智能变电站电子式互感器电磁干扰分析

赵 鹏，赵明敏，林珊珊，杨志超

(中国电力科学研究院，北京 100192)

0 引言

随着电网智能化的普及，智能电子设备的应用规模大幅上升。智能变电站中的电子式互感器、智能组件、状态监测等智能电子装置开始大量应用。智能电气设备的优势已经在理论上得到验证。然而，智能变电站内强电设备和弱电设备并存的事实导致了其电磁兼容的复杂性。布置于高压装置旁的智能电器设备的可靠性会大大降低。智能电子设备在现场运行中的可靠性，已成为制约智能变电站发展的瓶颈之一[1-3]。

变电站现场运行时会遇到各种各样的电磁骚扰。随着输电电压等级的提高，电磁骚扰问题会更加严重。以电子技术为基础的智能电气设备对电磁骚扰的敏感度越来越强。因此，如何在变电站有限的空间内，保证智能电气设备在复杂电磁环境中的可靠性，已成为电力工业界研究的重点[4]。

为了研究变电站的实际工况环境，本文以有源电子式电流互感器为例，对其所处安装位置的电磁环境进行测量、分析、评估，以混合干扰的形式提出了一种智能电气设备的电磁抗扰性能测试方法。

1 电子式互感器技术及其背景

互感器是电力系统中进行电能计量、测量、控制、保护等的重要设备，是电力系统中必不可少的核心设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、稳定和经济运行密切相关。随着电力工业的发展，电力系统传输容量不断增大，电网运行电压等级越来越高。传统的电磁式电力互感器已越来越不适应这种发展情况，在运行中暴露出绝缘结构复杂、易饱和、输出受二次侧负载影响等缺点。电子式互感器采集卡监测系统硬件组成如图1所示。

图1 电子式互感器采集卡监测系统硬件组成图

与传统电磁式互感器相比，电子式互感器具有体积小、质量轻、频带响应宽、无饱和现象、无油化结构、绝缘可靠等诸多优点，因而更能顺应电网智能化的发展[5]。但相对于传统电磁式互感器近一个世纪的运行实践经验而言，电子式互感器还只是一个新生事物，其可靠性分析、连续运行数据分析以及电磁兼容等方面仍有待深入研究[6-7]。

目前，国内外已经有多个智能变电站应用了电子式互感器。国家电网公司110 kV以上电压等级的智能变电站有部分采用了电子式互感器[8]。但电子式互感器新增了数字采集电路和通信网络系统，在具有诸多技术优势的同时，与一次设备的近距离安装也会引发传统互感器的新问题[9]。工程实施结果表明，电子式互感器的稳定性和可靠性还有待进一步改进和提高。导致这些新问题的主要原因是传统可靠性判别方法对新电气设备存在认识误区，导致技术措施的缺失[10]。

国内外学者也注意到了电子式互感器采集卡的可靠性问题。有学者从变电站干扰源入手，研究暂态地电位升的暂态特性及其抑制方法[11-12]。文献[13]研究了罗氏线圈的暂态高频模型，通过分布参数仿真和实测信号波形的对比，验证了分布参数模型对罗氏线圈的模拟；文献[14]和文献[15]分别从中值滤波算法和基波相位同步算法的角度，对采集卡的输出波形进行优化；文献[16]设计了电磁兼容试验。目前，困扰电子式互感器采集卡可靠性的典型问题有屏蔽接地、抗干扰和自身电磁发射。同时，温湿度[17]、震动及外部稳态磁场等因素也会影响内部积分器的稳定、可靠运行。综上所述，本文将对强电磁干扰环境下的电子式互感器采集卡的电磁兼容性能展开研究。

2 变电站的现场的电磁环境测试

为了解变电站中电磁环境的恶劣程度，在某500 kV智能变电站进行了暂态电磁环境测试。考虑到探头系数，空间暂态电场的峰峰值约为5 kV/m，互感器的暂态地电位升峰值约为5.5 kV。 某500 kV变电站开关动作测试波形如图2所示。

同样地，某220 kV变电站开关动作测试波形如图3所示。暂态电流峰峰值为20 A，暂态电压峰峰值约为1.6 kV，在100 μs以内出现了三次暂态尖峰。

通过测试可以看出，在变电站常规的开关动作时，产生了数kV的暂态地电位升和数kV/m的暂态电场；而互感器采集卡恰恰布置在一次侧附近，所受到的电磁环境极度恶劣[18]。对于空间辐射干扰来说，GB/T 17626.3的稳态试验标准最大电场强度为10 V/m，但实际上并不能体现开关动作时的电场暂态干扰特性。变电站中隔离开关操作时，断口拉弧在附近产生的电场强度峰值可达数kV/m。这样剧烈的瞬态电磁干扰，GB/T 17626.x标准还未涵盖。这也超出了人们的惯性思维[19]。因此，本文提出了一种新的标准化混合干扰测试方法，以模拟变电站恶劣且复杂的电磁环境；同时，通过与常规标准化抗扰度测试作对比，突出标准化混合干扰对电子式互感器采集卡的影响。

图3 某220 kV变电站开关动作测试波形

3 标准化抗扰测试

变电站内有诸多电磁干扰。干扰源大体可分为:高压开关操作、雷击、系统短路故障、感应电磁场等[20]。电子式电流互感器所适用的国家标准GB/T 17626.1[21]，明确列出了电子式互感器的电磁抗扰度要求。部分电磁抗扰度标准如表1所示。

表1 部分电磁抗扰度标准

但这些标准仅适用于传统的电磁式互感器和相关二次设备。安装在变电站气体绝缘变电站中一次侧设备附近的电子式互感器，直接运行在高压设备本体附近，工作场中的电磁干扰强度远远超过其他任何电子装置。以上标准列表中尚缺乏针对这种特有工况的标准或者条款。

本文以中国电力科学研究院的试验条件作为支撑[22]，对互感器采集卡影响较为严重的暂态脉冲群、阻尼振荡波、浪涌、射频抗扰进行标准测试。试验室标准化传导抗扰测试布置如图4所示。

图4 试验室标准化传导抗扰测试布置示意图

由于测试输出量为工频50 Hz正弦波，但以s为时间尺度输出波形较为密集，难以看出工频的特征。受到干扰的输出波形如图5所示。

图5 受到干扰的输出波形

由于受到的电磁干扰为毫秒级别，采集卡的输出波形往往在秒级才可判断受扰程度。采集卡的测试输出波形数量繁多且幅域宽泛，若干输出结果堆叠在同一个表格中会显得拥挤杂乱。包络可以简化输出波形，同时反映采集卡受扰后的输出特性。为了便于读者理解，下文均以采集卡输出波形的上包络形式来表示采集卡的受扰程度。互感器采集卡受到射频干扰的输出波形如图6所示。

图6 互感器采集卡受到射频干扰的输出波形

本文采用包络的方法，仅评价互感器采集卡的输出波形在宏观上的受扰程度，而不拘束于每个工频正弦波的表现。射频干扰影响下的输出结果可以直接简化为一条曲线，代表在不同频段下互感器采集卡的射频受扰程度。

从图6可以看出，在190 MHz和250 MHz附近的频段下，互感器采集卡受到了干扰的影响。由于从80 MHz～1 GHz扫频耗时长，且250 MHz频段附近受到的干扰较大，因此后文射频干扰均以250 MHz的频率为干扰源进行测试。

在单一项稳态30 V/m的射频干扰强度下，电子式互感器采集卡的输出波形并没有受到很大的影响，且采集卡输出的包络线正向幅值大约为110 A。但通过变电站实测的3.5 kV/m瞬态电场强度可知，现有的国家标准尚未完全体现变电站现场环境的恶劣状况。

互感器采集卡受到浪涌的输出波形包络如图7所示。对于高能低频的浪涌，高能量确实会影响采集卡的输出波形异常，造成畸变；但采集卡输出波形的包络畸变无论是幅值还是频率都没有高频干扰的畸变明显。因此，下文的混合干扰主要以高频干扰源为主，模拟变电站的恶劣电磁环境，检测互感器采集卡的电磁敏感度和可靠性。

图7 互感器采集卡受到浪涌的输出波形包络

分别对互感器采集卡施加5 kHz和100 kHz的暂态脉冲群，干扰强度为2～4 kV。互感器采集卡施加暂态脉冲群后的输出波形包络如图8所示。暂态脉冲群的发射周期为300 ms，因此每隔300 ms，采集卡的输出波形整体都会出现正极性畸变。无论是畸变波形的偏移量，还是畸变尖峰幅值，100 kV比5 kHz的畸变波形更严重。

同样的测试布置条件，继续进行标准化的阻尼振荡波测试。1 MHz的阻尼振荡波输出波形包络如图9所示。将500 V强度的1 MHz阻尼振荡波施加在电子式互感器采集卡上时，输出波形几乎没有受到影响。但随着电压等级的提高，在施加1～2 kV的1 MHz阻尼振荡波时，互感器采集卡的输出波形会依据阻尼振荡波的发射周期而整体正方向偏移。偏移程度随着阻尼振荡波波形强度而增加。但当受到2.5 kV和3 kV的1 MHz阻尼振荡波干扰时，互感器采集卡的输出波形的偏移程度并未明显增加，但采集卡输出的瞬态尖峰较其他电压等级的干扰增大较多。

图8 互感器采集卡施加暂态脉冲群后的输出波形包络

图9 1 MHz阻尼振荡波的输出波形包络

相比于高频低能的暂态脉冲群，对互感器采集卡施加高频高能的阻尼振荡波，采集卡所输出的波形有剧烈的畸变。这就说明阻尼振荡波对互感器采集卡的稳定性的影响要比暂态脉冲群更大。

采集卡受到100 kHz阻尼振荡波的互感器输出波形包络如图10所示。

当互感器采集卡受到100 kHz的阻尼振荡波时，采集卡输出波形包络比1 MHz的畸变更加明显，如图10(a)所示。相较于500 V电压等级的1 MHz阻尼振荡波的近乎直线，受到500 V电压等级的100 kHz阻尼振荡波的畸变程度更为剧烈，出现输出整体偏移的同时也会出现畸变尖峰。随着受扰程度愈来愈大，畸变尖峰和偏移程度也随之增加。图10(b)是受到2～3 kV的100 kHz阻尼振荡波时，经过上包络处理的采集卡输出波形。出现的畸变尖峰随着阻尼振荡波受扰电压等级的提高而变大，其输出波形的偏移程度也随之增加。

图10 采集卡互感器受到100 kHz阻尼振荡波的输出波形包络

综上可知，100 kHz是电子式互感器采集卡的敏感频段，尤其是遇到阻尼振荡波这种高能高频干扰信号，使得互感器采集卡受到此频点附近的干扰信号极易失效。下文的混合干扰测试主要以对互感器采集卡影响较大的阻尼振荡波作为研究对象，同时以暂态脉冲群作为参照进行对比。

4 混合干扰

上文已经分析了经过标准化抗扰度测试的互感器采集卡输出响应。当前的国内电磁兼容抗扰度标准已经远不能满足现有的电压等级标准。因此，本文提出了混合干扰的概念，考核在智能变电站一次侧设备周边布置的电子式互感器采集卡[23]，以检验变电站在极端电磁环境下互感器采集卡的抗扰度性能。

4.1 射频抗扰与暂态脉冲群共同作用

相较于单独施加暂态脉冲群干扰的情况，与射频电磁场共同作用下的5 kHz或100 kHz暂态脉冲群干扰并不明显，且100 kHz的暂态脉冲群整体受扰程度大于5 kHz的暂态脉冲群的受扰程度；甚至在同样的纵坐标尺度下(50～200 A)，混合干扰作用下的采集卡输出畸变，要比单一干扰下的采集卡输出畸变更小。

暂态脉冲群和射频电磁场共同施加作用的输出包络如图11所示。

图11 暂态脉冲群和射频电磁场共同作用的输出包络

4.2 射频抗扰与暂态脉冲群共同作用

阻尼振荡波和射频电磁场共同作用的输出包络如图12所示。

图12 阻尼振荡波和射频电磁场共同作用的输出包络

当1 MHz的阻尼振荡波和射频干扰共同作用时，采集卡的输出波形较单一阻尼振荡波干扰时没有明显的畸变，混合受扰程度也与单一干扰相类似。但当100 kHz的阻尼振荡波和射频干扰共同作用在采集卡时，如图12(b)所示，输出的畸变尖峰反而减小。尤其是2 kV以上的采集卡输出，不如100 kHz阻尼振荡波干扰单独施加在采集卡的输出波形畸变严重。

当射频干扰与暂态脉冲群和阻尼振荡波共同叠加在采集卡时，互感器采集卡受扰程度几乎不受空间辐射射频干扰的影响，由此体现传导方面阻尼振荡波和暂态脉冲群的受扰特征。同时，射频干扰与高频传导干扰(阻尼振荡波、暂态脉冲群)共同施加在互感器采集卡上时，反而会抑制高频传导信号，采集卡输出波形的畸变程度较单一干扰下输出波形的畸变程度有所减小。

4.3 阻尼振荡波与暂态脉冲群共同作用

阻尼振荡(damped oscillation,DO)和2 kV电快速瞬间(electrical foot transient,EFT)施加在采集卡上的输出包络如图13所示。

图13 DO和2 kV EFT施加在采集卡上的输出包络

将图13与图10相比，发现图13中采集卡的受扰程度较单一100 kHz阻尼振荡波的受扰程度更加严重，说明了施加2 kV的100 kHz暂态脉冲群会降低采集卡的可靠性。

相较于图13(a)，图14(a)中3 kV的暂态脉冲群施加在互感器采集卡后的输出特征更加明显，所呈线的“锯齿波”峰值更高，同时输出波形发生更加严重的偏移。随着阻尼振荡波(500～1 500 V)电压的提高，整体偏移程度更加明显。但当阻尼振荡波继续增加到2 kV时，采集卡输出波形出现了明显的畸变尖峰，且尖峰的数量和幅值随着阻尼振荡波的增加而增加。

DO和3 kV EFT施加在采集卡上的输出包络如图14所示。

DO和100 kHz 4 kV EFT施加在采集卡上的输出包括如图15所示。

图15 DO和100 kHz 4 kV EFT施加在采集卡上的输出包络

相较于图14(a)，图15(a)中4 kV的暂态脉冲群施加在互感器采集卡后的输出特征最为明显，所呈线的“锯齿波”峰值达到最高，而且随着阻尼振荡波从500～1 500 V的提高，整体偏移程度明显。但当阻尼振荡波继续增加到2 kV时，采集卡输出波形出现了明显的畸变尖峰，且尖峰的数量和幅值随着阻尼振荡波的增加而增加。

5 结论

在智能变电站二次侧设备受到干扰日益严峻的情况下，通过对现场隔离开关动作时产生的暂态电压和电流的实测，确认了布置在一次侧附近的互感器采集卡的电磁环境极为恶劣。根据现有的国家标准，本文在试验室条件下对互感器采集卡的抗扰度进行了标准化测试，发现100 kHz的高频传导干扰是互感器采集卡容易受扰的频点。

为了模拟变电站的恶劣电磁环境，设计了关于暂态脉冲群和阻尼振荡波的混合干扰试验。经过混合干扰的实测，发现混合干扰会使得采集卡的抗扰度降低。当施加100 kHz的暂态脉冲群时，如果施加超过2 kV的100 kHz阻尼振荡波，采集卡的输出波形极易出现畸变；同时，100 kHz的暂态脉冲群会加剧这种现象，使互感器采集卡的电磁韧性进一步降低。因此，需要对100 kHz频点的传导干扰进行抑制。本文提出的混合干扰试验是对国家标准的良好补充，但关于测试形式和电压等级还需要进一步的探讨。