黎 鵬 黃道春 阮江軍 朱晨光 牛小波 普子恒

柱上開關(guān)開斷對二次智能設(shè)備的電磁干擾研究

黎 鵬1黃道春1阮江軍1朱晨光2牛小波1普子恒1

（1. 武漢大學電氣工程學院 武漢 430072 2. 平高集團有限公司 平頂山 467001）

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，對智能化一次設(shè)備提出了更高的要求，二次控制與保護裝置的安全可靠運行是實現(xiàn)一次設(shè)備智能化的重要保障。柱上開關(guān)是配電系統(tǒng)中作為保護與控制的關(guān)鍵設(shè)備，其在開斷燃弧過程產(chǎn)生的高頻信號是二次智能裝置中最嚴重的電磁干擾來源之一，它可能會造成二次裝置出現(xiàn)故障，所以研究柱上開關(guān)開斷對二次智能設(shè)備的電磁干擾問題具有重要意義。本文利用合成試驗回路對 10kV柱上開關(guān)進行合成開斷試驗，采集了電流互感器輸出電流信號，F(xiàn)TU控制器輸入及輸出電流信號，并對采集的波形數(shù)據(jù)進行時頻特性分析，得到了開關(guān)分斷時對二次側(cè)信號干擾的頻帶及能量分布情況，結(jié)果表明：柱上開關(guān)開斷對電流互感器二次側(cè)、FTU控制器均產(chǎn)生了瞬態(tài)電磁干擾；柱上開關(guān)開斷燃弧過程引起的干擾主要分布在頻帶 7.81～15.62MHz；電弧過零引起的干擾主要分布在31.25～62.5MHz；瞬態(tài)恢復(fù)電壓引起的瞬態(tài)干擾主要分布在31.25～125MHz。

柱上開關(guān) FTU控制器 電磁干擾 合成試驗 小波分析 頻帶分布

1 引言

智能電網(wǎng)（Smart Grid）以其獨特的優(yōu)勢得到快速發(fā)展[1-2]，智能化設(shè)備是智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著智能化一次設(shè)備與二次設(shè)備的一體化與集成化，其對瞬態(tài)干擾的敏感性、脆弱性日益增強，高壓電力設(shè)備與其智能控制和保護設(shè)備的電磁兼容問題日益突出。高壓開關(guān)是電力系統(tǒng)控制與保護的主要設(shè)備之一，其開斷過程產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁干擾嚴重影響二次智能設(shè)備的正常穩(wěn)定運行，成為電磁兼容領(lǐng)域不可忽視的重要問題之一。

高壓開關(guān)操作時，觸頭間會產(chǎn)生一系列電弧，電弧的燃燒、重燃將會在斷開的母線上產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場，向周圍空間輻射能量，同時，母線上的瞬態(tài)過程還可以通過連接到母線上的設(shè)備（如電流互感器CT）傳導(dǎo)耦合到二次回路，從而引起二次智能設(shè)備誤動、拒動[3-4]。柱上開關(guān)（見圖 1）作為配電線路保護的關(guān)鍵設(shè)備，由FTU（Feeder Terminal Unit）控制器（見圖 2）對其進行遠程操控，由于兩者由電纜相連，斷路器操作引起的瞬態(tài)干擾可能通過空間輻射或 CT經(jīng)連接電纜耦合至控制器，同時控制器內(nèi)部設(shè)備之間還存在相互串擾，可能會引起FTU控制器出現(xiàn)故障，影響開關(guān)的正常工作，所以研究二次控制、保護裝置在柱上開關(guān)開斷時的電磁干擾問題具有重要的理論和實際工程意義。

圖1 柱上開關(guān)Fig.1 Diagram of pole-mounted switch

圖2 FTU控制器Fig.2 FTU controller

國外對開關(guān)（隔離開關(guān)、斷路器）操作產(chǎn)生的電磁干擾問題進行了大量研究，文獻[5-10]對高壓AIS、GIS變電站中開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電場及磁場進行了測量和分析，測量發(fā)現(xiàn)，AIS、GIS中隔離開關(guān)和斷路器操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖上升沿可達到ns級，空間最大電場強度超過 10kV/m，最大磁場強度超過 200A/m，開關(guān)操作的主導(dǎo)頻率在 0.5～120MHz，其中斷路器操作與隔離開關(guān)相比，瞬態(tài)幅值小，主導(dǎo)頻率高。文獻[11-12]對 20kV開關(guān)柜斷路器重燃時在 CT二次側(cè)引起的高頻電流進行了測量分析，得到由重燃引起的高頻電流頻率為 1～3MHz；文獻[13]對斷路器多次重擊穿引起的電磁干擾信號進行了測量，并對最后一次重燃和倒數(shù)第二次重燃進行了分析，分析表明干擾電流的頻帶范圍達到200MHz，輻射電場的頻帶范圍達到750MHz。

國內(nèi)的研究主要以變電站的電磁干擾研究為主[14-16]，文獻[14]對變電站開關(guān)操作引起的瞬態(tài)電磁場特征進行了分析，并提出了抗干擾措施；文獻[15]中測得 500kV變電站隔離開關(guān)操作時空間的最大場強約為 19kV/m，斷路器操作時最大場強約為15kV/m。目前研究均是針對開關(guān)操作時電弧重燃產(chǎn)生的瞬態(tài)電場及磁場測量方面，而對單次燃弧產(chǎn)生的干擾情況研究較少，且電場和磁場不能真實反映二次控制回路的實際干擾情況，所以有必要對柱上開關(guān)開斷引起的二次回路電流信號的干擾情況進行試驗研究。

本文利用合成試驗回路模擬 10kV柱上開關(guān)的開斷過程，研究其對二次回路的電磁干擾問題；利用分流器采集了 CT二次側(cè)輸出電流、FTU控制器的輸入及輸出電流信號；對采集的信號進行頻譜分析，得到了干擾信號的頻帶及能量分布，并提出了電磁干擾抑制措施，研究可為柱上開關(guān)控制器的抗電磁干擾改進提供參考。

2 試驗設(shè)備與方法

2.1 試驗布置

柱上開關(guān)的合成開斷試驗布置如圖3所示，主要包括電流源及電壓源，其中CCB為合閘斷路器；ACB為輔助斷路器；Rog為 Rogowski線圈，測量主回路開斷電流；R0為調(diào)頻電阻；C0為調(diào)頻電容（R0、C0共同調(diào)節(jié)瞬態(tài)恢復(fù)電壓 TRV的幅值和頻率）；RVDT為電阻分壓器；RCVDT為阻容分壓器。

圖3 試驗布置圖Fig.3 Schematic diagram of experimental setup

A、B兩端接柱上開關(guān)，由于回路只能進行單相開斷試驗，且柱上開關(guān)三相為對稱結(jié)構(gòu)，差異較小，對測量結(jié)果影響不大，所以試驗過程中將柱上開關(guān)的C相接入主回路中，圖 4為柱上開關(guān)與FTU控制器的連接簡圖，利用分流器（采集點1～3）對CT二次側(cè)輸出電流、控制器的輸入、輸出電流進行采集。

分流器為無感電阻，采用 RLC測量儀對分流器的實際參數(shù)進行了測量，阻值約為 0.02Ω，電感量為nH級，將參數(shù)相近的分流器串入圖 4所示采集點，由于阻值較小不會影響 CT的正常工作，利用帶寬500 MHz的P6139B電壓探頭采集分流器電壓信號；試驗過程中為了減弱射頻干擾信號和雜散寄生信號對測量回路的影響，提高測量結(jié)果的準確性，所有采集信號均經(jīng)過 ISOBE5600光纖隔離采樣系統(tǒng)進入DPO4054四通道500MHz帶寬數(shù)字示波器。

圖4 柱上開關(guān)接線簡圖Fig.4 Internal wiring diagram of pole-mounted switch

2.2 試驗參數(shù)

柱上開關(guān)型號為 ZW□-12/T1250-20，額定電壓12kV，額定電流 1 250A，CT變比為 600∶5；滅孤室為真空滅弧室，觸頭為銅鉻合金、杯狀縱磁結(jié)構(gòu)。為了觀測開斷額定工作電流時的干擾情況，試驗設(shè)定主回路電流為額定工作電流1 250A，瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）為10kV。

按照交流斷路器的試驗標準[17]，根據(jù)斷路器合成試驗的等價性要求設(shè)定的試驗參數(shù)如表 1所示。

表1 回路參數(shù)Tab.1 Circuit parameters

2.3 試驗方法與步驟

2.3.1 環(huán)境噪聲下的基礎(chǔ)波形

在設(shè)定的試驗參數(shù)下，ACB及柱上開關(guān)均閉合時，CCB合閘，采集C相CT輸出端、FTU控制器輸入及輸出電流波形，作為環(huán)境噪聲下的基礎(chǔ)波形，排除開關(guān)觸頭機械碰撞以及環(huán)境噪聲引起的干擾。2.3.2 正常工作狀態(tài)下的信號波形采集

柱上開關(guān)的正常工作狀態(tài)定義為：投入電流源，電壓源不工作，柱上開關(guān)無任何動作，直至電流衰減為零；但是為了保護電流源電容器及相關(guān)設(shè)備，需盡快將電流開斷，所以投入電流源后，由 ACB在電流第一個半波過零點分斷電流，柱上開關(guān)不動作；在該環(huán)境下，分別采集各點信號波形，作為正常工作下的基礎(chǔ)波形。

2.3.3 故障狀態(tài)下的波形采集

模擬故障狀態(tài)下，柱上開關(guān)分斷電流的情形；為了觀察TRV對二次側(cè)電流信號的影響，故障狀態(tài)分兩種情況進行，一是按照事先設(shè)定的參數(shù)投入電流源，不加電壓源進行開斷試驗，二是加TRV進行開斷試驗；同時為了將采集的波形跟正常工作狀態(tài)下進行對比，需滿足單一變量原則，即故障情況下，仍將 ACB設(shè)定在電流的第一個半波動作，時間提前柱上開關(guān)約0.5ms（ACB的剛分時間與正常工作狀態(tài)一致），由兩者共同分斷電流；TRV的加入還能間接反映過電壓對二次回路的影響；在該兩種條件下，分別采集各點電流信號，作為故障狀態(tài)下的試驗波形。

各信號點波形均利用光纖隔離采樣系統(tǒng)以及DPO4054四通道500MHz帶寬數(shù)字示波器采集，示波器設(shè)置為高分辨率模式，以存儲深度 10Mpts采集點數(shù)并保存，采樣頻率為 500MHz。電流信號的測量結(jié)果均換算到20mΩ分流器下的結(jié)果。

3 試驗結(jié)果

3.1 主回路合成試驗波形

根據(jù)表1中設(shè)定的參數(shù)，實際測得的主回路電流和 TRV如圖 5所示。其中電流峰值為 1.31kA；TRV為9.98kV，TRV上升率為0.26kV/μs。由于Rog線圈帶寬的限制，無法準確測量主回路高頻干擾電流，所以該測量值只能反映電流的幅值情況。

圖5 合成開斷試驗波形Fig.5 Waveform of the synthetic breaking test

3.2 不同工作情況下的信號波形

不同工作情況下采集的電流信號波形如圖 6～圖9所示（圖中變比為1V/500A）。

圖6 環(huán)境噪聲下基礎(chǔ)波形Fig.6 Basic waveform under environmental noise

圖7 正常工作情況下波形Fig.7 Waveform under normal working condition

圖8 故障未加電壓源情況下信號波形Fig.8 Waveform of fault without voltage source

圖9 故障加電壓源情況下信號波形Fig.9 Waveform of fault with voltage source

由圖 6～圖 9可知，采集的信號波形均在零點附近有較大幅值；后經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，當 CCB合閘時，均會采集到類似波形，分析認為這主要由于CCB合閘時，觸頭接觸及抖動產(chǎn)生的噪聲干擾經(jīng)測量設(shè)備耦合進入示波器，該干擾信號是無法消除的，分析過程可不予考慮。而波形在電流過零點附近均產(chǎn)生了較大波動，雖然幅值有所差異，但整體趨勢基本一致，說明柱上開關(guān)開斷在電流過零點附近對二次回路產(chǎn)生了較大干擾，重點對該部分進行分析。

4 信號波形的頻譜分析

4.1 小波分析

針對信號的頻譜分析，目前主要有傅里葉變換（FFT）和小波分析，F(xiàn)FT雖然能對波形的整體頻帶分布進行分析，但由于本文信號采集的采樣率較高，達到 500MHz，頻率成分復(fù)雜，F(xiàn)FT的結(jié)果無法反映干擾信號的具體頻帶分布和產(chǎn)生時間；同時瞬變部分均集中在零點附近，該部分是研究和關(guān)注的重點，而FFT無法提取局部時間段內(nèi)的頻域特征信息。綜合考慮，本文采用小波分析對時域波形進行分析。小波分析方法是一種窗口（面積）大小固定但時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局域化分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率[18]，可以很好地彌補 FFT的不足，用于本文正常信號中的局部瞬態(tài)突變信號的檢測分析。

圖 10為多分辨率分析的小波分解樹圖形，其中，A表示低頻分量，D表示高頻分量。其實現(xiàn)過程相當于重復(fù)使用一組高通和一組低通濾波器，對時間信號進行逐步分解，高通濾波器產(chǎn)生的信號為高頻細節(jié)分量，低通濾波器產(chǎn)生的信號為低頻逼近分量。每次分解后，信號的采樣頻率降低為原來的1/2。在小波分析中，小波基的選擇至關(guān)重要，會影響信號分析的精度；daubechies系列小波具有正交性好、緊支、對不規(guī)則信號敏感等特點[18]，綜合考慮本文信號的實際情況，采用db5小波作為小波基，對信號進行 6層小波分解，具體步驟如下：

圖10 小波分解樹圖形Fig.10 The diagram of the wavelet decomposition tree

（1）首先對待分析的離散信號S進行6層小波分解，提取小波分解第6層低頻和1～6層高頻共7個頻率成分的信號特征，分解結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

（2）信號S經(jīng)小波分解后，對7個分解系數(shù)進行小波重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號。則原始信號S可用重構(gòu)信號之和表示為設(shè)原始信號的采樣頻率為Fs，小波分解重構(gòu)后得到的信號分量所包含的信息頻帶范圍為

第n層細節(jié)系數(shù)對應(yīng)的頻段范圍為(n=1～6)

第n層逼近系數(shù)對應(yīng)的頻段范圍為

（3）小波重構(gòu)后的信號包含了原始信號在不同頻段的時域信息，可利用該特性對原始高頻干擾信號進行分析。定義1～6層高頻重構(gòu)序列和第6層低頻重構(gòu)序列的能量表達式為

（4）將上述小波分解系數(shù)序列的能量進行歸一化處理，構(gòu)成特征能量向量 p，用特征能量來反映不同頻帶信號占總能量的百分比[18-21]。

4.2 柱上開關(guān)開斷對CT二次側(cè)電流影響分析

CT二次側(cè)輸出電流干擾是FTU控制器中傳導(dǎo)干擾的主要來源，也是離柱上開關(guān)最近，最易受到傳導(dǎo)、輻射干擾的部分，所以有必要對該部分的電流波形進行分析。

不同情況下 CT二次側(cè)電流時域波形如圖 6～圖 9a所示，波形中虛線區(qū)域變化較大，重點對該部分進行分析；對比波形圖 6、圖 7可知，ACB開斷燃弧過程對二次側(cè)信號產(chǎn)生的干擾較小，但過零時與故障情況（見圖 8、圖 9）一樣產(chǎn)生了較為明顯的干擾突變信號；由圖 8、圖 9可以看出，柱上開關(guān)開斷燃弧過程與電弧過零時刻均會產(chǎn)生明顯高頻干擾；同時對比時域圖發(fā)現(xiàn)：由于 ACB距二次設(shè)備較遠，對二次回路的干擾與柱上開關(guān)相比較小。

為得到柱上開關(guān)開斷引起高頻干擾的頻帶分布，以及不同頻帶的特征能量情況，對虛線區(qū)域波形（點數(shù)：7～9Mpts）采用db5小波進行6層小波分解，并計算特征能量，結(jié)果如圖11～圖13、表2、表3所示。

圖11 正常工作下信號小波重構(gòu)高頻系數(shù)Fig.11 Wavelet reconstruction high frequency coefficient of signal under normal working condition

圖12 故障未加電壓源下信號小波重構(gòu)高頻系數(shù)Fig.12 Wavelet reconstruction high frequency coefficient of signal under fault without voltage source

圖13 故障加電壓源下信號小波重構(gòu)高頻系數(shù)Fig.13 Wavelet reconstruction high frequency coefficient of signal under fault with voltage source

表2 不同工作情況下的特征能量Tab.2 Characteristic energy under different conditions

表3 不同情況下的變化系數(shù)Tab.3 Coefficients of variation

由表3中變化系數(shù)可知：正常工作情況下，細節(jié)系數(shù) d3所在頻段特征能量變化最大為 1 870.81，這與圖11中小波重構(gòu)信號d3的模值最大是對應(yīng)的，說明由于 ACB開斷過零造成的干擾頻帶范圍為31.25～62.5MHz；同時觀察圖 12小波重構(gòu)高頻系數(shù)的波形可以看出，在過零點時仍是 d3的模值最大，說明柱上開關(guān)與 ACB開斷在電弧過零點附近產(chǎn)生的干擾成分是一致的，主要分布在頻段 31.25～62.5MHz。

故障未加電壓源與正常工作情況相比，細節(jié)系數(shù) d5、d4所在頻段特征能量變化最大，該變化主要是由柱上開關(guān)開斷燃弧過程造成的；觀察圖12小波重構(gòu)信號的波形可以看出，開斷過程中細節(jié)系數(shù) d5的模值最大，綜合分析認為由柱上開關(guān)開斷燃弧過程造成的干擾頻段主要分布在 7.812 5～15.625MHz。

故障加電壓源的情況下，由于TRV的加入，細節(jié)系數(shù)所在頻段特征能量均有所變大，這從圖 13細節(jié)系數(shù)的模值也可以看出；其中d2、d3所在頻段特征能量變化最大，分別為29.49和 25.98，說明由于TRV投入造成的瞬態(tài)干擾信號頻帶主要分布為：62.5～125MHz、31.25～62.5MHz；這也反映了 TRV能增加二次回路電流信號的高頻干擾，實際運行中需對柱上開關(guān)斷口兩端的TRV采取抑制措施。

4.3 柱上開關(guān)開斷對控制器輸入電流影響分析

柱上開關(guān) CT二次側(cè)輸出電流信號經(jīng)電纜傳入控制器，由于傳輸線較長線路排布較密，信號在傳輸過程可能會遭受高頻輻射干擾；為了驗證這一情況，選取了故障未加電壓源情況下，CT輸出信號與 FTU控制器輸入信號波形進行分析。

由時域波形圖 8a、圖 8b可以看出，控制器的輸入電流干擾情況較 CT輸出電流嚴重，為了確定增加干擾信號的頻帶范圍，同樣對虛線區(qū)域采用小波函數(shù)db5進行6層小波分解，并計算特征能量，如表 4所示；發(fā)現(xiàn)細節(jié)系數(shù) d1、d4、d5、d6所在頻段特征能量均有所增加，其中 d4增加最大為 100，且逼近系數(shù)a6所在頻段特征能量減少；說明電流信號經(jīng)電纜傳入控制器輸入端的過程中受到了一定的高頻干擾，使得高頻干擾信號能量增加；分析主要有兩方面的原因：①控制器與柱上開關(guān)的傳輸電纜較長，屏蔽電纜屏蔽效果有限，使得傳播過程中受到的高頻輻射干擾較為嚴重，這從頻帶125～250MHz的特征能量增加較大可以看出；②柱上開關(guān)與控制器連接的同軸電纜中線路排布較密，電流傳輸過程中受到的共模與差模干擾增強。

表4 特征能量及變化系數(shù)對比結(jié)果Tab.4 The characteristic energy and coefficients of variation

同時從表4中可以發(fā)現(xiàn)d3所在頻段的特征能量變化系數(shù)有所減小，而減少的部分剛好為柱上開關(guān)電弧過零產(chǎn)生的高頻干擾信號，從小波高頻重構(gòu)信號圖中也可以看出，控制器輸入電流的小波重構(gòu)高頻信號在電弧過零時刻的模值較 CT輸出電流減小較為明顯，說明由柱上開關(guān)開斷電弧過零產(chǎn)生的干擾成分在傳輸過程中有所減少，主要原因是該部分高頻干擾信號幅值較大、頻率較高，傳播過程中，由于傳輸電纜的電感效應(yīng)，對該部分高頻信號有所抑制的結(jié)果[13]。

由以上分析可知：雖然傳輸線的電感作用會對柱上開關(guān)開斷電弧過零產(chǎn)生的干擾成分有一定的衰減作用，但在傳輸過程中由于缺少有效屏蔽、濾波措施，電流信號會受到更為嚴重的空間輻射以及共模、差模干擾，所以需要采取一定的措施進行削弱。其它工作情況（正常工作、模擬瞬態(tài)恢復(fù)電壓）均得到了類似的結(jié)果。

4.4 控制器對控制回路電流影響分析

FTU控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其控制命令均需根據(jù)輸入電流波形來執(zhí)行，若輸入電流在控制器內(nèi)部遭受干擾可能會使控制器誤發(fā)指令，所以有必要對控制器的輸入及輸出波形進行分析，分析方式與前述一致；選取了圖 8b、圖 8c故障未加電壓源的波形信號進行分析。

對虛線區(qū)域信號采用小波函數(shù)db5進行6層小波分解，并計算特征能量，由表 5中特征能量的變化系數(shù)可以看出，輸出電流信號的高頻成分均有所減少，同時觀察時域波形可以發(fā)現(xiàn)輸出電流較輸入電流波形高頻干擾成分有所減少；說明FTU控制器內(nèi)部排布合理并不會增加輸入電流的高頻干擾，但其對輸入波形的高頻干擾成分也無明顯抑制。

表5 特征能量及變化系數(shù)對比結(jié)果Tab.5 The characteristic energy and coefficients of variation

5 干擾機理及抑制措施

5.1 機理分析

目前針對斷路器開斷引起的電磁干擾機理方面均是針對電弧的多次重燃，可用圖14進行解釋[13,22]，斷路器觸頭分斷時，由于電感中的電流不能突變，電流流向雜散電容 C，對其充電，負載側(cè)出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓，當觸頭間隙電壓高于介質(zhì)擊穿電壓時，觸頭間產(chǎn)生電弧，使電路導(dǎo)通，C放電，形成高頻電流，當電流過零電弧熄滅時，兩端再次出現(xiàn)過電壓，上述過程重復(fù)出現(xiàn)便會造成多次重燃現(xiàn)象，從而形成高頻電流波和電壓波，經(jīng)CT或PT進入二次側(cè)，對低壓智能設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

圖14 典型重燃等效電路圖Fig.14 Equivalent circuit diagram of typical restrike

本次試驗過程，由實測波形可知，從柱上開關(guān)開斷至電流過零只發(fā)生了單次燃弧，并未出現(xiàn)多次燃弧現(xiàn)象，但在電流零點附近仍出現(xiàn)了較大干擾，說明斷路器開斷單次燃弧引起的干擾情況不應(yīng)忽視。由時頻特性分析可知，斷路器開斷引起的高頻干擾頻帶分布較廣，干擾傳播途徑有傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩種方式；而本文研究的柱上開關(guān)為固封極柱式，CT具有良好的屏蔽體，其遭受輻射干擾的影響較小，干擾以經(jīng) CT的傳導(dǎo)耦合為主，美國電力科學研究院的研究報告也表明，開關(guān)電弧產(chǎn)生的暫態(tài)電磁場頻率一般小于 100MHz，可不考慮電弧的輻射干擾問題[22]；雖然電流經(jīng)電纜傳輸過程由于輻射干擾和導(dǎo)線之間的串擾，干擾情況有所增加，但與 CT輸出端電流的干擾相比并不十分明顯，所以FTU控制器中的干擾主要源于母線經(jīng)CT的傳導(dǎo)耦合干擾，下面重點對主回路經(jīng) CT的傳導(dǎo)干擾機理進行分析。

圖15為高頻干擾經(jīng)CT傳入二次回路的等效電路[23]，圖中，Ci、Li為電流源電容和電感；C1、C2為對地雜散電容；Z1為電流源回路阻抗；CT為互感器套管電容；C1N、C2N分別為互感器一次側(cè)、二次側(cè)與法拉第屏蔽層之間的寄生電容；Z2、ZL、ZD分別為二次回路電纜波阻抗、負載阻抗以及接地阻抗。據(jù)圖計算得到的二次回路電流為

圖15 高頻傳導(dǎo)干擾等效電路圖Fig.15 Equivalent circuit diagram of high frequency conducted disturbance

穩(wěn)態(tài)時，i為電流源主回路電流，基本不會對二次回路產(chǎn)生干擾；而當柱上開關(guān)開斷燃弧時，由于電弧的燃燒，會產(chǎn)生高頻干擾電流，該電流可由斷路器ZCB的弧壓及其等效電容Cu確定，即

可見暫態(tài)電流i1與柱上開關(guān)斷口的弧壓有較大關(guān)系，為了觀測燃弧期間斷口弧壓的變化，對弧壓進行了測量，如圖16所示，圖中電流、弧壓均為示波器采集值，真實值需乘以各自變比；由圖可知，燃弧期間弧壓基本穩(wěn)定，無較大波動，而在電流零點附近，電流源電容器的殘壓引起弧壓出現(xiàn)明顯波動，幅值大幅升高，該瞬態(tài)過程勢必會產(chǎn)生電磁干擾，經(jīng) CT耦合或經(jīng)空間輻射至二次側(cè)，在二次回路產(chǎn)生高頻干擾電流，這與試驗測量得到的二次回路高頻干擾電流出現(xiàn)位置是一致的；特別是斷口兩端加上TRV后，干擾成分明顯增加，說明柱上開關(guān)斷口弧壓的暫態(tài)過程是電流過零時產(chǎn)生較大瞬態(tài)干擾的根本原因，而柱上開關(guān)實際開斷過零時，由電網(wǎng)引起的 TRV是較大的，產(chǎn)生的干擾情況可能更為嚴重，所以需對TRV采取相關(guān)抑制措施。

圖16 斷口弧壓波形Fig.16 The waveform of breaker arc voltage

5.2 電磁干擾抑制措施

由時域波形可知，在電弧過零點附近，智能設(shè)備二次回路高頻瞬態(tài)干擾電流的最大幅值接近正常工作電流峰值的5倍，由于該過程時間很短，電流頻率較高，在感性負載上產(chǎn)生的過電壓可能會對二次控制保護設(shè)備造成破壞，所以有必要采取相關(guān)措施對該高頻干擾進行抑制。智能設(shè)備的抗干擾措施根本是防止干擾進入弱電系統(tǒng)，可從自身硬件系統(tǒng)和外部環(huán)境著手抑制高頻干擾[24]。

由上述分析可知，二次智能設(shè)備的電磁瞬態(tài)干擾來源主要有以下幾個方面：①經(jīng) CT耦合至二次回路；②電流在二次回路傳播過程受到主回路的輻射干擾；③電流流經(jīng)控制回路時，可能會經(jīng)受導(dǎo)線間以及控制板內(nèi)部的串擾；為對柱上開關(guān)開斷引起的瞬態(tài)高頻干擾有所抑制，可考慮采取如下措施：

（1）濾波：濾波是利用電感和電容器件的頻率響應(yīng)原理來抑制傳導(dǎo)干擾。主要包括鐵磁體磁環(huán)，低通濾波器和去耦電路[24]。由于 CT與柱上開關(guān)的斷口離 CT相的距離較近，傳導(dǎo)干擾較為嚴重，可在 FTU控制器二次智能設(shè)備的入口處設(shè)置去耦電容，也可在二次回路串入鐵氧體磁環(huán)。針對控制器內(nèi)部的串擾，在控制器硬件上可以采用隔離變壓器、浪涌吸收器等抑制措施，軟件方面可采用軟件濾波，如設(shè)置濾波算法、看門狗電路等[14]。

（2）屏蔽：對于輻射干擾屏蔽是最有效的措施，柱上開關(guān)與FTU控制器連接電纜較長，電流在二次回路流通過程勢必會遭受母線的輻射干擾，為了抑制該高頻干擾，可將電纜放置于金屬屏蔽盒里阻斷電磁波的傳播，但金屬屏蔽盒應(yīng)根據(jù)其效能進行合理選擇[25]；也可改善電纜的屏蔽層，盡量減小傳遞阻抗耦合。還可以在二次回路電纜外皮緊密的纏繞上一層銅網(wǎng)，當外部的電磁波由無銅網(wǎng)的部分遇到銅網(wǎng)后，便會發(fā)生反射，將一部分電磁波反射回去，減弱高頻干擾，該方法效果較好，且成本不高[26,27]。

（3）接地：良好的接地可以很好的抑制控制設(shè)備內(nèi)部的電磁干擾，對于傳輸電纜、二次回路電纜層、控制裝置內(nèi)部的屏蔽體均需良好接地；同時設(shè)備的外殼、CT的二次側(cè)均需可靠地安全接地。針對不同信號回路應(yīng)根據(jù)需要采用不同的工作接地方式，如浮地、直接接地、多點接地等。

（4）對消法：是一種抑制電磁干擾的補償方法，通過檢測傳輸線路上的干擾電流信號，經(jīng)過變換處理后，將和干擾信號幅值相等、相位相反的對消信號注入CT的二次回路，抵消通過CT耦合至二次回路上的干擾信號[28,29]。

（5）增設(shè)過電壓抑制裝置：通過本文試驗發(fā)現(xiàn)，引入TRV后，高頻瞬態(tài)干擾明顯增加，所以柱上開關(guān)實際運行中，需對斷口的 TRV采取相關(guān)抑制措施，如增設(shè)氧化鋅避雷器、斷口加裝并聯(lián)電阻等，即能抑制高頻干擾，還能防止柱上開關(guān)斷口發(fā)生重燃，避免引起更大的高頻干擾。

6 結(jié)論

本文利用振蕩型合成試驗回路對10 kV柱上開關(guān)進行合成開斷試驗，采集了 CT輸出電流信號、FTU控制器輸入及輸出電流信號，利用小波分析對信號進行了時頻特性分析，并分析了電磁干擾產(chǎn)生的機制，得到了如下結(jié)論：

（1）經(jīng)多次測量分析發(fā)現(xiàn)：柱上開關(guān)開斷燃弧過程及電弧過零時刻，對CT二次側(cè)產(chǎn)生了較為明顯的高頻干擾；由開斷燃弧過程造成的干擾主要分布在7.812 5～15.625MHz；由電弧過零造成的干擾主要分布在 31.25～62.5MHz；由于 TRV造成的瞬態(tài)干擾信號頻帶主要為31.25～125MHz。

（2）CT二次側(cè)輸出電流經(jīng)電纜傳輸進入 FTU控制器的過程，由于電纜的電感效應(yīng)，對 CT輸出電流中的高頻成分有所抑制，但信號在傳輸過程中高頻干擾仍有所增加；主要由于傳輸過程中缺少有效屏蔽、濾波措施，受到了空間輻射干擾以及鄰近電纜的串擾，所以需要采取相關(guān)措施進行削弱。

（3）電流信號進入 FTU控制器內(nèi)部后，由于控制器內(nèi)部裝置排布較為合理，高頻干擾成分及能量并沒有較大增加，但控制器本身對輸入信號的高頻干擾成分也無明顯抑制。

（4）柱上開關(guān)開斷燃弧過程，在零點附近產(chǎn)生的干擾最為嚴重，主要與開關(guān)開斷過程斷口弧壓的瞬態(tài)變化有關(guān)，其變化越快，高頻干擾越嚴重；但針對電弧本身的電磁輻射干擾機理以及不同滅弧室結(jié)構(gòu)（真空、SF6，橫磁，縱磁等）引起的電磁干擾問題目前并無明確結(jié)論，還需進一步開展相關(guān)研究。

（5）CT與柱上開關(guān)斷口相距較近，二次回路易遭受柱上開關(guān)開斷燃弧引起的傳導(dǎo)和輻射高頻干擾，其中以傳導(dǎo)耦合方式為主；在零點附近，高頻干擾電流的最大幅值接近最大工作電流的5倍，為了防止二次設(shè)備遭受破壞，有必要采取濾波、屏蔽、接地、對消法等措施對高頻干擾進行抑制，其有效性需進一步分析驗證。

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The EMI Study of Pole-Mounted Switch’s Breaking on Its Secondary Smart Devices

Li Peng1 Huang Daochun1 Ruan Jiangjun1 Zhu Chenguang2 Niu Xiaobo1 Pu Ziheng1

（1. School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Pinggao Group Co., Ltd. Pingdingshan 467001 China）

The higher requirement of intelligent equipment is put forward with the construction and development of smart grid. The safe and reliable operation of secondary control and protection devices is the important guarantee to realize the intelligentialize of the primary equipment. Polemounted switch is the key equipment for the protection and control in the power distribution system, and the high frequency signal produced during the breaking arc process is known to be one of serious sources of electromagnetic interference(EMI) to its secondary smart equipment, which can lead to secondary devices of pole-mounted switch display malfunction. Hence, it is of great significance to study the EMI problem of the secondary smart equipment due to the operations of pole-mounted switch. This paper carried out the synthetic test for 10kV pole-mounted switch by using synthetic test circuit. The output signal of current transformer(CT), the input and output signals of FTU controller were collected at the same time, and then obtained the disturbance frequency band and energy distribution of the signals due to the breaking of pole-mounted switch by time-frequency characteristic analysis. Results show that, the secondary sides of CT and FTU controller are bearing the transient EMI when pole-mounted switch is in operation; the frequency distribute is mainly in 7.81～15.62MHz due to the breaking arcing process of pole-mounted switch; the frequency distribute is mainly in 31.25～62.5MHz at the time of arc current passing zero; the EMI caused by transient recovery voltage(TRV) is mainly distribution in 31.25～125MHz.

Pole-mounted switch, FTU controller, EMI, synthetic test, wavelet analysis, frequency distribution

TM561

黎 鵬 男，1989年生，博士研究生，研究方向為高壓電器和外絕緣。

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2009BAA19B05）和平高集團通用電氣公司新產(chǎn)品開發(fā)資助項目（PGKJTY2013-072）。

2014-04-14 改稿日期 2014-09-15

黃道春 男，1976年生，博士，副教授，研究方向為輸變電設(shè)備外絕緣、高壓電器、電磁場數(shù)值計算及其工程應(yīng)用。