行测量。测量系统示意图见图3所示。

图3 测量系统示意图

2.3 二次侧信号测量

10 kV开关柜断路器开断所产生的电磁干扰主要可分为辐射干扰和传导耦合干扰。由于断路器位于金属封闭隔室内，开断造成的辐射干扰受金属腔体屏障限制，对外辐射干扰基本可忽略不计。电磁信号传导路径主要是通过与主回路互相耦合的电流互感器侵入二次电流信号回路，文中针对电流互感器二次侧回路信号进行测量和采集。信号采样频率为500 MHz，最大采样率为2.5 GSa/s，采样时间为20 ms，即一个完整波形周期。

测量环境一：模拟开关柜在额定参数下工作，由辅助断路器进行开断，设定电流源电流峰值为2 kA，恢复电压幅值为10 kV。在该环境下，测量电流互感器二次侧信号回路的输出信号，作为正常工作下的信号波形，在电源投入回路的前5 ms开始测量。利用Matlab对采集到的正常工作波形数据进行时域变换分析，波形图见图4所示。

图4 测量环境一输出电流时域波形

测量环境二：模拟开关柜在额定参数下开断，由开关柜断路器进行开断，设定电流源电流峰值为2 kA，恢复电压幅值为10 kV。在该环境下，测量电流互感器二次侧信号回路的输出信号，作为额定开断下的信号波形，在电源投入回路的前5 ms开始测量。利用Matlab对采集到的正常工作波形数据进行时域变换分析，波形图见图5所示。

图5 测量环境二输出电流时域波形

测量环境三：模拟开关柜在短路故障情况下开断，由开关柜断路器进行开断，设定电流源电流峰值为31.5 kA，恢复电压峰值为10 kV。在该环境下，测量电流互感器二次侧信号回路的输出信号，作为短路故障下的信号波形，在电源投入回路的前5ms开始测量。利用Matlab对采集到的短路状态下的波形数据进行时域变换分析，波形图见图6所示。

图6 测量环境三输出电流时域波形

信号时域图以开断第一个半波的起始点作为零时，从时域图看，在开断的零时刻和7～13 ms区间存在明显的电磁干扰，且干扰信号幅值较大。

在开断零时刻，存在尖峰电磁杂波干扰。是由于在零时刻，电流源、电压源依靠合闸断路器引入合成试验回路，合闸断路器处于合闸状态，合闸过程中，由于触头的接触和抖动产生电气间隙，引起电场强度的变化，产生瞬变电磁场，电磁信号耦合到测量系统进入采集系统。经时域图得知，在零时刻产生的电磁干扰幅值均在100 mV上下，较为稳定。由于断路器的运动特性，该电磁干扰信号在实际试验中是无法消除，因此在分析过程中暂不考虑。

7～13 ms区间，电流信号波形畸变严重，受电磁干扰程度较为剧烈。本文将针对此时域重点进行db小波变换分析。

3 db小波变换分析

3.1 小波变换原理

时间(空间)和频率是表示信号特征的重要方式。小波变换是一种时间尺度分析方法，克服了短时傅里叶变换在单分辨率上的缺陷，具有多分辨率分析的特点，在时域和频域都有表征信号局部信息的能力，时间窗和频率窗都可以根据信号的具体形态动态调整。小波分析可以探测正常信号中的瞬态，并展示其频率成分，广泛应用于各个时频分析领域[3]。

利用小波方法分析信号特征，小波函数的选择直接影响分析结果的正确性。小波分解层数与时频分析精度有关，分解层数越少，分析的速度就越快，但是频带分辨率也越低。分解层数越多，分析的速度就相对较慢，但是频带的分辨率也越高。考虑到暂态电磁干扰信号特性，经过尝试，选用db5小波函数进行小波5层分解，得到6个频段的重构小波分解系数。

3.2 db小波变换分析

选取测试环境一的7～13 ms的信号波形进行小波分析，利用小波函数db5进行6层小波分解，额定参数工作情况下电流波形小波重构高频系数见图7所示。

图7 测试环境一小波重构高频系数

选取测试环境二的7～13 ms的信号波形进行小波分析，利用小波函数db5进行6层小波分解，额定参数开断情况下电流波形小波重构高频系数见图8所示。

图8 测试环境二小波重构高频系数

选取测试环境三的7～13 ms的信号波形进行小波分析，利用小波函数db5进行6层小波分解，短路开断情况下电流波形小波重构高频系数见图9所示。

图9 测试环境三小波重构高频系数

6层小波分解重构后的频率范围见表1所示。

表1 小波分解重构后的频带范围

通过6层分解重构后的小波系数，分别计算在三组测试环境下对应频带的能量特征向量。然后分别进行短路故障开断情况下、额定参数开断情况下与正常工作情况下的能量特征对比分析。能量特征值及能量变比系数见表2所示。

表2 不同环境下能量特征及变比系数

以不同测试环境作为横轴，重构小波特征能量作为纵轴，绘制重构小波特征能量变化趋势图，见图10所示。

图10 特征能量变化势图

从图10中可分析得出，在开关柜正常工作阶段，6层重构小波能量特征E1值处于较小范围；在额定开断情况下，6层重构小波能量特征E2值有不同程度的上升，以d4小波15.625～31.25 MHz频段、d5小波7.812 5～15.625 MHz频段上升较明显；在短路开断的情况下，6层重构小波能量特征E3值有较大程度的上升，以d3小波31.25～62.5 MHz频段、d4小波15.625～31.25 MHz频段、d5小波7.812 5～15.625 MHz频段上升较突出。其他频带重构小波能量特征升幅不明显。

以不同测试环境下能量特征E1/E1、E2/E1、E3/E1作为横轴，重构小波特征能量变比系数作为纵轴，绘制重构小波特征能量变比系数趋势图，见图11所示。

图11 特征能量变比系数趋势图

从表2和图11可分析得出，在断路器额定开断情况下，d4小波15.625～31.25 MHz频段能量是正常工作的11.365倍，d5小波7.812 5～15.625 MHz频段能量是正常工作的18.004倍，d6小波31.25～62.5 MHz频段能量是正常工作的5.641倍；在断路器短路开断情况下，d4小波15.625～31.25 MHz频段能量是正常工作的27.418倍，d5小波7.812 5～15.625 MHz频段能量是正常工作的48.465倍，能量增加较为显著。其他频带重构小波能量特征变比系数增幅不显著。

4 结论

(1)在电源投入合成试验回路的零时刻，存在尖峰电磁杂波干扰。是由于外部合闸断路器的投入，触头接触抖动产生电气间隙，引起电场强度的变化，产生瞬变电磁场，瞬变电磁场产生的干扰信号经主回路耦合到测量系统进入采集系统，该时刻产生的电磁干扰幅值较为稳定，与试验回路通流大小无明显关系。

(2)在断路器开断过程中产生的暂态干扰电磁波能量和频率分布较广，随着断路器开断电流数值的提升，由开断造成的电磁干扰呈现逐渐增强的态势，电磁干扰信号能量特征较正常工作有着较大倍数的扩大。由上述分析可得出，由10 kV断路器开断产生电弧所引起的主要暂态电磁干扰频段为d4小波和d5小波所在的7.8125～31.25 MHz频段。

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Analysis of Switchgear Electromagnetic Interference Based on Wavelet Analysis

Zhu Chenguang, Xu Minghui，Hua Zhengxiang，Hu Ke

(Technology Center of Pinggao Group CO.,LTD,Pingdingshan 467000, China)

Transient electromagnetic interference generated in the process of switch equipment running exerts a great influence on the stable operation of the secondary electronic device. To tackle such issues as the ambiguity of the switchgear electromagnetic interference signal characteristics and the inadequacy of secondary circuit noise immunity competence, the paper proposed a method of using synthetic test circuit and raster isolation acquisition system to collect electromagnetic interference signals under different operating environments, which was analyzed using wavelet to process interference signals mathematically and to extract the transient electromagnetic interference and the energy distribution of the main band. The results indicate that with the upgrading of the current value of the circuit, electromagnetic interference tend to increase gradually, the electromagnetic interference band being between d4 wavelet 31.25 MHz and d5 wavelet 7.8125 MHz. The study lays the foundation for further study of the transient electromagnetic interference mitigation methods to enhance the electromagnetic immunity level of secondary electronic devices.

wavelet analysis；transient electromagnetic interference；energy feature

2015-05-08。

朱晨光(1984-)，男，工程师，研究方向为中压开关设备智能化及集成技术，E-mail：15103753309@126.com。

TM591

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.008