保护装置交流回路EMS测试对源影响的研究

南京南瑞继保电气有限公司 陈志锋 邓颖宁 金 震

由于电力行业的特殊性和重要性，业内对保护装置电磁兼容（EMC）性能具有严格的要求。而交流采样回路端口作为传统带模拟量保护装置的重要接口，经常受到现场各类干扰影响，因此在电磁兼容抗扰度试验中，其经常作为重要测试端口而进行各类干扰测试。测试过程中，经常会碰到交流回路受干扰后导致采样异常，进而判断得出保护装置功能下降的结论。这类异常应是样品本身硬件质量不过关产生的，但另一种大概率是辅助设备带来的问题。业内通常称输出模拟量的辅助设备为“源”，本文针对辅助“源”本身因干扰对其输出产生的影响原因进行了分析，并对如何消除此类影响提出了一些建议。

1 EMC 产品标准中与保护和测量功能有关的试验要求

交流采样回路端口作为保护装置的一种输入端口，其主要作用就是隔离并线性接收来自一次电力设备中相关交流电压与电流模拟量，在电力标准中，通常以这些输入端口的模拟量及变化值作为保护或者测控功能的主要考察量，从而达到监控电力系统实时状态。电力系统相关产品标准中，均对交流端口的EMC 抗扰度测试要求。

以继电保护产品标准IEC 60255-26:2023[1]《量度继电器和保护装置 第26部分：电磁兼容要求》为例，抗扰度的验收准则中“保护和测量功能”有专门要求，内容规定如下：保护要求——“试验中和试验后，在规定限值内性能正常”；测量要求——“试验期间没有性能下降”。考察上述功能，一般是通过交流回路采样的结果来判断是否合格。

2 EMC 产品标准测试项目与辅助“源”在EMS 测试中应用

如图1所示，对于保护装置交流回路端口，标准中规定有多项电磁兼容抗扰度EMS 试验项目，主要是辐射抗扰度测试RS 和传导抗扰度测试CS，目的都是考察交流回路在干扰下的采样情况，以判断样品功能是否合格。RS 主要是高频运行设备产生的对外空间辐射抗扰度测试，CS 主要是类似静电、浪涌、快瞬、射频传导感应场和阻尼震荡波等传导类抗扰度测试，此类传导干扰通常通过线缆间的分布电容间接耦合或直接传导到设备上。从干扰传输方式看，传导干扰比辐射干扰影响结果更直接；从各项干扰对交流回路端口的实际测试结果来看，CS 相对RS 对交流回路试验影响比较大。

图1 保护装置交流回路端口EMS 测试

交流回路EMS 行业内试验通常做法：首先挑选合适的辅助“源”（一般用继电保护调试仪器模拟来自电力系统的交流采样，方便快捷），给样品交流回路加设定的试验激励量，样品设置好保护定值后，施加各种干扰观察并判断样品的运行状态是否符合标准要求。以辐射抗扰度测试为例，辅助“源”通过暗室外部的滤波器后给暗室内部的样品加激励量，暗室内的电磁辐射干扰因屏蔽效应不会对暗室外的“源”有影响；而传导抗扰度测试（CS）中，交流回路端口试验时，辅助“源”通过EMC 设备（譬如耦合去耦网络CDN）后施加激励量给样品，此时“源”与干扰发生器置于同一时空，试验时干扰发生器可能会对“源”产生一些异常影响。

注：继电保护其他端口进行传导干扰试验时，偶尔也会发现在某些种类干扰作用下，“源”也可能输出不正常量给交流回路。此类问题应在测试中应予以重视。

3 EMS 试验中由辅助“源”引起的交流回路采样出现异常及原因

在保护装置产品交流回路进行抗扰度试验时，加量后的装置可能会出现一些异常现象，这些异常现象通常包括：保护拒动或者误动；交流回路的采样值超出样品干扰下允许的偏差。

针对上述现象，首先考虑交流激励量通过EMC 设备后畸变失真因素，一般该情况影响较小，不足以对测试结果产生大的影响。细究其他原因，一方面是交流回路本身硬件设计薄弱产生的问题，然而大部分原因却是由施加交流激励量的辅助“源”受到不同类型干扰后，其输出已经异常，也就是说此时“源”已经不干净了，导致工作正常的交流回路采到异常的量，从而样品出现异常，试验误判不合格。

例如，某产品进行某项CS 抗扰度最高等级试验时，通过某型号继电保护测试仪输出有效值为0.95A（峰值1.344A）的激励电流给保护样品交流回路，进行保护动作试验，保护装置动作电流定值设定为1A，结果保护装置报过流保护动作跳闸后，检查保护装置录波发现电流采样波形出现了异常。如图2所示，该继电保护测试仪受到干扰后，输出一个4.655A 瞬时突变值，按保护一个周波24点采样算法真实输出电流有效值为1.344A，超过保护动作定值了。

图2 保护装置真实采样电流

为验证该型号继电保护测试仪性能，用干扰仪直接对其施加较低等级的干扰发现，其输出已明显不正常，说明该产品设计的EMC 性能没有过关，影响了测试结果评判。电力系统控保装置测试中经常碰到此类现象，每个实验室或检测机构都在为规避这些问题寻找解决方法。

究其原因，相对RS 测试，传导敏感度测试CS对辅助设备的影响比较大，在静电、快瞬、浪涌、阻尼振荡波和射频传导感应场测试中尤为明显。这些测试名为传导干扰，实则其有高低频成分存在，高低频特性兼有，不能简单地认为干扰模式为传导干扰，通常测试时辅助设备性能不过关，是传导和辐射干扰同时耦合作用，最终影响“源”的输出。因此，不同干扰对“源”影响还需考虑干扰的频率特性及耦合方式[2-5]，表1为主要抗扰度测试的频率成分及耦合方式。

表1 主要抗扰度测试的频率成分及耦合方式

以快速瞬变为例，其频率分布宽，干扰信号通过传导和空间电磁辐射耦合传播干扰能量。若按标准IEC 60255-26最高测试等级4kV 测试，发生器输出能量强度大，干扰耦合方式可在传导与辐射之间相互切换。当干扰以空间辐射输出时，此时“源”的输出接线可作为天线把干扰转换为传导引至仪器内部，干扰能力设计不过关的仪器很容易输出错误的量，导致“不干净”。当然，其他传导干扰也有类似现象，也可通过各种不同耦合方式把不同强度的干扰注入“源”上，影响其输出。

4 如何得到一个干净的抗干扰性能好的源

为避免抗扰度试验中辅助“源”对测试结果产生异常影响，给试验提供一个可靠且干净的“源”，有必要提升其相关干扰试验的抗扰度水平。从电磁兼容三要素的电磁干扰源、耦合途径和敏感设备来考虑，电磁干扰源本身就是干扰发生器，这无法改变，但可以从耦合途径和敏感设备做一些手段与方法来处理。

本文认为，具体可以从以下几个方面进行改善：一是“源”生产厂家提高软硬件的设计水平，提升抗扰度设计水平，用户注意仪器选型；二是“源”接线时，应注意仪器可靠接地；三是“源”加量输出线根部应绕多匝线通过共模磁环或者加退耦钳，防止高频干扰沿线缆进入仪器内部；四是“源”在空间上应与干扰发生器保持足够空间距离；五是必要时，试验放屏蔽室内进行，“源”放屏蔽室外，经滤波器加激励量；六是为防止浪涌等高能量干扰打坏仪器，可以在“源”与干扰发生器之间加装一个中转过渡盒，该盒内部电路设计抑制浪涌、快瞬等干扰（功能类似滤波器），避免直接损坏仪器。若没有现成继电保护仪器，也可以搭建一个简易电路。

如图3所示，交流源因采用市电失真度较高，可选用大容量变频器，通过一个可调隔离变压器转换输出电压，串接一个可调电阻后通过干扰发生器的CDN 后接入样品的交流回路，调整合适的电压和电阻得到试验用的电压或电流模拟量。该回路也可有效消除试验时干扰的影响。采用上述手段，通过长期试验实践观察，基本可避免“源”受干扰影响的结果，保障试验顺利进行。

图3 模拟激励量简易电路

5 结语

本文针对在保护产品交流回路进行抗扰度试验时出现的因辅助“源”本身受干扰导致的异常现象，分析了具体原因并对如何消除此类影响提出了一些建议。本文提到的一些试验问题，行业内从业者可能也碰到过，而本文提出的改进试验方法，在实际测试中确实改善了“源”的输出，这对产品的型式试验有一定的借鉴意义。同时，为更好满足此类试验要求，“源”生产厂家要提高产品可靠性设计水平，并建议行业内对加量的辅助设备制定产品标准，尤其是EMC 方面的严苛等级要求。