浅述变电站内高压开关的电磁干扰问题

刘学申 曾其武 周忠杰

（河南省高压电器研究所，河南 平顶山 467001）

摘要：在变电站内，高压开关挂网运行时存在高电压、大电流、开关操作冲击、自然雷击等复杂电磁现象，但主回路基本以电阻、电感和电容等电气元件组成，电磁抗干扰性强，表现出良好的抗扰性。高压开关的二次设备主要处理控制、通讯、监测和保护等弱电信号，容易受到电磁干扰的影响，是较为敏感的薄弱部分，也是电磁兼容抗扰度考虑的重点。鉴于此，以高压开关二次设备的电磁干扰问题作为论述的主要对象，分析相关试验标准的适用性，并给出参考意见。

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关键词 ：变电站；高压开关；电磁干扰

1变电站内电磁干扰的危害

在变电站中，电磁干扰造成的危害是各种各样的，可能是高压开关系统间简单但令人烦恼的通讯错误、性能降低，也有可能是电器误动，甚至可能造成不可估量的设备和人身伤害事故。具体危害如下：

（1） 导致设备系统性能下降、无法工作甚至损坏；

（2） 干扰通讯系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递；

（3） 引起电网保护装置误动或拒动，导致电网事故；

（4） 产生浪涌电流或电压，导致烧毁二次设备；

（5） 干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作，造成系统死机。

2变电站内的电磁干扰分析

在变电站环境下运行的高压开关二次设备所受到的电磁干扰有：

（1） 开关操作：断路器和隔离开关操作是变电站最典型的电磁干扰。开关操作时，会产生一系列高频率、前沿陡峭的瞬变电磁脉冲，触头间产生电弧的熄灭和重燃。在断开的母线上将引起一系列的高频电流波和高频电压波，并以阻尼振荡波的形式向周围空间传导和辐射能量，对二次设备构成阻尼振荡波干扰和阻尼振荡磁场干扰。

（2） 电感性元件：变电站内部的各种电感性元件在断开时，由于触点间隙的绝缘击穿，出现脉冲群形式的暂态瞬间骚扰，对二次设备构成电快速瞬变脉冲群干扰。

（3） 雷电：雷电是自然界产生的剧烈电磁干扰。雷电不仅直接作用于高压开关主回路，而且通过接地网络、电流互感器、电压互感器或主回路与二次设备间的各种耦合途径进入二次设备，对二次设备构成浪涌（冲击）干扰和脉冲磁场干扰。

（4） 运行中电力设备：变电站运行中的线路或母线中的工频电流产生工频磁场，对二次设备产生干扰。工频磁场波形为工频正弦波形，在正常情况下，由工频电流所产生的稳定磁场相对较小；但在故障状态下电流伴生的磁场就比较强，不过持续时间很短，直到保护设备动作为止。对熔断器来说，大约是几毫秒；对保护继电器，最大可能达到3～5 s。

（5） 射频发射装置：无线电台、电视台、移动电话、电力系统中常用的对讲机等都是影响二次设备正常工作的射频干扰源，对二次设备构成射频场感应的传导干扰和射频电磁场辐射干扰。

（6） 静电放电：静电放电的特点是波前时间只有1 ns左右，带有数十纳秒的阻尼波尾，幅值可达十几千伏；具有显著的破坏性：使电子元器件故障、损坏或控制系统失灵，也可能使计算机程序出错或丢失数据。在电子设备按键、弱电数据接口，人容易接触或靠近的地方，都容易产生静电放电。

（7） 谐波干扰：随着电力电子器件的广泛应用，谐波污染已经成为电网的公害。谐波、谐间波、载波信号对设备的主要影响是干扰其正常的工作状态，影响测量的准确度和动作的可靠性等。

（8） 电源质量：设备交直流供电电压突降和短时中断、交流电源频率变化、直流供电电压的纹波干扰也会造成传输数据的丢失和通信的中断。电压暂降、短时中断是由电网、电力设施的故障或负荷突然出现大的变化引起的，在某些情况下会出现两次或更多次连续的暂降或中断。

综上所述，变电站常见的电磁干扰有：阻尼振荡波干扰、阻尼振荡磁场干扰、电快速瞬变脉冲群干扰、浪涌（冲击）干扰、脉冲磁场干扰、工频磁场干扰、射频场感应的传导干扰、射频电磁场辐射干扰、静电放电干扰、谐波干扰、交流电源输入端口电压暂降和短时中断干扰、直流电源输入端口电压暂降和短时中断干扰、工频频率变化干扰、直流电源输入端口纹波干扰，共计14项干扰类型。

3国家标准的通用要求

在GB/T11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中，涉及高压开关二次回路的电磁兼容抗扰度试验项目共有5项，分别是：

（1） 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，该试验模拟各种电感性元件开合对二次回路的干扰；

（2） 振荡波抗扰度试验，该试验模拟主回路开合对二次回路的干扰；

（3） 直流电源输入端口纹波抗扰度试验，该试验模拟直流电源上的纹波电压对二次回路的干扰；

（4） 交流电源输入接口的电压跌落、短时中断和电压变化抗扰度试验，该试验检测与低压供电网络连接的二次回路对交流电源的电压跌落、短时中断和电压变化干扰的抗扰性能；

（5） 直流电源输入接口的电压跌落、短时中断和电压变化抗扰度试验，该试验检测与低压供电网络连接的二次回路对直流电源的电压跌落、短时中断和电压变化干扰的抗扰性能。

针对以上试验项目，电磁兼容合格性判定应以高压开关挂网运行后，与变电站电磁环境是否兼容作为唯一判据。根据二次回路设备的重要性或作用分类，常见的合格判据标准有：

（1） 在干扰施加过程中和结束后，产品符合技术规范范围内的正常性能；

（2） 在干扰施加过程中和结束后，产品功能暂时降低或者性能能够自主恢复。

4试验标准的适用性分析

4.1GB/T11022的适用性

传统变电站为了提高在运高压开关设备的电磁兼容性，普遍采用主回路和二次回路分离的原则，即主回路安装在高压侧，二次设备安装在控制室内。控制室一般都采取了较好的接地和屏蔽措施，使抗扰性能较弱的二次设备得到了一定的保护。主回路基本由电阻、电感和电容等电气元件组成，电磁抗干扰性强，表现出良好的抗扰性，正是基于这种安装方式考虑，GB/T11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中，仅对传统二次设备元件做了电磁兼容性试验规定，并且只有5项试验项目。但随着智能变电站的快速发展，高压开关主回路和二次设备开始融合，主回路安装了大量电子设备，如各种监测IED、各类传感器直接装入一次设备内，电子式互感器的应用等。图1所示为平高集团研制的智能化GIS结构，主回路与二次设备融合的特征非常显著。

这种融合使得诸多现代技术，如计算机技术、通信技术、传感器技术、信息化技术等大量应用于智能变电站建设领域，开启了电网智能化的新时代。但从抗电磁干扰这个角度来看，在高压侧，变电站电磁环境复杂，二次设备的前置使得许多容易受到电磁干扰的较为敏感的薄弱部分面临了更加严峻的挑战。干扰途径大大缩短且形式多样，要实现智能电气设备的电磁兼容性，需要解决诸多问题，仅靠GB/T11022中规定的5项抗扰度试验项目是远远不够的。这种标准的滞后，给工程带来的不良影响已经显露出来，如已经挂网的变电站，尤其是智能变电站，表现出对复杂电磁环境的抗扰性能不佳，故障频次较高，影响了变电站的可靠运行。而以下标准则做得比较好，例如DL/Z713—2000《500 kV变电所保护和控制设备抗扰度要求》中规定了10项电磁兼容抗扰度试验项目，DL/T1087—2008《±800 kV特高压直流换流站二次设备抗扰度要求》中规定了13项电磁兼容抗扰度试验项目，这些标准基本都能满足智能化变电站对二次设备抗扰度的要求。所以，对于在GB/T11022中没有强制要求的试验项目，在编制开关类设备试验大纲时也应考虑进去。

4.2GB/T17626的适用性

在变电站中，开关操作会产生阻尼振荡波干扰和阻尼振荡磁场干扰，对二次设备的电磁兼容性构成了严重威胁。这种干扰也是变电站最常见、最具特点的干扰，在其他一般工业或商业场所不常见，所以下面着重论述阻尼振荡波干扰和阻尼振荡磁场干扰。

现有的研究和测试（表1和表2）表明，振荡波干扰幅值实测骚扰一般都小于2.5 kV，与目前工程要求的试验等级3（2.5 kV）相适应。但是在振荡频率方面，AIS变电站的骚扰频率都可能超过1 MHz，GIS变电站更是接近40 MHz，目前标准GB/T17626.12规定的1 MHz振荡频率偏低，不足以考核位于变电站内的高压开关设备，需要修正。最新的IEC61000-4-18已经新增了3 MHz、10 MHz、30 MHz振荡频率，因此在国标修订时可以考虑增加这3个振荡频率。

另外，实测结果表明，隔离开关操作产生的空间磁场强度最大幅值接近200 A/m，最高频率接近40 MHz，超出现行国标GB/T17626.10规定的最高等级5级（100 A/m，最高振荡频率1 MHz）的试验要求，现行国标不足以考核位于变电站内的高压开关设备。因此在新版国标修订时，可以参照最新的IEC61000-4-18，考虑增加3 MHz、10 MHz、30 MHz3个振荡频率的试验，同时提高试验等级到200 A/m。

5结语

在变电站尤其是智能变电站运行中表现出的电磁干扰问题，主要原因在于相关产品标准规定的滞后和不完善，所以在新产品研发阶段编制型式试验大纲时，应以标准为基础，并结合变电站电磁环境，借鉴DL/T1087，完善试验大纲，加强对产品型式试验电磁兼容环节的考核，提前消除产品挂网运行可能导致的故障。在后续修订GB/T11022等试验标准时，应考虑我国特高压、智能变电站的电磁环境特点，适当增加有关试验项目，提高阻尼振荡波抗扰度试验、阻尼振荡磁场抗扰度试验等级和振荡频率，以提高高压开关产品对变电站运行环境的适应性。

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参考文献］

［1］赵军，陈维江，张建功，等.智能变电站二次设备对开关瞬态的电磁兼容抗扰度要求分析［J］.高电压技术，2015，41（5）：1687-1695.

［2］GB/T17626.10—1998电磁兼容 试验和测量技术 阻尼振荡磁场抗扰度试验［S］.

［3］GB/T17626.12—1998电磁兼容 试验和测量技术 振荡波抗扰度试验［S］.

［4］GB/T11022—2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求［S］.

收稿日期：2015-08-14

作者简介：刘学申（1979—），男，河南郸城人，工程师，研究方向：高压电器型式试验检测。