智能变电站电磁兼容控制技术的分析与研究

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智能变电站电磁兼容控制技术的分析与研究
 
摘要:智能变电站与常规变电站相比具有突出优势,是智能电网重要的核心环节。本文在我国智能变电站以微电子技术为基础的自动化设备呈现智能化、功能一体化的大背景下,对智能变电站电磁兼容控制技术进行了深入的分析和研究。
关键字:智能变电站;智能组件;电磁兼容控制
 
一、引言
智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备,以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求,自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能,并可根据需要支持电网实现自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。[1]
智能变电站与常规变电站相比具有突出优势:采用智能组件技术实现一次设备智能化,可对一次设备进行在线故障诊断,为运行维护自动化及设备全寿命周期管理提供技术支撑; 建立了信息一体化平台,融合保护信息、视频安防系统、电源系统、一次设备状态监测等多套系统的信息及功能。由于电力系统本身是一个极为复杂并存在多种干扰的电磁干扰源,恶劣的电磁环境对继电保护和自动装置的正常工作极为不利。[2]为提高智能变电站工作的可靠性,在我国智能变电站以微电子技术为基础的自动化设备呈现智能化、功能一体化的大背景下,对智能变电站电磁兼容性控制技术进行分析具有重要的应用价值与实际意义。[3]
传统电力系统变电站中广泛应用的是常规电磁式电流、电压互感器或电容式电压互感器。随着智能变电站的建设与实施,新型电子式互感器等数字设备广泛应用于智能变电站系统。因此,随着智能变电站数字组件的发展与应用,传统变电站的电磁兼容性能测评性能不能完全应用于智能变电站,本文主要是以智能变电站中电子式互感器的安全稳定运行为例对智能变电站的电磁兼容性进行分析与研究。
二、研究现状与意义
智能变电站是以设备全智能化和测控全智能为基础,具有变电设备的智能监控、供电安全的在线预警、薄弱环节的自动识别等功能。目前,全站信息数字化、一次设备智能化、通信平台标准化、网络化和自动化的运行管理系统是智能变电站最主要的技术特征。智能变电站对电力设备的数字化、智能化和高可靠性有较高要求。而电力系统的电磁干扰现象不但会影响系统的正常工作还会对人体健康产生有害影响,制约了各国电力系统的进一步发展。智能变电站电磁兼容控制技术的研究日新月异,发展速度迅猛。[4]
电子式互感器在型式试验中按照GB/T20840.7- 2007《电子式电压互感器》和GB/T20840.8-2007《电子式电流互感器》要求进行了较完整和严格的电磁兼容(EMC)试验,但是含有电子元器件的电子式互感器在运行情况下直接接人高压回路或内置于一次主设备中,其运行环境的电磁干扰信号远远超过通用的电磁兼容试验标准,特别是在某些电磁暂态过程中,高频的电磁波引起的高压、高频大电流和地电位升高等问题将严重影响电子式互感器中电子元件的正常工作,可能造成其误报、死机甚至器件损坏,从而影响变电站安全运行。因此,本文针对智能变电站的电磁兼容性能的研究对于其运行的可靠性与稳定性具有重要意义。
三、智能变电站电磁兼容控制技术的研究
3.1电子式互感器简介
电子式互感器主要由一次传感单元、采集器和合并单元3部分组成。采集器和合并单元需要外部供电,采集器供电方式为激光供能、高压取能线圈供能和地电位站用电源供电,合并单元供电方式为站用电源供电。电子式互感器的结构如图1所示。
 
图1电子式互感器的结构图
一次电流传感单元按工作原理分为罗氏线圈、低功耗线圈!磁光玻璃和光纤环4种方式;一次电压传感单元按工作原理分为电阻分压、电容分压、电感分压和光学分压4种方式。一次传感单元总体可分为电气传感元件和光学传感元件。电气传感元件中无电子元器件,承受暂态高电压和大电流能力强,基本不受电磁干扰影响,光学传感元件不受电磁干扰影响,所以一次传感单元不受电磁干扰影响或影响很小。
合并单元与采集器采用光纤连接,且一般安装在室内,与常规变电站二次设备运行环境相同,只要通过国标要求的通用电磁兼容试验,能够确保现场不受电磁干扰影响。
3.2电子式互感器电磁兼容性能分析
电子式互感器受电磁干扰影响最大的部分是采集器,所以着重分析采集器所承受的电磁干扰传导途径。电磁干扰以辐射和传导方式侵害设备,端口是电磁干扰传输的途径或界面。干扰现象的性质和程度与端口类型有关。辐射干扰出现在设备周围的媒介中,传导干扰出现在各种金属性媒介中。
 
表1电子式互感器电磁兼容性能特征
干扰位置 干扰特征
采集器信号
输入端口 一次传感元件为电气元件时,采用电器信号连接,则会给二次端口传导电磁干扰信号,这种情况尤以罗氏线圈最为严重。罗氏线圈可以线性变换高频电流干扰信号。
 
采集器
电源端口 电源端口引起的电磁干扰有电源线传导和空间电磁场感应。电源传导源的干扰因素主要有:依赖取能线圈获得电源时,浪涌干扰和罗氏线圈暂志过电压对电源系统影响极大;电源线受到空间电磁场辐射和藕合干扰;电源系统自身传导干扰;电源线构成地电位升、罗氏线圈干扰源的通路等。
采集器
外壳端口 外壳端口引起的电磁干扰主要有:高电位安装时外部强电场和磁场的影响;地电位安装时壳体地电位升高的影响
3.3智能变电站电磁兼容试验研究
本文根据智能变电站系统中电子式互感器电磁兼容性能特点进行了针对电子式互感器的电磁兼容抗扰度性能测试。
设备的抗扰度测试又称为设备的敏感度测度(EMS),目的是测试设备承受各种电磁骚扰的能力。当设备由于受到骚扰影响而性能下降时其性能判据如表2所示。施加骚扰的强度由试验等级决定,等级越高强度越大。EMS试验结果应标明试验等级和性能判据。以下针对骚扰的不同性质、不同传播途径和方式,叙述各种不同的测试方法。
 
表2 电磁兼容抗扰度性能指标
等级 指标
A 工作完全正常
B 工作指标或功能出现非期望偏离,但当骚扰去除后可自行恢复
C 工作指标或功能出现非期望偏离,骚扰源去除后不能自行恢复,必须依靠操作人员的介入
D 元器件损坏,数据丢失、软件故障等
3.3.1辐射电磁场抗扰度试验
该试验可评估电子式互感器对来自空间的辐射电磁场的抗扰度,试验布置如图2所示。信号发生器提供一定的功率调幅信号给发射天线,载波频率为80~1000MHz,调制信号为1kHz,调幅度为80%,该信号经天线发射后在电子式互感器处形成一个规定场强的电磁场,考察电子式互感器的工作性能是否下降,试验等级如表10所示,试验场强这里指无调制时的载波场强。
表3 辐射电磁场抗扰度的试验等级
试验等级 试验场强(V/m)
1 1
2 2
3 10
 
特定,在产品规范中指出
 
 
图2  辐射电磁场抗扰度的试验布置
测试应该在电波暗室中进行,地面上铺设吸波材料。标准规定了测试区域场均匀性的校准方法:把测量受试设备(EUT)——电子式互感器移走,在高于地面0.8m处的1.5m×1.5m的垂直平面内设16个点,如图3所示,在每个点上用场传感器测试场强,要求在定义的区域内75%表面上场强值在正常值的0dB~+6dB之内,即16个测点中至少有12个测点的场强互相之间的差值小于6dB。应注意的是:测试时EUT可能会影响场均匀性,这是允许的,只要输入信号功率与校准时相同即可。
 
图3 场均匀性的校准点布置示意图
3.3.2由射频场感应的传导骚扰抗扰度试验
空间的射频电磁场会在设备的连接电缆(电源线、信号线、控制线、地线)中感应出骚扰电压或电流,作用到电子式互感器的敏感部分,本试验用于测试设备对此类传导骚扰的抗扰度。试验的一般布置如图4所示。
 
图4 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验布置
图4中功率信号发生器为EUT(电子式互感器)提供所要求的限值电平的骚扰信号,载波频率为150KHz~80MHz,幅度调制信号为1KHz正弦波,调幅度80%。射频场感应传导骚扰抗扰度如表4所示。
 
表4 射频场感应传导骚扰抗扰度
试验等级 试验场强(V/m) 有效电压(V)
1 120 1
2 130 3
3 140 10
 
特定 特定
 
图中衰减器T2起隔离和衰减作用,同时减小由于阻抗不匹配带来的影响。受试设备EUT应放在0.1m高的绝缘支座上,测试系统的参考地平面为2m×1m的金属板。辅助设备(AE)是为保证EUT正常工作而提供所需信号、负载、控制等的设备。CDN是耦合去耦网络,其中的耦合部分是把骚扰信号以共模方式耦合到EUT的被测端口上,去耦部分是抑制骚扰信号耦合到辅助设备上。CDN有很多不同的类型,应根据EUT和AE之间的连接电缆类型来确定,例如同轴电缆、屏蔽电缆、非屏蔽平衡电缆和不平衡电缆等等,CDN还包括直接注入装置和夹钳注入装置(电流夹钳、电磁夹钳)。如果是屏蔽电缆则骚扰电流注入到电缆的屏蔽层上,如果是非屏蔽电缆,骚扰信号直接注入到各条线上。标准规定CDN由EUT(电子式互感器)端口输入的共模阻抗应为150Ω。试验系统校准时应对输入无调制载波信号按进行电平调整,把CDN的EUT端口的共模点电平,调整到表4要求的限值,记录输入信号电压值。测试时输入信号仍然使用该值,但是由于EUT(电子式互感器)的共模阻抗不一定为150Ω,因此实际加入到EUT的共模电平可能会有变化,这在实际测量中是允许的。
四、总结
智能变电站与常规变电站相比具有突出优势:采用智能组件技术实现一次设备智能化,可对一次设备进行在线故障诊断,为运行维护自动化及设备全寿命周期管理提供技术支撑; 建立了信息一体化平台,融合保护信息、视频安防系统、电源系统、一次设备状态监测等多套系统的信息及功能。但由于电力系统本身是一个极为复杂并存在多种干扰的电磁干扰源,恶劣的电磁环境对继电保护和自动装置的正常工作极为不利。为提高智能变电站工作的可靠性,深入研究并解决其电磁兼容问题具有重要意义。
随着智能变电站数字组件的发展与应用,传统变电站的电磁兼容性能测评系统不能完全应用于智能变电站,本文主要是以智能变电站中电子式互感器的安全稳定运行为例对智能变电站的电磁兼容性进行分析与研究。通过研究电子式互感器电磁兼容性能,本文根据智能变电站系统中电子式互感器电磁兼容性能特点,通过辐射电磁场抗扰度试验与由射频场感应的传导骚扰抗扰度试验对电子式互感器的电磁兼容抗扰度性能进行了测试与研究。
参考文献:
[1] 中国电器工业协会智能电网设备工作委员会.智能变电站发展的现状与形势分析,2012(09).
[2] 高翔,张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术,2006,30(23):67-71.
[3] 国家电网公司.统一坚强智能电网综合研究报告[R].北京2009.
[4] Q/GDW 383—2009智能变电站技术导则[S]
[5] 贺景亮。电力系统电磁兼容[M].水利电力出版社,1993.

[正文图表略.]
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