保護(hù)裝置交流回路EMS測(cè)試對(duì)源影響的研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 陳志鋒 鄧穎寧 金 震

由于電力行業(yè)的特殊性和重要性，業(yè)內(nèi)對(duì)保護(hù)裝置電磁兼容（EMC）性能具有嚴(yán)格的要求。而交流采樣回路端口作為傳統(tǒng)帶模擬量保護(hù)裝置的重要接口，經(jīng)常受到現(xiàn)場(chǎng)各類干擾影響，因此在電磁兼容抗擾度試驗(yàn)中，其經(jīng)常作為重要測(cè)試端口而進(jìn)行各類干擾測(cè)試。測(cè)試過程中，經(jīng)常會(huì)碰到交流回路受干擾后導(dǎo)致采樣異常，進(jìn)而判斷得出保護(hù)裝置功能下降的結(jié)論。這類異常應(yīng)是樣品本身硬件質(zhì)量不過關(guān)產(chǎn)生的，但另一種大概率是輔助設(shè)備帶來的問題。業(yè)內(nèi)通常稱輸出模擬量的輔助設(shè)備為“源”，本文針對(duì)輔助“源”本身因干擾對(duì)其輸出產(chǎn)生的影響原因進(jìn)行了分析，并對(duì)如何消除此類影響提出了一些建議。

1 EMC 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中與保護(hù)和測(cè)量功能有關(guān)的試驗(yàn)要求

交流采樣回路端口作為保護(hù)裝置的一種輸入端口，其主要作用就是隔離并線性接收來自一次電力設(shè)備中相關(guān)交流電壓與電流模擬量，在電力標(biāo)準(zhǔn)中，通常以這些輸入端口的模擬量及變化值作為保護(hù)或者測(cè)控功能的主要考察量，從而達(dá)到監(jiān)控電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)。電力系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，均對(duì)交流端口的EMC 抗擾度測(cè)試要求。

以繼電保護(hù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)IEC 60255-26:2023[1]《量度繼電器和保護(hù)裝置 第26部分：電磁兼容要求》為例，抗擾度的驗(yàn)收準(zhǔn)則中“保護(hù)和測(cè)量功能”有專門要求，內(nèi)容規(guī)定如下：保護(hù)要求——“試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，在規(guī)定限值內(nèi)性能正?！?；測(cè)量要求——“試驗(yàn)期間沒有性能下降”?？疾焐鲜龉δ?，一般是通過交流回路采樣的結(jié)果來判斷是否合格。

2 EMC 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目與輔助“源”在EMS 測(cè)試中應(yīng)用

如圖1所示，對(duì)于保護(hù)裝置交流回路端口，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定有多項(xiàng)電磁兼容抗擾度EMS 試驗(yàn)項(xiàng)目，主要是輻射抗擾度測(cè)試RS 和傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試CS，目的都是考察交流回路在干擾下的采樣情況，以判斷樣品功能是否合格。RS 主要是高頻運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的對(duì)外空間輻射抗擾度測(cè)試，CS 主要是類似靜電、浪涌、快瞬、射頻傳導(dǎo)感應(yīng)場(chǎng)和阻尼震蕩波等傳導(dǎo)類抗擾度測(cè)試，此類傳導(dǎo)干擾通常通過線纜間的分布電容間接耦合或直接傳導(dǎo)到設(shè)備上。從干擾傳輸方式看，傳導(dǎo)干擾比輻射干擾影響結(jié)果更直接；從各項(xiàng)干擾對(duì)交流回路端口的實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，CS 相對(duì)RS 對(duì)交流回路試驗(yàn)影響比較大。

圖1 保護(hù)裝置交流回路端口EMS 測(cè)試

交流回路EMS 行業(yè)內(nèi)試驗(yàn)通常做法：首先挑選合適的輔助“源”（一般用繼電保護(hù)調(diào)試儀器模擬來自電力系統(tǒng)的交流采樣，方便快捷），給樣品交流回路加設(shè)定的試驗(yàn)激勵(lì)量，樣品設(shè)置好保護(hù)定值后，施加各種干擾觀察并判斷樣品的運(yùn)行狀態(tài)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。以輻射抗擾度測(cè)試為例，輔助“源”通過暗室外部的濾波器后給暗室內(nèi)部的樣品加激勵(lì)量，暗室內(nèi)的電磁輻射干擾因屏蔽效應(yīng)不會(huì)對(duì)暗室外的“源”有影響；而傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試（CS）中，交流回路端口試驗(yàn)時(shí)，輔助“源”通過EMC 設(shè)備（譬如耦合去耦網(wǎng)絡(luò)CDN）后施加激勵(lì)量給樣品，此時(shí)“源”與干擾發(fā)生器置于同一時(shí)空，試驗(yàn)時(shí)干擾發(fā)生器可能會(huì)對(duì)“源”產(chǎn)生一些異常影響。

注：繼電保護(hù)其他端口進(jìn)行傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)時(shí)，偶爾也會(huì)發(fā)現(xiàn)在某些種類干擾作用下，“源”也可能輸出不正常量給交流回路。此類問題應(yīng)在測(cè)試中應(yīng)予以重視。

3 EMS 試驗(yàn)中由輔助“源”引起的交流回路采樣出現(xiàn)異常及原因

在保護(hù)裝置產(chǎn)品交流回路進(jìn)行抗擾度試驗(yàn)時(shí)，加量后的裝置可能會(huì)出現(xiàn)一些異?，F(xiàn)象，這些異?，F(xiàn)象通常包括：保護(hù)拒動(dòng)或者誤動(dòng)；交流回路的采樣值超出樣品干擾下允許的偏差。

針對(duì)上述現(xiàn)象，首先考慮交流激勵(lì)量通過EMC 設(shè)備后畸變失真因素，一般該情況影響較小，不足以對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生大的影響。細(xì)究其他原因，一方面是交流回路本身硬件設(shè)計(jì)薄弱產(chǎn)生的問題，然而大部分原因卻是由施加交流激勵(lì)量的輔助“源”受到不同類型干擾后，其輸出已經(jīng)異常，也就是說此時(shí)“源”已經(jīng)不干凈了，導(dǎo)致工作正常的交流回路采到異常的量，從而樣品出現(xiàn)異常，試驗(yàn)誤判不合格。

例如，某產(chǎn)品進(jìn)行某項(xiàng)CS 抗擾度最高等級(jí)試驗(yàn)時(shí)，通過某型號(hào)繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出有效值為0.95A（峰值1.344A）的激勵(lì)電流給保護(hù)樣品交流回路，進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)，保護(hù)裝置動(dòng)作電流定值設(shè)定為1A，結(jié)果保護(hù)裝置報(bào)過流保護(hù)動(dòng)作跳閘后，檢查保護(hù)裝置錄波發(fā)現(xiàn)電流采樣波形出現(xiàn)了異常。如圖2所示，該繼電保護(hù)測(cè)試儀受到干擾后，輸出一個(gè)4.655A 瞬時(shí)突變值，按保護(hù)一個(gè)周波24點(diǎn)采樣算法真實(shí)輸出電流有效值為1.344A，超過保護(hù)動(dòng)作定值了。

圖2 保護(hù)裝置真實(shí)采樣電流

為驗(yàn)證該型號(hào)繼電保護(hù)測(cè)試儀性能，用干擾儀直接對(duì)其施加較低等級(jí)的干擾發(fā)現(xiàn)，其輸出已明顯不正常，說明該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的EMC 性能沒有過關(guān)，影響了測(cè)試結(jié)果評(píng)判。電力系統(tǒng)控保裝置測(cè)試中經(jīng)常碰到此類現(xiàn)象，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室或檢測(cè)機(jī)構(gòu)都在為規(guī)避這些問題尋找解決方法。

究其原因，相對(duì)RS 測(cè)試，傳導(dǎo)敏感度測(cè)試CS對(duì)輔助設(shè)備的影響比較大，在靜電、快瞬、浪涌、阻尼振蕩波和射頻傳導(dǎo)感應(yīng)場(chǎng)測(cè)試中尤為明顯。這些測(cè)試名為傳導(dǎo)干擾，實(shí)則其有高低頻成分存在，高低頻特性兼有，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為干擾模式為傳導(dǎo)干擾，通常測(cè)試時(shí)輔助設(shè)備性能不過關(guān)，是傳導(dǎo)和輻射干擾同時(shí)耦合作用，最終影響“源”的輸出。因此，不同干擾對(duì)“源”影響還需考慮干擾的頻率特性及耦合方式[2-5]，表1為主要抗擾度測(cè)試的頻率成分及耦合方式。

表1 主要抗擾度測(cè)試的頻率成分及耦合方式

以快速瞬變?yōu)槔?，其頻率分布寬，干擾信號(hào)通過傳導(dǎo)和空間電磁輻射耦合傳播干擾能量。若按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60255-26最高測(cè)試等級(jí)4kV 測(cè)試，發(fā)生器輸出能量強(qiáng)度大，干擾耦合方式可在傳導(dǎo)與輻射之間相互切換。當(dāng)干擾以空間輻射輸出時(shí)，此時(shí)“源”的輸出接線可作為天線把干擾轉(zhuǎn)換為傳導(dǎo)引至儀器內(nèi)部，干擾能力設(shè)計(jì)不過關(guān)的儀器很容易輸出錯(cuò)誤的量，導(dǎo)致“不干凈”。當(dāng)然，其他傳導(dǎo)干擾也有類似現(xiàn)象，也可通過各種不同耦合方式把不同強(qiáng)度的干擾注入“源”上，影響其輸出。

4 如何得到一個(gè)干凈的抗干擾性能好的源

為避免抗擾度試驗(yàn)中輔助“源”對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生異常影響，給試驗(yàn)提供一個(gè)可靠且干凈的“源”，有必要提升其相關(guān)干擾試驗(yàn)的抗擾度水平。從電磁兼容三要素的電磁干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備來考慮，電磁干擾源本身就是干擾發(fā)生器，這無法改變，但可以從耦合途徑和敏感設(shè)備做一些手段與方法來處理。

本文認(rèn)為，具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善：一是“源”生產(chǎn)廠家提高軟硬件的設(shè)計(jì)水平，提升抗擾度設(shè)計(jì)水平，用戶注意儀器選型；二是“源”接線時(shí)，應(yīng)注意儀器可靠接地；三是“源”加量輸出線根部應(yīng)繞多匝線通過共模磁環(huán)或者加退耦鉗，防止高頻干擾沿線纜進(jìn)入儀器內(nèi)部；四是“源”在空間上應(yīng)與干擾發(fā)生器保持足夠空間距離；五是必要時(shí)，試驗(yàn)放屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，“源”放屏蔽室外，經(jīng)濾波器加激勵(lì)量；六是為防止浪涌等高能量干擾打壞儀器，可以在“源”與干擾發(fā)生器之間加裝一個(gè)中轉(zhuǎn)過渡盒，該盒內(nèi)部電路設(shè)計(jì)抑制浪涌、快瞬等干擾（功能類似濾波器），避免直接損壞儀器。若沒有現(xiàn)成繼電保護(hù)儀器，也可以搭建一個(gè)簡(jiǎn)易電路。

如圖3所示，交流源因采用市電失真度較高，可選用大容量變頻器，通過一個(gè)可調(diào)隔離變壓器轉(zhuǎn)換輸出電壓，串接一個(gè)可調(diào)電阻后通過干擾發(fā)生器的CDN 后接入樣品的交流回路，調(diào)整合適的電壓和電阻得到試驗(yàn)用的電壓或電流模擬量。該回路也可有效消除試驗(yàn)時(shí)干擾的影響。采用上述手段，通過長(zhǎng)期試驗(yàn)實(shí)踐觀察，基本可避免“源”受干擾影響的結(jié)果，保障試驗(yàn)順利進(jìn)行。

圖3 模擬激勵(lì)量簡(jiǎn)易電路

5 結(jié)語

本文針對(duì)在保護(hù)產(chǎn)品交流回路進(jìn)行抗擾度試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的因輔助“源”本身受干擾導(dǎo)致的異?，F(xiàn)象，分析了具體原因并對(duì)如何消除此類影響提出了一些建議。本文提到的一些試驗(yàn)問題，行業(yè)內(nèi)從業(yè)者可能也碰到過，而本文提出的改進(jìn)試驗(yàn)方法，在實(shí)際測(cè)試中確實(shí)改善了“源”的輸出，這對(duì)產(chǎn)品的型式試驗(yàn)有一定的借鑒意義。同時(shí)，為更好滿足此類試驗(yàn)要求，“源”生產(chǎn)廠家要提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平，并建議行業(yè)內(nèi)對(duì)加量的輔助設(shè)備制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，尤其是EMC 方面的嚴(yán)苛等級(jí)要求。