现场︱某110kV智能变电站合并单元异常情况分析及对策
江苏省电力公司电力科学研究院、东南大学仪器科学与工程学院的研究人员嵇建飞、袁宇波等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，变电站二次回路处在一个强电磁环境中，而智能设备会受到电磁骚扰信号的影响，同时随着智能设备就地安装，其工作环境中的电磁骚扰进一步加剧。近年来已有多起因变电站二次回路受到开关及刀开关操作引起的干扰而导致智能设备运行异常的事故发生，因此研究变电站内的二次回路的电磁兼容问题具有重要意义。
某110kV智能变电站合并单元在倒闸操作时运行异常，首先通过排查法分析了合并单元运行异常的原因，然后对合并单元进行IEC61000—4标准规定的以及高于该标准的电磁兼容相关实验，在实验结果基础上，对合并单元的结构进行了改进，再次测录分析了刀开关操作产生的电磁暂态骚扰信号，总结了暂态骚扰信号的幅值以及时频联合特性，最后对提高就地合并单元的电磁兼容性能提出了一些建议。
在变电站中，影响最大的干扰为高压开关操作干扰、一次系统短路故障干扰，雷电干扰等。变电站内断路器、隔离开关等一次设备在操作时，会产生一系列的电磁干扰，这些干扰会通过各种耦合进入二次回路；一次系统短路故障时，在站内架空导线和接地网上会流过很大的短路电流，并在二次电缆周围产生很强的空间磁场，会对二次设备造成较大的干扰；雷电可以耦合、传导、辐射等形式侵入二次设备[1-3]。
本文对某110kV智能变电站就地合并单元受刀开关操作产生的干扰而导致合并单元运行异常的现象展开分析，首先利用排查法分析了合并单元产生异常现象的原因，然后对合并单元进行电磁兼容相关实验[4]，并在实验基础上对合并单元的结构进行优化，其次测录分析了刀开关操作时产生的电磁暂态骚扰信号，最后对合并单元的电磁兼容性能提出了一些建议。
1 事件概况
某110kV变电站一次接线图如图1所示，采用单母分段接线方式，本期两回110kV进线，配置一台主变，暂无10kV出线。如图2所示，该变电站使用GIS组合电器，合并单元、智能终端就地安装于GIS柜内，采用常规互感器，线路间隔合并单元接入线路单相PT和间隔CT。某日启动时，在刀开关操作时，监控系统报“线路保护闭锁”信号，合并单元重启，并出现丢点现象。
图1 某110kV变电站一次接线图
图2 某110kV变电站单母分段GIS设备
2 处理步骤
2.1 第一阶段
首先怀疑此异常情况是由于合并单元的电路板损坏造成，将合并单元除交流采样电路板外的全部电路板更换，程序升级，再次送电异常现象依然存在，由此基本可以排除合并单元电路板的问题。
由于合并单元出现重启现象，因此对合并单元直流电源模块进行检查。在合上进线刀开关时用万用表监视合并单元背板工作电源正负极电压，发现工作电压由220V短暂低落至110V左右，依此怀疑是外部直流电源问题。但是当变电站再次申请停电（停电期间，GIS设备加装遮雨罩,调整刀开关行程开关，均未涉及合并单元相关回路）并排查直流系统时，发现直流系统正常，无交流混入，装置接地完整可靠。
2.2 第二阶段
为了进一步查找原因，变电站再次计划送电，此次重点从直流电源和电磁干扰两个方面查找原因。
第一步，监视直流电压。倒闸操作时，用示波器监视合并单元直流工作电压，万用表监视柜内直流进线电压。示波器设为电压下降沿触发方式，记录时间约可达500ms。合上线路侧刀开关，合并单元重启，此时示波器并无想象中的电压跌落波形，万用表读数稳定无变化。
第二步，改用独立直流电源。用650作独立直流电源供电，再次操作刀开关，异常依然存在。由此断定，变电站直流系统正常，并非导致合并单元重启的原因。
第三步，排查电磁干扰源。断开线路PT空开，异常依然存在；拔出交流采样头，异常依然存在；最后，建议将电源板上的接线（包括接地线）全部解掉，用独立直流电源供电，拔出交流采样板，此时，合并单元仅对外的电气回路完全隔断，此状态下多次分合刀开关，无异常出现。由此断定，合并单元重启是由电磁干扰侵入导致。
第四步，查找电磁干扰侵入路径。逐步恢复接线，首先恢复电源板接线，此时交流板依然拔出，操作发现合并单元异常再次出现。
第五步，查找电磁干扰耦合方式。交流采样板依然拔出，将CT二次短接退出合并单元，操作刀开关，合并单元异常消失。仔细观察发现，接入合并单元的CT二次线与电源直流二次线捆扎在一起（见图3b），虽然交流板已经拔出，但干扰源依然可侵入至交流板，并通过内部电缆小线间的杂散电容耦合至直流二次线中，进而侵入到电源模块，致使异常出现。
第六步，切断电磁耦合路径。将合并单元接线恢复至正常运行状态，并将交流电缆与直流电缆隔离，多次操作，合并单元未出现异常。在另外一个进线间隔做对比实验，电缆隔离前，合并单元出现重启，电缆隔离后，合并单元无重启异常。
由上所述可以确定，拉合刀开关时产生的电磁干扰通过CT二次回路耦合到直流电源是合并单元发生重启的重要原因，将接入合并单元的CT二次线与直流电源二次线分开之后（见图3a），虽然合并单元不再重启，但是丢点现象依然存在。
图3 利用示波器测量暂态骚扰信号
2.3 第三阶段
由于合并单元丢点现象依然存在，因此对合并单元重新进行了电磁兼容相关实验，并在实验基础上进行了整改措施。实验记录和整改措施如下：
2.3.1 实验记录
（1）常规实验
电快速瞬变干扰实验：对装置电源、开入、模拟量输入回路施加四级（4kV、5kHz/100kHz）干扰波形，装置运行正常、未出现丢点现象。
浪涌实验：对装置电源、开入、模拟量输入回路施加四级（4kV，8/20s）浪涌波形，装置运行正常、未出现丢点现象。
（2）非常规实验
电快速瞬变干扰实验：对装置电源、开入、模拟量输入回路施加远高于四级（4.5kV以上、100kHz）干扰波形，装置运行正常、但偶尔会出现丢点现象。
浪涌实验：对装置电源、开入、模拟量输入回路施加远高于四级（4.4kV，8/20s）浪涌波形，装置运行正常、未出现丢点现象。
2.3.2 整改措施
（1）原设计采用双DSP插件实现MU功能，DSP插件之间经过总线背板实现内部通信，新设计将双DSP模块集成到一块插件上，取消经过总线背板的通信方式，此改进可以进一步提高装置的抗干扰能力。
（2）机箱加工采用全导电加工方式，机箱各部分之间电气连接更加可靠，提高机箱的完整性，从而提高装置的整体抗电磁骚扰性能。
通过改进MU机箱结构，改善箱体整体导电性能、并改进分板连接方式后，重新按照上述（1）、（2）中的实验过程实验，装置运行正常、无丢点现象出现，抗干扰性能进一步提高；新装置在电快速瞬变干扰实验中，能够确保在4.4kV/100kHz情况下，无丢点现象。
2.4 第四阶段
MU经过整改后，该变电站计划再次送电，经过整改的MU没有出现重启丢点现象。为了定量分析MU受到的电磁骚扰强度，测录刀开关拉合时产生的电磁暂态骚扰信号[5,6]。
测录设备示波器选用泰克公司的TDS5034B，采样频率1.25GSa/s，带宽350MHz，存储深度4Mpts。高压衰减棒选用PINTECH公司的HVP—15HF高压衰减棒，具体参数如下：量程为DC 0～15kV，AC 0～30kV；信噪比在1MHz时，大于等于50dB；DIVISION RATIO为1:1 000；输入阻抗为100MΩ；输入容抗为3.0pF。
电流探头选用PINTECH公司的DK—1400型柔性电流探头，具体参数如下：输入阻抗为100kΩ，灵敏度为5mv/1A。
差分探头选用PINTECH公司的PT—8110差分探头，带宽100MHz，输入阻抗4MΩ，输入容抗7pF，衰减比例1:1 000。
测录了刀开关拉合过程中CT二次侧A相电流通道、CT二次侧A相对地电压通道、直流电源通道、直流电源正极对地电压通道和MU地线对铜排通道的电磁骚扰信号。
图4、图5分别是当CT二次侧电缆和其他电缆分开和扎起时，直流电源（差模干扰）、直流电源正对地干扰（共模干扰）、合并单元地线对铜排的电压、CT二次侧A相对地电压和CT二次侧A相电源通道的电磁暂态骚扰时域波形图。
从时域图可以看出:在线分开时：直流电源（差模干扰）通道骚扰信号最大峰峰值为300V，直流电源正对地（共模干扰）通道骚扰信号最大峰峰值为700V，CT二次侧A相对地骚扰信号电压峰峰值为1 000V，CT二次侧A相电流通道骚扰信号峰峰值为200V，合并单元地线对铜排的骚扰信号电压峰峰值为3 000V。
图4 CT二次侧电缆和其他电缆分开时，各个通道的电磁暂态骚扰时域波形
图5 CT二次侧电缆和其他电缆扎在一起，各个通道的电磁暂态骚扰时域波形
在线扎起时，直流电源（差模干扰）通道骚扰信号最大峰峰值为500V，直流电源正对地（共模干扰）通道骚扰信号最大峰峰值为700V，MU地线对铜排的骚扰信号电压峰峰值为4 000V，CT二次侧A相对地骚扰信号电压峰峰值为1 000V，CT二次侧A相电流通道骚扰信号峰峰值为200V。
将接入合并单元的CT二次线与直流电源二次线分开之后，合并单元不再重启。从时域波形图看出，线扎起之后，直流电源通道（差模干扰）暂态骚扰信号峰峰值增加了约200V，合并单元地线对铜排的骚扰信号电压峰峰值增加了约1 000V。
这说明CT二次线中的暂态骚扰信号与直流电源线和合并单元地线发生耦合，且在线扎起的时候，与直流二次线和合并单元地线的耦合骚扰信号更强。
前面分析了刀开关操作产生的电磁暂态骚扰时域波形特征。通常傅里叶变换可以用来分析信号的频谱特性，但是傅里叶变换只提供了频率信息，却没有提供时间信息。
刀开关操作瞬间产生的电磁骚扰信号是一暂态信号，波形变化较快，若用傅里叶变换来分析此信号，则只能观察整段时间内的频谱特性，无法分析信号的时频联合特征，而短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform，STFT）可以同时提供信号的频率和时间信息[4]。图6是不同通道测得的电磁暂态骚扰信号时频谱图。
图中横坐标代表信号频率，纵坐标代表信号持续时间，填充颜色代表信号的功率谱强度。从时频谱图上可以看出，不同通道测得的时频谱图比较相似。在刀开关操作后的0.5s内，波形较强，频率主要分布范围为0～40MHz，在20MHz时，频谱最强。对于CT二次侧A相电流通道，连续间断出现若干串较强的脉冲，脉冲频率范围为0～20MHz。
图6 电磁暂态骚扰信号时频谱图
3 结论与建议
变电站合并单元发生异常后，对产生异常现象的原因进行了分析并采取了相关措施。通过第一阶段、第二阶段的处理，确认了拉合刀开关时产生的电磁干扰通过CT二次回路耦合到直流电源是合并单元发生重启的真正原因。
在第三阶段处理中，对合并单元进行了电磁兼容相关实验并对合并单元进行了升级改造，提高了设备在强电磁环境下的抗干扰能力。在合并单元升级改造之后，变电站再次送电，在送电过程中，测录了刀开关拉合时产生的瞬态电磁骚扰信号，并对骚扰信号的幅值、频率等进行了分析。通过对变电站异常情况的处理，得出以下几点结论和建议。
3.1 结论
（1）CT回路在现场一次设备带电操作过程中，会引入强烈的电磁干扰，该干扰波形可能通过CT走线与设备其他部分的走线与装置耦合，从而影响装置正常运行。
（2）在对合并单元进行IV级电快速瞬变干扰实验和IV级浪涌实验时，合并单元装置运行正常，没有出现丢点现象。当对合并单元进行远高于IV级的电快速瞬变干扰实验和浪涌实验时，装置开始出现丢点现象。在拉合刀开关时，合并单元曾经出现过丢点现象，因此拉合刀开关对合并单元产生的干扰可能大于IV级浪涌干扰和IV级电快速瞬变干扰。
（3）从分析测录的电磁骚扰信号的结果看，电压通道的暂态骚扰信号波形变化较快，而电流通道的骚扰信号变化比较缓慢。对于电压通道的骚扰信号，在刀开关操作后的0.5s内，波形较强，频率主要分布在0～40MHz，在20MHz时，频谱最强。对于电流通道的骚扰信号，在刀开关操作后，连续间断出现若干串较强的脉冲，脉冲频率分布在0～20MHz。
（4）在第二阶段处理中，将接入合并单元的CT二次线与直流电源二次线分开之后，合并单元不再重启。从时域波形图看出，线扎起之后，直流电源通道（差模干扰）暂态骚扰信号幅值变大，峰值增加了约200V。这说明了CT二次线中的暂态骚扰信号与直流电源线耦合，且在线扎起的时候，与直流二次线耦合的骚扰信号更强。
3.2 建议
（1）建议将CT二次线和其他线缆分开，以避免刀开关操作时的干扰通过CT二次线耦合到其他线缆，从而干扰合并单元正常运行。
（2）建议厂家在对就地智能设备进行电磁兼容相关实验时，适当提高电磁兼容实验等级。
（3）建议改进合并单元机箱整体导电性能，机箱采用全导电方式加工，取消经过背板电路板的通信方式或者加强经过背板通信的抗干扰性能。
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