高压直流输电控制保护平台运行主机电磁兼容试验解析

陈希艳，徐洋涛，陈威立

（许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 前言

直流输电具有输送容量大、输送距离远、调节方便等优点。由于中国资源能源分布不均，直流输电在国内得到了大规模应用[1-2]。HCM3000是针对特高压、多端直流输电、柔性直流输电及其他工业控制领域的高端应用而开发的一款大型嵌入式控制保护系统软硬件平台，是直流输电控制保护系统的核心组成部分，用于构建交直流站控系统、极控系统和直流保护系统等关键控制保护设备。以整体试验类型测试为例，控制保护平台整体试验可以根据不同的功能要求配置不同的控制保护平台运行主机。

电磁兼容试验主要依据国家标准GB/T17626和行业标准DL/T 1087-2008来进行。DL/T 1087-2008适用于±800 kV特高压直流换流站二次设备（包括直流侧、交流侧的保护、控制、监测设备及通信设备等）的抗扰度性能要求。±800 kV以下电压等级的换流站二次设备抗扰度要求可参照该标准。

1 换流站电磁环境分析

换流站内的电磁环境十分复杂，交流和直流产生的各种电磁骚扰现象在换流站中均有发生，无论在线路上还是空间上，均存在大量各种形态的电磁骚扰源，如因雷击产生的浪涌、感性负载下开关动作产生的快速脉冲群、各种无线电设备发出的辐射骚扰信号以及由晶闸体本身暂态转换过程中产生的非标准骚扰信号等[3-10]。因此在换流站运行的各类保护、控制和监测设备，必须具有足够的抵抗各种骚扰的能力。

换流站内交流侧电磁骚扰主要有：

1）高压隔离开关和断路器的操作，将在母线或线路上引起含有多种频率分量的衰减振荡波，以暂态电磁场的形式向周围空间辐射，或通过连接在母线的测量设备（TA、TV、CVT等）直接耦合至二次回路；

2）雷击线路或构架及系统短路故障，将有大电流注入地网，从而在二次电缆的芯线中感应出骚扰电压、侵入二次回路；

3）换流站在换流的同时会在直流侧和交流侧产生特征谐波及非特征谐波，骚扰二次设备和通信系统；

4）交流侧开关操作产生的暂态骚扰传导至直流侧，影响直流光电互感器。其他还有导线和金具放电电晕等能产生频率较高的电磁场辐射。此外，负荷的变化将造成站用电的电压波动、电压暂降、短时中断和电源频率变化等。

直流侧的电磁骚扰主要有：

1）换流阀换相时产生的高频骚扰，虽然阀厅具有一定的屏蔽效能，可抵御向外部的辐射，但仍能通过引出的极导线和连接的测量装置骚扰二次设备；

2）换流器产生的特征和非特征谐波对交流侧一次、二次设备的影响；

3）雷击引起的骚扰以及导线电晕产生的无线电干扰等。

2 控制保护平台机箱配置

系统主要包含基本的板卡组合成一个机箱和由电气隔离接口模块所构成的接口组件，其测试环境还需配置相应的功能设备和仪表，用于完成基本功能性能检测，以某换流站阀组控制机箱为例，配置如图1所示。

图1 阀组控制机箱典型配置

EPU20A是HCM3000平台中的主处理器插件。它具有一般处理器插件的运算和控制功能，同时具有管理与配置机箱中其它各种插件、实现插件间数据交换的功能；

ESM10B是一种共享内存插件，为机箱内的处理器插件提供统一的、共享的大容量内存，满足处理器插件间大容量、快速数据交换功能。当机箱中具有两块及以上的处理器插件时，必须配置一块ESM插件；

EMF20A是一种多功能插件，具有点火脉冲输出接口、TDM总线接口和快速通信总线接口，并在点火脉冲机制中加入Amin功能，是HCM3000平台的一种扩展插件。

EVI10A是一种VBE接口插件，具有VBE相关控制信号调制和输出接口，是HCM3000平台的一种扩展插件。

EVC10A是一种VBE接口插件，具有触发脉冲信号调制、转换功能和与竖琴脉冲输出接口，是HCM3000平台的一种扩展插件。

EDI10B是一种数字量接口插件，具有32路数字量输入和32路数字量输出通道，可用于高速数字量信号的传输。

ECM10A是一种现场总线通讯插件，实现PROFIBUS DP 协议的通信。

ENT10B是一种以太网总线通讯插件，实现速率为10/100 Mbps的以太网通信。

ICT10A是一种电子式互感器光通讯插件，需要与处理器插件EPU系列配合使用，采用遵循IEC60044-8电气规范的定制化FT3规约，可支持传送24通道的数据，为HCM3000平台提供IEC60044-8协议（与安稳系统接口）的通讯通道。

IFC20A是一种快速通信插件，具有快速通信总线接口，提供高速点对点通讯功能。IFC10必须嵌入到处理器插件EPU上才能运行。

3 电磁兼容试验要求

3.1 电磁兼容试验概述

电磁兼容试验主要有：

1）工频磁场；

2）脉冲磁场；

3）阻尼振荡磁场；

4）射频辐射电磁场；

5）静电放电；

6）浪涌；

7）阻尼振荡波；

8）电快速瞬变脉冲群；

9）射频场感应的传导骚扰；

10）电源电压暂降、短时中断；

11）谐波抗扰度（对于交流电源）、纹波（对于直流电源）。

图2 设备端口示意图

由于光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，因而电磁兼容部分只对电接口的端口进行试验。设备端口如图2所示。该控制保护平台端口均为低压控制设备间的连接电缆，因此所有端口均为现场连接方式。

根据标准，电磁兼容各项试验合格与否应分别按照两类验收准则进行判定。

3.2 外壳端口抗扰度要求

依据DL/T 1087-2008对装置外壳端口抗扰度要求。

3.2.1 磁场试验

在高压直流换流站中，工频磁场主要是由电源回路、接地回路及电网中的电流产生的，脉冲磁场是由接地线和接地网络中的雷电流产生的，阻尼振荡磁场是由隔离开关操作中压和高压回路过程中产生的。

工频磁场、脉冲磁场、阻尼振荡磁场检验方法均为浸入法，磁场方向为X、Y、Z三个方向。工频磁场的磁场强度为：连续磁场100 A/m，短时磁场1 000 A/m；磁场持续时间为：连续磁场60 s，短时磁场3 s。脉冲磁场的磁场强度为：1 000 A/m，至少要施加5次正极性脉冲磁场和5次负极性脉冲磁场。每两次脉冲之间的时间间隔应不小于10 s。阻尼振荡磁场的磁场强度为：100 A/m，在100 kHz和1 MHz两个频率下进行试验。

试验过程中应监视受试设备的各项功能，其中，工频磁场连续磁场应按照抗扰度试验验收准则A判定设备性能，而工频磁场短时磁场、脉冲磁场及阻尼振荡磁场应按照抗扰度试验验收准则B判定设备性能。

3.2.2 射频辐射电磁场试验

在高压直流换流站中，射频辐射、平波电抗器和直流滤波器的隔离开关切合、换流阀的开通与关断都会形成辐射电磁场。

试验过程中，用1 kHz的正弦波对信号进行80%的幅度调制后，在80 MHz～1 GHz和1.4 GHz～2 GHz频率范围内进行扫频测量，扫描步长不超过前一频率的1%。

射频辐射电磁场试验过程中应依据所示抗扰度试验验收准则A判定设备性能。

3.2.3 静电放电试验

试验时，应将辅助激励量和负载施加在相应的电路上，其值应等于额定值。输入激励量值应尽可能地接近转换状态，但不能超过静电放电骚扰所要求的变差值。整定值及试验有关的相应变差值应由制造厂规定。

试验点的选择应是正常运行条件下操作者易于接近的部位，包括通信端口和去掉装置外壳才能接近的整定调整部位。但不包括去掉外壳之后还需要去掉任一部分（例如某个插件）才能整定调整的部位。因此对本平台进行静电放电试验的主要部位为：

1）接触放电：螺钉、USB口外壳、以太网口外壳、现场总线口外壳；

2）空气放电部位：拉手、机箱外壳、孔面板、指示灯、开关、USB口、以太网口、现场总线口。

在静电放电试验过程中应按照抗扰度试验验收准则B判定设备性能。

3.3 信号端口抗扰度要求

对信号端口抗扰度要求依据相关规定。

信号端口包括开关量输入、开关量输出、通信线的测试。其中开关量输入为板卡DFV100，板卡上的事件输入如图3所示。开关量输出为板卡DFV100，板卡上的事件输出如图4所示。

需要测试的通信线为现场总线和以太网线。根据DL/T 1087-2008中规定，如果设备与辅助设备相连，则应该接入那些对于试验端口是必需的，而且有代表性的最少配置的辅助设备进行试验。因为板卡ECM10A的现场总线经过REPEATER转接至屏外如图5所示，因此需对REPEATER的现场总线端口进行测试。其中板卡BEM11A的以太网接口直接连接至光纤接口屏如图6所示，而所有板卡EPU20A的以太网经HUB转接后连接至光纤接口屏如图7所示，因此对BEM11A的以太网线直接进行测试，而对EPU20A的以太网线在HUB端进行测试。

图3 典型开关量输入端口

图4 典型开关量输出端口

图5 现场总线端口

3.3.1 浪涌试验

浪涌是由开关操作或雷击在电网或通信线上产生暂态过电压或过电流形成的。浪涌呈脉冲状，其波前时间为数微秒，脉冲半峰值时间从几十微秒到几百微秒，脉冲幅度从几百伏到几万伏，或从几百安到上千安，是一种能量较大的骚扰。

在开关量输入/输出端口施加的浪涌脉冲峰值电压为：线－地±0.5 kV、±1 kV、±2 kV，线－线±0.5 kV、±1 kV，通信端口施加的浪涌脉冲峰值电压为：±0.5 kV、±1 kV，该控制保护平台按试验等级3进行试验，在试验过程中受试设备不但要满足试验等级3而且还要满足试验等级1和试验等级2，是因为要考虑到受试设备的非线性电流-电压特性，而且逐渐增大浪涌电压还有助于保护设备，不至于一上来就加大浪涌电压而使设备遭破坏，因此标准规定试验电压只能逐渐增加到规定的试验等级。信号端口中的开关量输入输出端口试验耦合网络为：线－地42 Ω/0.5 μF，线－线42 Ω/0.5 μF，通信线端口试验耦合网络为：屏蔽层-地2 Ω。在浪涌试验过程中应按照抗扰度试验验收准则B判定设备性能。

图6 板卡BEM11A以太网端口

图7 板卡EPU20A以太网端口

3.3.2 阻尼振荡波试验

出现在设备端口上的阻尼振荡波是由电厂、高中压变电站及重工业设备的电弧再放电或切换产生的。试验过程中输入/输出线应分别与信号源、控制线相连接，并由辅助设备提供受试设备正常运行的工作信号。模拟器的输入/输出电路应采用滤波器，防止干扰其他设备。并将耦合/去耦网络用长度为1 m的电缆与受试设备相连接，并与参考地相连接。

信号端口的第一峰值电压为：共模2.5 kV，差模1 kV，通信端口的第一峰值电压为：1 kV。测试时间为：60 s，脉冲频率为：100 kHz为 40次 /s，1 MHz为 400次 /s。

在阻尼振荡波试验过程中应按照抗扰度试验验收准则B判定设备性能。

3.3.3 电快速瞬变脉冲群试验

电感性负载在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，会在断开点处产生暂态骚扰。这种暂态骚扰以脉冲形式出现，如果电感性负载多次重复开关，则脉冲群又会以相应的时间间隔多次重复出现。这种暂态骚扰能量较小，一般不大可能引起设备的损坏，但由于其频谱分布较宽，所以仍会对电子、电气设备的可靠工作产生影响。在高压直流输电换流站中脉冲群主要是由操作感性负载、继电器触点抖动、操作SF6电气设备等引起的。

对于设备的模拟量输入/输出端口，一般采用耦合/去耦网络来施加试验电压，而对于开关量输入/输出端口及通信端口，则通过容性耦合夹来施加试验电压。耦合装置和受试设备之间的信号线长度应不大于1 m，如果制造商提供的与受试设备不可拆卸的电缆长度超过1 m，那么超出的部分在接地参考平面上方0.1 m处以0.4 m的直径盘绕起来。

信号端口及通信端口施加脉冲群峰值电压为±2 kV,在电快速瞬变脉冲群试验过程中应按照抗扰度试验验收准则B判定设备性能。

3.3.4 射频场感应的传导骚扰试验

在高压直流换流站中，射频场感应的传导骚扰抗扰度主要是由射频发射机的辐射、换流阀的开通、关断引起的。

试验过程中，将受试设备置于参考地平面上0.1 m厚的绝缘支座上，将耦合和去耦网络CDN接入辅助设备和受试设备端口之间，这种注入方法为直接注入法。一般情况下模拟量信号使用直接注入法，而通信线用钳注入法。无论直接注入还是用钳注入均应对骚扰源的电平进行调整，该控制保护平台试验电平为10 V。然后用自动方式在0.15 MHz～80 MHz进行扫描，扫描频率步长的大小不应超过前一频率值的1%。在射频场感应的传导骚扰试验过程中应按照抗扰度试验验收准则A判定设备性能。

3.4 电源端口抗扰度要求

对低压交流、直流输入电源端口抗扰度要求见相关规程规定。电源端口指为设备供电的端口，包括组装在屏柜内的设备的电源输入，该柜的电源端口被认为是其中任何一个组件的电源端口，组装在一个柜内的外部单元的电源输入，设备的外部单元可以由该设备或由一个外部电源进行供电/控制。该控制保护平台电源端口如图8所示。

图8 电源输入端口

对电源端口进行的试验除了以下两点均可依据以上各个项目的参数和验收准则进行。

1）浪涌试验过程中，耦合网络为：线－地12 Ω/9μF，线－线 2 Ω/18μF。

2）电快速瞬变脉冲群试验过程中，施加脉冲群峰值电压为±4 kV。

功能接地端口抗扰度要求依据相关规定进行。

4 结束语

对抗扰度性能的判据以DL/T 1087-2008为准。二次设备的抗扰性能是保证电力系统安全可靠运行的重要条件，由于直流输电控制保护平台处于高压换流站内，而换流站存在大量电气、电子设备，形成了错综复杂的电磁环境，为了使换流站内的电气设备运行过程中不受外来干扰的影响，严格按照国家标准和行业标准进行电磁兼容试验是非常有必要的。