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摘要: 针对变电站开关动作时产生的瞬态电磁环境改变对线路及电气设备的影响, 阐述开关操作瞬态电磁干扰源及耦合途径，从而得出研究及分析二次回路干扰具有实际意义。
关键词: 开关操作; 变电所; 瞬态电磁环境; 电磁干扰
Abstract: based on the substation switch from the action of transient electromagnetic environment change on line and the influence of the electrical equipment, this paper expounds the transient electromagnetic interference source switch operation and coupling channels, and concluded that research and analysis to the secondary circuit interference with practical significance.
Keywords: switch operation; Substation; Transient electromagnetic environment; Electromagnetic interference
中圖分类号：O441文献标识码：A 文章编号：
变电站是一个包含强电设备和弱电设备的电磁环境非常复杂的系统。正常运行时，变电站内空间中存在强工频电磁场。当发生开关操作、系统故障或雷击时，空间会有强瞬态电磁场产生。强工频与强瞬态电磁场对变电站保护与控制设备产生干扰，同时保护与控制设备之间还存在相互串扰。随着电力系统自动化程度的不断提高以及保护设备的下放，变电站保护与控制设备的电磁兼容问题越来越受到重视。既要求保护与控制设备对系统进行正常控制，同时又要求不能被外来的干扰所影响。电力系统中的开关操作、电力系统故障和雷击是变电站中三大主要干扰，它们一方面通过电压互感器（PT）或电流互感器（CT）以传导的形式对二次控制与保护设备产生干扰，另一方面在空间产生强瞬态电磁场，并以电磁辐射的形式对保护与控制电缆的终端产生干扰。随着电力系统向特高压、大容量和紧凑型方向的发展，电力系统的电磁干扰现象将越来越严重。而保护与控制设备工作在弱电条件下，集成度在不断地提高，并且正在向小型化方向发展。因此研究变电站电磁干扰问题及保护与控制设备的抗扰问题有着重要的理论意义与实际应用价值。电力系统运行过程中，经常要进行开关操作，因此开关操作产生的空间电磁场是变电站中最为常见的一种电磁干扰。
为了抑制变电站开关瞬态电磁干扰，采取合理的防护措施，必须对开关瞬态电磁干扰的特性进行研究。通过变电站现场测量可以得到各种开关操作产生的瞬态电磁场，从而得到开关瞬态场的时域特性和频域特性。为了提高设备的抗开关瞬态场干扰能力，通过实验方法研究设备的抗干扰特性，确定干扰的耦合路径是必要的。根据开关瞬态场的耦合路径可以选择相应抑制措施。随着变电站保护与控制设备下放到开关场地，开关场地的保护小室的屏蔽问题受到很大的关注[1]。
电磁干扰形成的三要素是干扰源、敏感对象和耦合路径。在变电站的瞬态电磁干扰中，干扰源是由开关操作引起的一次系统的瞬态电流和瞬态电压，敏感对象主要是指保护、控制和通信等二次设备。
高压母线上的瞬态电磁过程将通过以下耦合途径进入到二次设备和系统中[2]：
1、传导耦合 一次系统的瞬态电流和瞬态电压通过 CT PT 以传导的方式耦合到二次设备
2、感应耦合 空间瞬态电场和瞬态磁场以近场感应的方式耦合到二次设备或与其相连的电源线和信号线 包括容性耦合和感性耦合
3、辐射耦合 空间瞬态电场和瞬态磁场以辐射的方式耦合到二次设备或与其相连的电源线和信号线。
以隔离开关切合空载母线操作为例（瞬态电磁干扰的示意图如图 1.1 所示）。该图显示上述三种耦合方式同时存在 由于干扰途径的多样性和多级性 因此该系统是一个复杂的电磁系统 若将该系统作为一个整体分析 所选的状态变量将很多从而使模型十分复杂 20 世纪 70 年代末 为了简化复杂电磁系统屏蔽性能的分析美国科学家 C.E.Baum 和 F.M.Tesche 等提出了电磁拓扑的概念[3]。其基本思想是对电磁干扰的传播途径进行空间分解 逐级建立干扰耦合模型 本文在借鉴该思想的基础上 提出了一种干扰耦合机理的系统分析方法限于论文篇幅和研究的内容，论文中只针对变电站隔离开关切合空载母线开关动作瞬态过程进行分析。
图1.1隔离开关切合空载母线操作瞬态电磁干扰示意图
在一个变电站内，当隔离开关合闸动作时[33]，由于动触头不断向静触头靠近，当两者之间电位差大到击穿空气间隙时，产生第一次电弧，空载母线上的电位从初始状态的零值经过很短的振荡后上升为电源电压的瞬时值，此时高频电流为零，电弧熄灭，空载母线电压维持熄弧时的瞬时值，电源电压是按正弦变化；当两者之间电位差又增大到击穿断口空气间隙时，发生电弧重燃，母线电位再经过振荡，等于电源电压时电弧又熄灭，在动、静触头触合前，电弧重燃与熄灭过程快速重复，而且，在一个工频周期内,电弧重燃次数逐渐增加。操作时由于触头间电弧的熄灭和复燃,在被断开或充电的母线上,因电压突变而引起波前陡峭的瞬态波。此瞬态波在传播过程中,因电路特性阻抗不匹配而引起反射,形成高频阻尼振荡波。由于隔离开关操作过程时间较长,电弧频繁复燃,从宏观看,整个瞬态过程由非常多的单个脉冲组成,形成一连串的脉冲群。从微观看,每个脉冲都是一个衰减振荡波,如图 1.2 示。
图1.2隔离开关切合空载母线时母线电流瞬态
隔离开关闭合空载长母线时, 电弧复燃时的电压阶跃变化使得母线电压波变化过程中产生阶梯状缺口。而开关操作母线上接有其它电气设备，因为电容电感均为储能元件，当开关操作使其状态发生变化时就会产生瞬态过电压，于是就构成了复杂的振荡网络[4]，决定了瞬态振荡电压波形包含多种频率分量的衰减振荡波。在这样高频率下,一次母线上的瞬态过程以瞬态电磁场的形式向周围空间辐射能量;或通过静电和电磁感应耦合到二次和低压线路;还可以通过连接到母线上的设备(如CT、PT、CVT或载波耦合设备等)直接耦合到二次设备，该耦合传导过程如图 1.3 中所示。
图1.3二次回路的电压电流暂态波形
结论：可以看出，开关操作瞬态时，由母线通过传导耦合传导至二次回路的瞬态电磁场，在二次回路中产生了极具破坏性、干扰性的快速衰减振荡波，使得二次回路的电压电流也呈衰减振荡性。
正是由于这些干扰脉冲波的存在，极易使二次设备发生误动作。所以研究分析二次回路的干扰情况亦具有实际意义。
参考文献:
[1]卢斌先，变电站开关瞬态场干扰耦合机理研究，[博士学位论文].保定：华北电力大学，2006
[2]邬雄，张文亮，电力系统电磁环境问题，高电压技术，1997，23（4）
[3]张卫东，变电站开关操作瞬态电磁干扰问题的研究，[博士学位论文]，保定：华北电力大学，2003
[4]卢铁兵，崔翔，变电站空载母线波过程的数值分析，中国电机工程学报，2000，20（6）
[5] 崔翔，李琳，卢铁兵,等，电力系统电磁环境的数值预测方法及其应用，河北保定:全国电工理论与新技术 2001 年学术年会特邀报告 2001.10
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 开关操作; 变电所; 瞬态电磁环境; 电磁干扰
Abstract: based on the substation switch from the action of transient electromagnetic environment change on line and the influence of the electrical equipment, this paper expounds the transient electromagnetic interference source switch operation and coupling channels, and concluded that research and analysis to the secondary circuit interference with practical significance.
Keywords: switch operation; Substation; Transient electromagnetic environment; Electromagnetic interference
中圖分类号：O441文献标识码：A 文章编号：
变电站是一个包含强电设备和弱电设备的电磁环境非常复杂的系统。正常运行时，变电站内空间中存在强工频电磁场。当发生开关操作、系统故障或雷击时，空间会有强瞬态电磁场产生。强工频与强瞬态电磁场对变电站保护与控制设备产生干扰，同时保护与控制设备之间还存在相互串扰。随着电力系统自动化程度的不断提高以及保护设备的下放，变电站保护与控制设备的电磁兼容问题越来越受到重视。既要求保护与控制设备对系统进行正常控制，同时又要求不能被外来的干扰所影响。电力系统中的开关操作、电力系统故障和雷击是变电站中三大主要干扰，它们一方面通过电压互感器（PT）或电流互感器（CT）以传导的形式对二次控制与保护设备产生干扰，另一方面在空间产生强瞬态电磁场，并以电磁辐射的形式对保护与控制电缆的终端产生干扰。随着电力系统向特高压、大容量和紧凑型方向的发展，电力系统的电磁干扰现象将越来越严重。而保护与控制设备工作在弱电条件下，集成度在不断地提高，并且正在向小型化方向发展。因此研究变电站电磁干扰问题及保护与控制设备的抗扰问题有着重要的理论意义与实际应用价值。电力系统运行过程中，经常要进行开关操作，因此开关操作产生的空间电磁场是变电站中最为常见的一种电磁干扰。
为了抑制变电站开关瞬态电磁干扰，采取合理的防护措施，必须对开关瞬态电磁干扰的特性进行研究。通过变电站现场测量可以得到各种开关操作产生的瞬态电磁场，从而得到开关瞬态场的时域特性和频域特性。为了提高设备的抗开关瞬态场干扰能力，通过实验方法研究设备的抗干扰特性，确定干扰的耦合路径是必要的。根据开关瞬态场的耦合路径可以选择相应抑制措施。随着变电站保护与控制设备下放到开关场地，开关场地的保护小室的屏蔽问题受到很大的关注[1]。
电磁干扰形成的三要素是干扰源、敏感对象和耦合路径。在变电站的瞬态电磁干扰中，干扰源是由开关操作引起的一次系统的瞬态电流和瞬态电压，敏感对象主要是指保护、控制和通信等二次设备。
高压母线上的瞬态电磁过程将通过以下耦合途径进入到二次设备和系统中[2]：
1、传导耦合 一次系统的瞬态电流和瞬态电压通过 CT PT 以传导的方式耦合到二次设备
2、感应耦合 空间瞬态电场和瞬态磁场以近场感应的方式耦合到二次设备或与其相连的电源线和信号线 包括容性耦合和感性耦合
3、辐射耦合 空间瞬态电场和瞬态磁场以辐射的方式耦合到二次设备或与其相连的电源线和信号线。
以隔离开关切合空载母线操作为例（瞬态电磁干扰的示意图如图 1.1 所示）。该图显示上述三种耦合方式同时存在 由于干扰途径的多样性和多级性 因此该系统是一个复杂的电磁系统 若将该系统作为一个整体分析 所选的状态变量将很多从而使模型十分复杂 20 世纪 70 年代末 为了简化复杂电磁系统屏蔽性能的分析美国科学家 C.E.Baum 和 F.M.Tesche 等提出了电磁拓扑的概念[3]。其基本思想是对电磁干扰的传播途径进行空间分解 逐级建立干扰耦合模型 本文在借鉴该思想的基础上 提出了一种干扰耦合机理的系统分析方法限于论文篇幅和研究的内容，论文中只针对变电站隔离开关切合空载母线开关动作瞬态过程进行分析。
图1.1隔离开关切合空载母线操作瞬态电磁干扰示意图
在一个变电站内，当隔离开关合闸动作时[33]，由于动触头不断向静触头靠近，当两者之间电位差大到击穿空气间隙时，产生第一次电弧，空载母线上的电位从初始状态的零值经过很短的振荡后上升为电源电压的瞬时值，此时高频电流为零，电弧熄灭，空载母线电压维持熄弧时的瞬时值，电源电压是按正弦变化；当两者之间电位差又增大到击穿断口空气间隙时，发生电弧重燃，母线电位再经过振荡，等于电源电压时电弧又熄灭，在动、静触头触合前，电弧重燃与熄灭过程快速重复，而且，在一个工频周期内,电弧重燃次数逐渐增加。操作时由于触头间电弧的熄灭和复燃,在被断开或充电的母线上,因电压突变而引起波前陡峭的瞬态波。此瞬态波在传播过程中,因电路特性阻抗不匹配而引起反射,形成高频阻尼振荡波。由于隔离开关操作过程时间较长,电弧频繁复燃,从宏观看,整个瞬态过程由非常多的单个脉冲组成,形成一连串的脉冲群。从微观看,每个脉冲都是一个衰减振荡波,如图 1.2 示。
图1.2隔离开关切合空载母线时母线电流瞬态
隔离开关闭合空载长母线时, 电弧复燃时的电压阶跃变化使得母线电压波变化过程中产生阶梯状缺口。而开关操作母线上接有其它电气设备，因为电容电感均为储能元件，当开关操作使其状态发生变化时就会产生瞬态过电压，于是就构成了复杂的振荡网络[4]，决定了瞬态振荡电压波形包含多种频率分量的衰减振荡波。在这样高频率下,一次母线上的瞬态过程以瞬态电磁场的形式向周围空间辐射能量;或通过静电和电磁感应耦合到二次和低压线路;还可以通过连接到母线上的设备(如CT、PT、CVT或载波耦合设备等)直接耦合到二次设备，该耦合传导过程如图 1.3 中所示。
图1.3二次回路的电压电流暂态波形
结论：可以看出，开关操作瞬态时，由母线通过传导耦合传导至二次回路的瞬态电磁场，在二次回路中产生了极具破坏性、干扰性的快速衰减振荡波，使得二次回路的电压电流也呈衰减振荡性。
正是由于这些干扰脉冲波的存在，极易使二次设备发生误动作。所以研究分析二次回路的干扰情况亦具有实际意义。
参考文献:
[1]卢斌先，变电站开关瞬态场干扰耦合机理研究，[博士学位论文].保定：华北电力大学，2006
[2]邬雄，张文亮，电力系统电磁环境问题，高电压技术，1997，23（4）
[3]张卫东，变电站开关操作瞬态电磁干扰问题的研究，[博士学位论文]，保定：华北电力大学，2003
[4]卢铁兵，崔翔，变电站空载母线波过程的数值分析，中国电机工程学报，2000，20（6）
[5] 崔翔，李琳，卢铁兵,等，电力系统电磁环境的数值预测方法及其应用，河北保定:全国电工理论与新技术 2001 年学术年会特邀报告 2001.10
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。