朱晨光，徐銘輝，華爭(zhēng)祥，胡 可

(平高集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，河南平頂山467000)

基于小波變換的開(kāi)關(guān)柜電磁干擾分析

朱晨光，徐銘輝，華爭(zhēng)祥，胡 可

(平高集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，河南平頂山467000)

開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)電磁干擾對(duì)二次電子裝置的穩(wěn)定運(yùn)行有重要的影響。針對(duì)目前開(kāi)關(guān)柜電磁干擾信號(hào)特征不明確，二次回路抗干擾能力不足的問(wèn)題，提出了一種利用合成試驗(yàn)回路和光柵隔離采集系統(tǒng)進(jìn)行不同運(yùn)行環(huán)境下電磁干擾信號(hào)采集，利用db小波分析方法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理并提取出暫態(tài)電磁干擾的主要頻帶及能量分布的方法。研究表明：隨著斷路器開(kāi)斷電流數(shù)值的提升，由開(kāi)斷造成的電磁干擾呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，干擾電磁波頻段為d4小波和d5小波所在的7.812 5～31.25MHz頻段。為下一步研究暫態(tài)電磁干擾抑制方法，提升二次電子裝置的電磁抗干擾水平打下了基礎(chǔ)。

小波分析；暫態(tài)電磁干擾；能量特征

0 引言

10 kV開(kāi)關(guān)柜是變電站或配電所面向用戶供電的一級(jí)配電成套設(shè)備，在中壓配電系統(tǒng)中用量巨大。隨著電網(wǎng)容量的不斷提升和用戶對(duì)供電可靠性的不斷提高，10 kV開(kāi)關(guān)柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行越發(fā)受到電力運(yùn)維部門(mén)的重視。

早期的電力系統(tǒng)主要以一次開(kāi)關(guān)設(shè)備為主，二次設(shè)備集成度低，電磁干擾的影響不明顯。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，二次設(shè)備的功能集成化、控制智能化增加了10 kV開(kāi)關(guān)柜對(duì)電磁干擾的敏感性和脆弱性。由于開(kāi)關(guān)操作、運(yùn)行方式的改變等因素引起的瞬態(tài)電磁劇烈變化現(xiàn)象會(huì)波及周?chē)拈_(kāi)關(guān)設(shè)備，產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)通過(guò)導(dǎo)線傳導(dǎo)方式耦合到二次裝置的信號(hào)回路中，影響二次裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)生安全事故[1]。

目前常用的信號(hào)分析方法主要有兩種：傅里葉變換信號(hào)分析法和小波變換信號(hào)分析法。傅里葉變換是將信號(hào)分解成一系列不同頻率正弦波的疊加，能夠?qū)r(shí)域特性轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域特性，能夠較好地反映周期信號(hào)的全局特征，但對(duì)信號(hào)局部特征的分析能力較弱。小波分析是將信號(hào)分解為一些列小波函數(shù)的疊加，在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化精度，可同時(shí)在時(shí)域和頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度聯(lián)合分析，適合于分析非穩(wěn)定性的暫態(tài)信號(hào)。

開(kāi)關(guān)柜斷路器開(kāi)斷過(guò)程迅速，時(shí)間短暫，電磁干擾信號(hào)暫態(tài)特征明顯，采用小波變換信號(hào)分析方法能夠彌補(bǔ)傅里葉變換在時(shí)域、頻域分辨率上的不足。本文通過(guò)合成試驗(yàn)回路和光柵隔離采集系統(tǒng)，模擬10 kV開(kāi)關(guān)柜在不同運(yùn)行環(huán)境下的開(kāi)斷過(guò)程并進(jìn)行二次側(cè)信號(hào)采集，采用db小波分析方法對(duì)二次側(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而查找分析由開(kāi)斷產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)主要頻帶及能量分布。

1 開(kāi)關(guān)操作時(shí)電磁干擾機(jī)理分析

斷路器在瞬態(tài)開(kāi)斷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很高的電壓或電流變化率，這都將會(huì)通過(guò)線路中的寄生電感和電容造成很大的干擾。這些干擾會(huì)耦合到二次側(cè)引起二次側(cè)過(guò)電壓或過(guò)電流，從而使二次側(cè)保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)甚至破壞設(shè)備。

斷路器開(kāi)斷等效模型見(jiàn)圖1 所示。

圖1 斷路器開(kāi)斷等效模型

當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)的瞬間，斷開(kāi)的母線側(cè)由于在其雜散電容中已經(jīng)儲(chǔ)存了能量Q,所以母線側(cè)電壓將保持在恒定的電壓水平：

觸頭另一側(cè)的電位就是饋線端的正弦交流電壓，觸頭兩側(cè)電位差的逐漸增大也使得觸頭間電場(chǎng)強(qiáng)度增大，最終達(dá)到絕緣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)從而電弧重燃。當(dāng)斷路器切斷負(fù)荷尤其是感性負(fù)荷時(shí)會(huì)由于電流的突變而產(chǎn)生過(guò)電壓，這個(gè)過(guò)電壓會(huì)加在斷路器斷口兩端，當(dāng)絕緣強(qiáng)度沒(méi)有完全恢復(fù)的時(shí)候就有可能使斷口間隙再次被擊穿，產(chǎn)生多次重燃。每一次的電弧重燃都會(huì)由于高壓線路中的電容和電感而引入一個(gè)高頻的阻尼正弦電流，由于高壓回路中存在電容和電感，造成一系列的阻尼正弦振蕩的疊加。這樣使得幅值為工頻的電流頻率將達(dá)數(shù)百千赫茲到幾兆赫茲，形成暫態(tài)電磁干擾源[2]。

2 開(kāi)關(guān)柜電磁干擾信號(hào)測(cè)量

2.1 合成試驗(yàn)回路

合成試驗(yàn)回路是根據(jù)斷路器在開(kāi)斷過(guò)程中大電流和高電壓不同時(shí)出現(xiàn)在燃弧間隙上這一特點(diǎn)，采用兩個(gè)電源來(lái)分別提供流過(guò)被試斷路器的電流和作用于斷路器兩端的恢復(fù)電壓的試驗(yàn)方法。本文中10 kV開(kāi)關(guān)柜額定參數(shù)為額定參數(shù)為：50 Hz/2 000A,額定短路開(kāi)斷電流為31.5 kA。選擇在110 kV/63 kA振蕩電路型合成試驗(yàn)回路中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。110 kV/63 kA振蕩電路型合成試驗(yàn)回路電流回路輸出短路電流值可達(dá)63 kA，開(kāi)斷方式為單相開(kāi)斷，完全能夠滿足10 kV開(kāi)關(guān)柜的開(kāi)斷要求。合成試驗(yàn)回路原理圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 合成試驗(yàn)回路原理圖

2.2 信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)

由于二次側(cè)信號(hào)幅值小，高頻成份復(fù)雜，為了獲得良好的試驗(yàn)結(jié)果，采用光柵隔離系統(tǒng)，對(duì)二次側(cè)電流信號(hào)采用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2.3 二次側(cè)信號(hào)測(cè)量

10 kV開(kāi)關(guān)柜斷路器開(kāi)斷所產(chǎn)生的電磁干擾主要可分為輻射干擾和傳導(dǎo)耦合干擾。由于斷路器位于金屬封閉隔室內(nèi)，開(kāi)斷造成的輻射干擾受金屬腔體屏障限制，對(duì)外輻射干擾基本可忽略不計(jì)。電磁信號(hào)傳導(dǎo)路徑主要是通過(guò)與主回路互相耦合的電流互感器侵入二次電流信號(hào)回路，文中針對(duì)電流互感器二次側(cè)回路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和采集。信號(hào)采樣頻率為500 MHz，最大采樣率為2.5 GSa/s，采樣時(shí)間為20 ms，即一個(gè)完整波形周期。

測(cè)量環(huán)境一：模擬開(kāi)關(guān)柜在額定參數(shù)下工作，由輔助斷路器進(jìn)行開(kāi)斷，設(shè)定電流源電流峰值為2 kA，恢復(fù)電壓幅值為10 kV。在該環(huán)境下，測(cè)量電流互感器二次側(cè)信號(hào)回路的輸出信號(hào)，作為正常工作下的信號(hào)波形，在電源投入回路的前5 ms開(kāi)始測(cè)量。利用Matlab對(duì)采集到的正常工作波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域變換分析，波形圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 測(cè)量環(huán)境一輸出電流時(shí)域波形

測(cè)量環(huán)境二：模擬開(kāi)關(guān)柜在額定參數(shù)下開(kāi)斷，由開(kāi)關(guān)柜斷路器進(jìn)行開(kāi)斷，設(shè)定電流源電流峰值為2 kA，恢復(fù)電壓幅值為10 kV。在該環(huán)境下，測(cè)量電流互感器二次側(cè)信號(hào)回路的輸出信號(hào)，作為額定開(kāi)斷下的信號(hào)波形，在電源投入回路的前5 ms開(kāi)始測(cè)量。利用Matlab對(duì)采集到的正常工作波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域變換分析，波形圖見(jiàn)圖5所示。

圖5 測(cè)量環(huán)境二輸出電流時(shí)域波形

測(cè)量環(huán)境三：模擬開(kāi)關(guān)柜在短路故障情況下開(kāi)斷，由開(kāi)關(guān)柜斷路器進(jìn)行開(kāi)斷，設(shè)定電流源電流峰值為31.5 kA，恢復(fù)電壓峰值為10 kV。在該環(huán)境下，測(cè)量電流互感器二次側(cè)信號(hào)回路的輸出信號(hào)，作為短路故障下的信號(hào)波形，在電源投入回路的前5ms開(kāi)始測(cè)量。利用Matlab對(duì)采集到的短路狀態(tài)下的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域變換分析，波形圖見(jiàn)圖6所示。

圖6 測(cè)量環(huán)境三輸出電流時(shí)域波形

信號(hào)時(shí)域圖以開(kāi)斷第一個(gè)半波的起始點(diǎn)作為零時(shí)，從時(shí)域圖看，在開(kāi)斷的零時(shí)刻和7～13 ms區(qū)間存在明顯的電磁干擾，且干擾信號(hào)幅值較大。

在開(kāi)斷零時(shí)刻，存在尖峰電磁雜波干擾。是由于在零時(shí)刻，電流源、電壓源依靠合閘斷路器引入合成試驗(yàn)回路，合閘斷路器處于合閘狀態(tài)，合閘過(guò)程中，由于觸頭的接觸和抖動(dòng)產(chǎn)生電氣間隙，引起電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，產(chǎn)生瞬變電磁場(chǎng)，電磁信號(hào)耦合到測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入采集系統(tǒng)。經(jīng)時(shí)域圖得知，在零時(shí)刻產(chǎn)生的電磁干擾幅值均在100 mV上下，較為穩(wěn)定。由于斷路器的運(yùn)動(dòng)特性，該電磁干擾信號(hào)在實(shí)際試驗(yàn)中是無(wú)法消除，因此在分析過(guò)程中暫不考慮。

7～13 ms區(qū)間，電流信號(hào)波形畸變嚴(yán)重，受電磁干擾程度較為劇烈。本文將針對(duì)此時(shí)域重點(diǎn)進(jìn)行db小波變換分析。

3 db小波變換分析

3.1 小波變換原理

時(shí)間(空間)和頻率是表示信號(hào)特征的重要方式。小波變換是一種時(shí)間尺度分析方法，克服了短時(shí)傅里葉變換在單分辨率上的缺陷，具有多分辨率分析的特點(diǎn)，在時(shí)域和頻域都有表征信號(hào)局部信息的能力，時(shí)間窗和頻率窗都可以根據(jù)信號(hào)的具體形態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整。小波分析可以探測(cè)正常信號(hào)中的瞬態(tài)，并展示其頻率成分，廣泛應(yīng)用于各個(gè)時(shí)頻分析領(lǐng)域[3]。

利用小波方法分析信號(hào)特征，小波函數(shù)的選擇直接影響分析結(jié)果的正確性。小波分解層數(shù)與時(shí)頻分析精度有關(guān)，分解層數(shù)越少，分析的速度就越快，但是頻帶分辨率也越低。分解層數(shù)越多，分析的速度就相對(duì)較慢，但是頻帶的分辨率也越高。考慮到暫態(tài)電磁干擾信號(hào)特性，經(jīng)過(guò)嘗試，選用db5小波函數(shù)進(jìn)行小波5層分解，得到6個(gè)頻段的重構(gòu)小波分解系數(shù)。

3.2 db小波變換分析

選取測(cè)試環(huán)境一的7～13 ms的信號(hào)波形進(jìn)行小波分析，利用小波函數(shù)db5進(jìn)行6層小波分解，額定參數(shù)工作情況下電流波形小波重構(gòu)高頻系數(shù)見(jiàn)圖7所示。

圖7 測(cè)試環(huán)境一小波重構(gòu)高頻系數(shù)

選取測(cè)試環(huán)境二的7～13 ms的信號(hào)波形進(jìn)行小波分析，利用小波函數(shù)db5進(jìn)行6層小波分解，額定參數(shù)開(kāi)斷情況下電流波形小波重構(gòu)高頻系數(shù)見(jiàn)圖8所示。

圖8 測(cè)試環(huán)境二小波重構(gòu)高頻系數(shù)

選取測(cè)試環(huán)境三的7～13 ms的信號(hào)波形進(jìn)行小波分析，利用小波函數(shù)db5進(jìn)行6層小波分解，短路開(kāi)斷情況下電流波形小波重構(gòu)高頻系數(shù)見(jiàn)圖9所示。

圖9 測(cè)試環(huán)境三小波重構(gòu)高頻系數(shù)

6層小波分解重構(gòu)后的頻率范圍見(jiàn)表1所示。

表1 小波分解重構(gòu)后的頻帶范圍

通過(guò)6層分解重構(gòu)后的小波系數(shù)，分別計(jì)算在三組測(cè)試環(huán)境下對(duì)應(yīng)頻帶的能量特征向量。然后分別進(jìn)行短路故障開(kāi)斷情況下、額定參數(shù)開(kāi)斷情況下與正常工作情況下的能量特征對(duì)比分析。能量特征值及能量變比系數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 不同環(huán)境下能量特征及變比系數(shù)

以不同測(cè)試環(huán)境作為橫軸，重構(gòu)小波特征能量作為縱軸，繪制重構(gòu)小波特征能量變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖10所示。

圖10 特征能量變化勢(shì)圖

從圖10中可分析得出，在開(kāi)關(guān)柜正常工作階段，6層重構(gòu)小波能量特征E1值處于較小范圍；在額定開(kāi)斷情況下，6層重構(gòu)小波能量特征E2值有不同程度的上升，以d4小波15.625～31.25 MHz頻段、d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段上升較明顯；在短路開(kāi)斷的情況下，6層重構(gòu)小波能量特征E3值有較大程度的上升，以d3小波31.25～62.5 MHz頻段、d4小波15.625～31.25 MHz頻段、d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段上升較突出。其他頻帶重構(gòu)小波能量特征升幅不明顯。

以不同測(cè)試環(huán)境下能量特征E1/E1、E2/E1、E3/E1作為橫軸，重構(gòu)小波特征能量變比系數(shù)作為縱軸，繪制重構(gòu)小波特征能量變比系數(shù)趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖11所示。

圖11 特征能量變比系數(shù)趨勢(shì)圖

從表2和圖11可分析得出，在斷路器額定開(kāi)斷情況下，d4小波15.625～31.25 MHz頻段能量是正常工作的11.365倍，d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段能量是正常工作的18.004倍，d6小波31.25～62.5 MHz頻段能量是正常工作的5.641倍；在斷路器短路開(kāi)斷情況下，d4小波15.625～31.25 MHz頻段能量是正常工作的27.418倍，d5小波7.812 5～15.625 MHz頻段能量是正常工作的48.465倍，能量增加較為顯著。其他頻帶重構(gòu)小波能量特征變比系數(shù)增幅不顯著。

4 結(jié)論

(1)在電源投入合成試驗(yàn)回路的零時(shí)刻，存在尖峰電磁雜波干擾。是由于外部合閘斷路器的投入，觸頭接觸抖動(dòng)產(chǎn)生電氣間隙，引起電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，產(chǎn)生瞬變電磁場(chǎng)，瞬變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)經(jīng)主回路耦合到測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入采集系統(tǒng)，該時(shí)刻產(chǎn)生的電磁干擾幅值較為穩(wěn)定，與試驗(yàn)回路通流大小無(wú)明顯關(guān)系。

(2)在斷路器開(kāi)斷過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)干擾電磁波能量和頻率分布較廣，隨著斷路器開(kāi)斷電流數(shù)值的提升，由開(kāi)斷造成的電磁干擾呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，電磁干擾信號(hào)能量特征較正常工作有著較大倍數(shù)的擴(kuò)大。由上述分析可得出，由10 kV斷路器開(kāi)斷產(chǎn)生電弧所引起的主要暫態(tài)電磁干擾頻段為d4小波和d5小波所在的7.8125～31.25 MHz頻段。

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Analysis of Switchgear Electromagnetic Interference Based on Wavelet Analysis

Zhu Chenguang, Xu Minghui，Hua Zhengxiang，Hu Ke

(Technology Center of Pinggao Group CO.,LTD,Pingdingshan 467000, China)

Transient electromagnetic interference generated in the process of switch equipment running exerts a great influence on the stable operation of the secondary electronic device. To tackle such issues as the ambiguity of the switchgear electromagnetic interference signal characteristics and the inadequacy of secondary circuit noise immunity competence, the paper proposed a method of using synthetic test circuit and raster isolation acquisition system to collect electromagnetic interference signals under different operating environments, which was analyzed using wavelet to process interference signals mathematically and to extract the transient electromagnetic interference and the energy distribution of the main band. The results indicate that with the upgrading of the current value of the circuit, electromagnetic interference tend to increase gradually, the electromagnetic interference band being between d4 wavelet 31.25 MHz and d5 wavelet 7.8125 MHz. The study lays the foundation for further study of the transient electromagnetic interference mitigation methods to enhance the electromagnetic immunity level of secondary electronic devices.

wavelet analysis；transient electromagnetic interference；energy feature

2015-05-08。

朱晨光(1984-)，男，工程師，研究方向?yàn)橹袎洪_(kāi)關(guān)設(shè)備智能化及集成技術(shù)，E-mail：15103753309@126.com。

TM591

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.008