电力系统技术发展对二次自动化设备的电磁兼容性能影响

1.概述
  电磁兼容，是指设备或系统在其所处的共同的电磁环境中不受干扰能正常工作同时不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容问题在电力系统中得到了强烈的体现：一方面，电力系统是一个强大的干扰源，在其正常运行或者故障时都会产生各种稳态或暂态干扰，如大电流设备附近的磁尝开关操作时的暂态干扰等。另一方面，随着现在微电子技术的普遍采用，对干扰具有很高敏感性的各种二次自动化设备在电力系统运行中起着重要的作用，他们在极大提高电力系统自动化运行程度的同时，不可避免地会遭受到来自电力系统内部或其他的一些干扰影响而有可能导致其工作失常，从而成为影响电力系统安全可靠运行的一个隐患。
  电力系统二次自动化设备是电力系统运行设备的一个部分，在讨论其电磁兼容问题时，不应该把它孤立地作为一个电子设备来进行，而要结合电力系统的电磁环境进行综合、全面地考虑。研究二次自动化设备的电磁兼容性能，最终的目的是提高二次自动化设备抵御各种干扰的能力，同时降低设备对周围其它设备的干扰程度，从而提高系统运行的可靠性。然而，设备抗干扰性能的提高并不是无限度的，无论是从技术上还是经济上都是不现实的。从电力系统这一大的电磁环境角度出发，只有在对干扰源以及干扰耦合途径进行深入研究的基础上，对二次自动化设备所处的电磁环境进行合理的评估，才能对其抗干扰性能提出合理的要求，并在此基础上研究提高其抗干扰能力以及抑制其所产生干扰的程度。
2.电力系统电磁兼容问题描述
  如果把二次设备作为一个干扰的感受者来进行讨论的话，那么电力系统的电磁兼容问题可以用下图来描述。
  各种干扰二次设备耦合途径通过各种连接线的传导作用或通过空间的辐射作用
  影响二次设备的主要干扰源有：
（1）一些自然的干扰如：雷击、静电等。
（2）操作或系统故障时的瞬态干扰如：隔离开关和断路器操作、低压回路继电器动作、接地故障时短路电流引起的共模干扰等。
（3)系统运行时的稳态干扰：如高压设施附近的工频电场和磁尝附近电子或通信设备的干扰等。
其中对二次设备最具影响作用的干扰是一次开关（隔离开关和断路器）动作时产生的瞬态干扰，这种瞬态干扰一方面以场的形式向外辐射，通过对二次设备的外接导体（各种回路连线、地线）的耦合或者直接通过空间的辐射耦合进入到二次设备内部，另一方面直接通过二次设备连接到高压设施的导体（PT、CT、高频载波通道等）传导进入二次设备内部，影响二次设备的正常工作。
解决电力系统电磁兼容问题的途径在于a)对系统的电磁环境进行测量评价；b)在系统设计建设中采取必要的合理的措施，减缓干扰对二次设备的作用；c)提高二次设备本身的抗干扰能力。
事实上，国内外研究人员通过多年的努力已经积累了大量的数据，并依据其制定了相关的标准和导则用于指导电力系统的设计和二次设备的设计，但是随着电力技术近几年的发展，一些新技术得到广泛的应用，由此而带来的电力系统电磁环境的变化以及对二次设备的影响问题，值得大家进一步的关注和研究。
3.GIS变电站
  与传统的AIS变电站相比较，GIS由于与周围环境隔绝、占地面积缩小以及运行安全和维护方便等优点，正日益广泛地应用在变电站建设中。GIS在使得变电站体积缩小的同时所带来的系统电磁环境的改变正成为人们致力于研究的一个课题。
 与传统的AIS相比较，GIS电气部件的尺寸要小得多，而且被封闭在屏蔽的金属壳里，因此在其开关操作时产生的干扰与传统的AIS具有不同的特征。
  由于被封闭在金属壳里，GIS所产生的干扰主要是通过流动在母线上的干扰来回反射，以场或者电压（电流）的形式向外传递或者通过GIS外壳以及当其一些连接处（如在套管或接地处等）存在屏蔽不连续点时形成较强的辐射源，以场的形式向外辐射，
3.1瞬态场
  一次开关动作所产生的瞬态磁场水平取决于母线中的瞬态电流值，而瞬态电流值则在很大程度上取决于系统电压与瞬态阻抗之比，因此，可以这么说，系统电压越高，瞬态磁场水平越大。在AIS变电站中，一般在母线下方和非常靠近母线处直接测量的磁场水平在30-100A/m（峰值）。而在GIS变电站中则相对要低一点，一般为10-50A/m（峰值）。磁场水平随着与母线的距离增大迅速减小，在离母线大约10米距离上磁场强度至少要衰减3倍。
  母线下的瞬态电场幅值与磁场相似，在AIS变电站中，所测值一般3至10KV/m(峰值)，GIS变电站中所测到的值比AIS变电站要低一点，同样，电场值与系统的电压等级相关，电压等级越高，电场值越大。但是，在GIS变电站非常靠近套管处电场值却非常之大，可以达到30KV/m。与AIS不同的是，GIS一次开关动作时所测到的暂态电场短时间后即趋向于零，而不是维持在一个常数上，这可能是由于其金属外壳接地所致。
  从频率特征上来看，由于GIS的特性阻抗比AIS要小得多，这就使得GIS与母线或架空线在连接处阻抗不匹配加剧，导致了干扰电流（电压）波的反射增加，因此，GIS较之AIS产生的干扰波振荡频率更高。一般在AIS变电站中所测到的场的主导频率在3MHz以下，而在GIS变电站中测到的则要高得多，通常是AIS的10倍以上，大多数情况是在50MHz以下，但其上限频率却可达到100MHz以上。
由于通常GIS高压设备和电子设备之间的距离较近，因此在GIS变电站中暂态电磁场辐射对设备的影响应引起足够的重视。
3.2二次端口干扰电压
  二次端口的干扰电压测量值是目前二次设备抗扰度水平评估的主要参数。他是几乎所有耦合方式（除了直接的源和感受者之间的辐射耦合之外）的最终结果，对二次设备抗扰度评价具有重要意义。
  二次端口的测量数据较多，但是由于电压的测量数据与现场的设计（如CT、PT回路中性点的接地做法、屏蔽层的屏蔽质量和接地状况、测量位置等）有关，因此进行数据的比较很困难，只能从大量的数据找出典型的数据进行讨论。一般认为，在屏蔽的CT/PT回路中最大的共模电压范围从100V到2.5kV峰值，大多数测量值在1kV以下。而在非屏蔽的CT/PT回路中测量值要高得多，在运行中的电缆上曾纪录到高达4kV的峰值电压。从频率上来看虽然干扰电压的频率特征是与场相对应的，但是由于电缆的传输作用以及多种耦合形式的反应，可能会导致频谱形式的一些不同，特别是场的高频成分在电缆上会迅速地被衰减掉。 干扰电压的主导频率在AIS变电站中主导频率一般在2MHz以下，而在GIS变电站中要高得多，可以达50MHz。
因此为了适应这种状况，CIGRE（国际大电网会议）WG36.4工作组，已向IEC（国际电工委员会）提出了修改IEC61000-4-12标准的建议。该标准是IECTC77工作组特别针对高压开关电弧重燃形成的衰减振荡干扰波而制定的电磁兼容基础标准，它所定义的干扰波型和试验等级是IEC其他专业委员会（如TC）制定产品标准的依据，标准与新提议的对照见下表。
4.变电站综合自动化技术和保护下放
  变电站综合自动化技术经过了多年的发展已经达到了相当的水平，从初期的集中式结构到目前广为采用的分散式结构，不仅使得变电站自动化程度得以大大提高，更直接降低了系统的建设成本，然而，技术的发展的同时也带来了电力自动化设备运行环境的变化。
  早期的集中式结构只是在原有的二次设备配置的基础上增加了计算机管理功能，变电站按规模配置相应的微机保护装置和微机远动装置，并安装在主控制室内，系统的控制、信号量以模拟量的形式通过电缆上传，这种结构方式的缺点主要是资源不能共享，也不能节省大量的电缆，同时由于控制信号是以模拟量的形式长距离传输，因此数据容易受到现场的干扰，但是二次自动化设备相对处于电磁环境较好的控制室中，所遭遇到的电磁骚扰会较弱一点。而分散式结构采用的是将控制单元、保护单元、数据采集单元就近安装在户外高压开关附近或户内开关柜中，通过数字信号线或光缆将信号上传，这就大大降低了传统变电站设计中的各种模拟控制信号的连接长度，提高了系统信号传输的抗干扰能力，但是，对于二次自动化设备而言，由于其从原来条件较好的控制室被下放到开关场附近，运行电磁环境恶化，对其抗干扰性能也就提出了更高的要求。同时由于二次自动化设备自身的功能集成程度提高，单装置内部干扰互相耦合几率加大，这就使得设备抗干扰设计面临着更高的难度。
  对于分布式设备应满足的抗扰性要求应该是基于开关场中的电磁干扰数据，在控制室中所测量到的数据可能已不适用，控制电缆在开关场末端的感应电压可能会比在控制室末端要高。
随着近几年我国越来越多的高压变电站保护下放至开关场，高压开关操作所产生的强大干扰对保护设备的各种影响研究工作也在积极进行之中，在一系列的测试数据中较多的是针对一次开关操作时产生的暂态电场和磁尝PT/CT二次侧干扰电压和电流、母线下平行电缆上的感应电压以及变电站交流220V电源方面，测试参数涉及到波形、主导频率、强度等。从对我国几个保护下放的500kV变电站一次开关操作时实际测试结果来看，在二次侧的干扰电压强度一般小于标准规定的最高级别，而在频率上则比标准中的要求要高一些，220V电源上的干扰电压要大一点。然而，对于二次自动化设备而言，最重要的是在二次设备端口的干扰情形，有关这方面的数据积累较少。
  另外开关场暂态电磁场通过空间耦合对自动化设备的影响也是一个需要深入研究的课题，对于这一类需放到开关场中的装置，随着保护小室设计逐渐趋向于使用非屏蔽设计，装置本身的屏蔽设计就显得更为重要，而这方面又恰好是我们电力自动化设备设计制造中的薄弱环节。