（电机与电器专业论文）电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统emc研究.pdf

电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 r e s e a r c ho ne m c i m m u n i t yt e s td e v i c e sa n de m c o f m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o ns y s t e m a b s tr a c t i no r d e rt oe n s u r es a f e t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o n d e v i c e si np o w e rs y s t e mm u s tm e e tt h er e l e v a n td e m a n do ft h ei n t e r n a t i o n a la n dc h i n e s e e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) s t a n d a r d s ，a n dp a s st h ec o r r e l a t i v ee m ci m m u n i t y t e s t s t h et w os e v e r e s te m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) o fa 1 1a r et h ee 兀侣( e l e c t r i c a l f a s tt r a n s i e n tb u r s t ) a n ds u r g e n ep a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e se f t ba n ds u r g ei m m u n i t y t e s t so fm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e s e f t ba l w a y si n t e r f e r e sw i t hm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e si np o w e rs y s t e m ， b e c a u s ei th a ss u c hf e a t u r e sa ss h o r tr i s et i m e ，s h o r td u r a t i o n , h i 曲a m p l i t u d ea n dh i 曲 r e p e t i t i o nr a t e s t u d yo fa n t i - j a m m i n go fe f t bi sa tt h eb e g i n n i n gi nc h i n aa n dc o n c e n t r a t e d m a i n l yo nt h ec o u n t e r m e a s u r e si np r a c t i c e i n v e s t i g a t i o n so nt h ea s p e c ta r es t i l li ng r e a t d e m a n d t h e r e f o r e ，o n eo ft h em a i nt a s k so ft h ep a p e ri s t oi n v e s t i g a t ea n t i - j a m m i n go f e f t b a tp r e s e n t ，d i s t u r b a n c es i g n a lg e n e r a t o r sf o re m ci m m u n i t yt e s ta r em a i n l yi m p o r t e d a n da r ev e r ye x p e n s i v e t h u s ，a ne f t bg e n e r a t o ra n dac w g ( c o m b i n a t i o nw a v eg e n e r a t o r ) a r ed e s i g n e da n dm a d ea c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d so fi e ca n dg b ti nt h i sp a p e r f i r s t l y , a n e f t bg e n e r a t o ri sd e s i g n e da n dm a d ea c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d so fi e c 610 0 0 - - 4 - 4a n d g b t17 6 2 6 4i nt h i sp a p e r as w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l yi sd e v e l o p e da st h eh i g h v o l t a g e d cp o w e rs u p p l y ah y d r o g e nt h y r a t r o ni su s e da st h em a i nc i r c u i ts w i t c h a n dt h ed e v e l o p e d e f t bg e n e r a t o ri sv e r yc h e a p s e c o n d l y , ac w gi sa l s od e s i g n e da n dm a d ea c c o r d i n gt ot h e s t a n d a r d so fi e c 6 10 0 0 - 4 - 5a n dg b t 17 6 2 6 5 s p a r kg l o b a lg a ps w i t c hw i mt r i p l ee l e c t r o d e s i sd e v e l o p e da st h em a i nc i r c u i ts w i t c h a t 8 9 s 5 2c h i pi sa d o p t e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e t w od e v i c e sa st h ec o r eo ft h ec i r c u i t ，w h i c hr e a l i z e st h ei n t e l l i g e n c ea n dv i s i o no fc o n t r 0 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t p u ts i g n a l so ft h ed e v e l o p e de f t bg e n e r a t o ra n d w c gc a l lb eu s e di ne f t ba n ds u r g ei m m u n i t yt e s t b a s e do nt h et h r e ef a c t o r so fe m c ：i n t e r f e r i n gs o u r c e s ，c o u p l i n gp a t h , s e n s i t i v eo b j e c t s ， a n t i - j a m m i n ge m o fm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e si sd e e p l yi n v e s t i g a t e d i m p r o v i n g f o rs e l f - a n t i - j a m m i n go fe f t bf o rm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e si si n v e s t i g a t e da sa n e m p h a s i s f i r s to fa l l ，t h er e a s o n sf o rl o g i cc o n f u s i o n ，p r o g r a mm i s t a k e ，d i s p l a ye r r o ra n d m a l f u n c t i o na r ea n a l y z e dw h e ne f t bi n t e r f e r e sw i t ht h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e t h e n ，f o rt h es a k eo fi n v e s t i g a t i o no nt h eg e n e r a lc o u n t e r m e a s u r e sa n dc o n c r e t em e a s u r e sf o r a n t i - j a m m i n ge f t bo fm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e s ，e f t ba n ds u r g ei m m u n i t yt e s t s 一工i 一 大连理工大学硕士学位论文 a r ep e r f o r m e do nm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e sw i t ht h ee 肿d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c ei su n d e re f t bi m m u n i t yt e s t i m p r o v e dd i s t r i b u t i o n p o w e rs u p p l y ，f e r r i t ec o r e ，e m if i l t e ra n dt r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s o rc a nb eu s e di nt h e m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c et oc o n t r 0 1e m t h r o u g he x p e r i m e n t s i nt h ee n d ，e f t ba n ds u r g ei m m u n i t yt e s t sa r ep e r f o r m e do nav a e u l m lo n - l i n e c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mm a d ei nl a b o r a t o r y 、) i ，i t l lt h ee f t ba n ds u r g eg e n e r a t o r s d e v e l o p e di n t h i s p a p e r 1 1 1 es y s t c m si m m u n i t yc a p a b i l i t y i s i m p r o v e d w i t ht h e c o u n t e r m e a s u r e sa n dt h es e r v i c e a b i l i t yo fc o n c r e t em e a s u r e sb r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e ri s v a 】j d a t e d k e yw o r d s ：e f r b ；s u r g e ；m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c e ；e m c ：m c u i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垡丝日期：2 翌2 ：竺笸：2 乡 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：诼他作者签名：丝! 堕 导师签名：丝兰垒之 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 微机保护装置的电磁兼容问题 电磁兼容性是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作 的能力。它是电子、电气设备或系统的一种重要的技术性能。从电磁兼容性的观点出发， 电子设备或系统可分为兼容、不兼容和临界状态三种状态。国际电工技术委员会( m e ) 对电磁兼容的定义是“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物 构成不能承受的电磁骚扰的能力 【1 1 。该定义包含以下两个方面的含义：一、设各对外 界的电磁干扰要有一定的承受能力而不致失效；二、设备本身在工作中对周围环境所产 生的电磁干扰不应超出一定的量值，以免对该环境中的其他设备造成不良影响。由此可 见，电磁兼容就是研究设备或系统的干扰和抗干扰问题的一门学科，包含电磁干扰e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 和电磁敏感度e m s ( e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 两方面 的内容。e m i 是指电子设备自身工作过程中，产生的电磁波对外发射，从而对设备其它 部分或外部设备造成干扰。e m s 是指设备受电磁干扰的敏感程度，越敏感的设备，越 容易受到干扰。 在电力系统中，变电站是一次设备和二次设备最为集中的场所之一，它的电磁环境 非常复杂，不仅在异常运行状态下会产生各种电磁干扰，而且在在正常运行状态下也会 产生各种电磁干扰。如高压开关操作和短路故障等引起的暂态过程；高电压、大电流导 线或设备附近的电场和磁场；雷击；静电放电：谐波以及电子设备的工作信号和噪声等 【2 】。随着电力系统电压等级的提高和电网容量的扩大，变电站中的电磁环境变得更加恶 劣。近年来，为了节约成本，减小变电站占地面积，减少工程量，微机保护装置被安装 在电磁环境恶劣的高压开关场内或靠近高压电气设备的地方，很容易受到各种电磁干扰 【3 1 。同时，随着电力系统自动化水平的提高，微机保护装置中电子元件的工作电压由几 十伏降低到几伏，信号电压也变得更小，而运行速度却越来越快【4 】，这使得微机保护装 置对外界的干扰变得更加敏感。投入电力系统中运行的微机保护装置一旦受到电磁干扰 而误动或拒动，轻则造成小面积停电，重则瓦解整个电力系统，给国家和人民的生命财 产造成严重损失【5 1 。因此，微机保护装置的电磁兼容问题不容忽视。只有完善的电磁兼 容技术才可以为变电站电力系统提供一个安全、可靠的运行环境。 1 2 微机保护装置的电磁抗扰度试验 微机保护装置在进入现场之前，要经受再现和模拟其工作环境可能遇到的电磁干扰 以及它在工作中产生的电磁发射的各种试验，即电磁兼容试验。电磁兼容试验包括电磁 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 干扰试验和电磁敏感度试验两方面内容。目前，为了保证电力系统正常、稳定的运行， 主要考核微机保护装置抗电磁骚扰的能力，所做的电磁兼容试验主要为电磁敏感度试 验。电磁敏感度试验是通过模拟各类生产设备运行时所产生的电磁干扰，检验连接到供 电网络、控制和通信网络中的电气、电子设备对传导骚扰和辐射骚扰的抗干扰能力。我 国电力部标准中规定，微机保护装置必须通过以下各项电磁敏感度试验，包括电快速瞬 变脉冲群抗扰度试验、浪涌抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、射频场抗扰度试验、工 频磁场抗扰度试验和阻尼振荡波抗扰度试验。其中，开关操作引起的电快速瞬变脉冲群 骚扰和雷电波等瞬态电磁干扰对微机保护装置的干扰最为严重。所以本文主要研究微机 保护装置的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验和浪涌抗扰度试验。 目前，微机保护装置抗高压、抗浪涌、防静电等设计技术已经比较成熟，而电快速 瞬变脉冲群骚扰由于具有上升时间短、持续时间短、幅值高、能量低、重复频率高等特 点，其对微机保护装置的干扰长期以来难以克服【6 】。文献 7 1 0 报告了电力系统中开关 操作导致微机保护设备失灵的多次事故。因此本文将进一步研究微机保护装置抗电快速 瞬变脉冲群干扰的具体措施。 1 2 1 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验是一种将由许多瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到电气 和电子设备的电源端口、信号和控制端口的试验【1 1 1 。它通过模拟电网中的开关、继电器 和接触器切合电感性负载时引起的特快速暂态过电压，检验电子设备抗电快速瞬变脉冲 群骚扰的能力。该试验具有脉冲成群出现，脉冲重复频率高，脉冲波形的上升时间和持 续时间短，单个脉冲的能量小等特剧1 2 】。 在国际标准i e c 6 1 0 0 0 - 4 - 4 和国家标准g b t 1 7 6 2 6 4 中规定【m 1 4 】，电快速瞬变脉冲 群抗扰度试验按照设备所处的电磁环境条件可以划分为四个试验等级，见表1 1 。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的试验等级 t a b 1 1l e v e lo fe m i m m u n i t yt e s t x 是开放等级，在专用设备技术规范中必须对这个级别加以规定 第一级：具有良好保护的环境。在电源和控制线路中，电快速瞬变脉冲群被全部抑 制；电源线与较高严酷度等级的其它环境中的控制和测量线路分离；电源电缆带有屏蔽 层，屏蔽层两端接地，并通过滤波保护电源。 第二级：受保护的环境。在电源和控制线路中，电快速瞬变脉冲群被部分抑制；所 有线路与较高严酷等级环境有关的其它线路分离；无屏蔽的电源电缆和控制电缆与信号 电缆和通信电缆在结构上分离。 第三级：典型的工业环境。在电源和控制线路中，无抑制电快速瞬变脉冲群措施； 工业线路与较高严酷等级环境有关的其它线路分离不完善；电源，控制，信号和通信线 路采用专用线缆；电源，控制，信号和通信电缆之间分离不完善；存在接地导体和接地 网提供的接地系统。 第四级：严酷的工业环境。在电源和控制线路中，无抑制电快速瞬变脉冲群措施； 工业线路与较高严酷等级环境有关的其它线路不分离；电源，控制，信号和通信线路不 分离；控制和信号线共用多芯电缆。 微机保护设备进行电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的试验框图如图1 1 所示。从图中 可以看出，电快速瞬变脉冲群抗扰度试验需要如下试验设备：电快速瞬变脉冲群发生器、 耦合去耦合网络、容性耦合钳和参考接地平板。当微机保护设备进行电快速瞬变脉冲 群抗扰度试验时，电快速瞬变脉冲群发生器产生的骚扰信号通过耦合网络施加到微机保 护装置的电源端口或通过容性耦合钳施加到微机保护装置的信号和控制端口，从而检测 微机保护设备的性能和运行状态的变化情况，最后依据检测结果来判定微机保护设备是 否通过电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。微机保护设备的检测结果有如下四种情况：一、 在标准限值内性能正常；二、性能暂时降低或丧失，但能自动恢复；三、性能暂时降低 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 或丧失，但需系统复位才能恢复；四、性能不能恢复到正常工作状态。一般情况下，能 够自动恢复到正常工作状态的微机保护设备才能够通过电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。 图1 1 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验框图 f i g 1 is k e t c ho fe f t bi m m u n i t yt e s t 1 2 2 浪涌抗扰度试验 浪涌是沿电路传播的快速上升、缓慢下降的电压或电流波，容易对电子设备及其内 部的元器件造成永久性损害。浪涌抗扰度试验是模拟雷击造成的浪涌电压或浪涌电流， 检验电子设备抗电压、电流冲击的能力，而不是考核电子设备对高压的静态绝缘能力。 浪涌抗扰度试验分为浪涌电压抗扰度试验和浪涌电流抗扰度试验。该试验具有脉冲上升 时间短、脉冲下降时间长、幅值高、能量大等特点。 在国际标准i e c 6 1 0 0 0 - 4 5 和国家标准g b t 1 7 6 2 6 5 中规定【2 抛6 1 ，浪涌抗扰度试验 按照设备所处电磁环境的不同可以分为四个试验等级，见表1 2 。 试验的严酷等级取决于环境及安装条件，下面是一般的分级情况： l 级：保护良好的电气环境，浪涌电压不超过5 0 0 v ，经常在一间专用房内。 2 级：保护环境比1 级差，浪涌电压不超过l k v ，如无强干扰的工厂。 3 级：一般性的电磁骚扰环境，无特殊安装要求，浪涌电压不超过2 k v 。 4 级：受严重骚扰的环境，浪涌电压可以达到4 k v ，如未保护的高压变电所。 x 类：特殊等级，应根据用户的特殊要求，由制造商和用户协商后确定。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 表1 2 浪涌抗扰度试验的试验等级 t a b 1 2l e v e lo fs u r g ei m m u n i t yt e s t x 是开放等级，可在产品要求中规定 微机保护设备进行电源端口浪涌抗扰度试验的试验框图如图1 2 所示。其中，图( a ) 表示对微机保护设备的电源端口进行差模试验，图( b ) 表示对微机保护设备的电源端口 进行共模试验。从图中可以看出，浪涌抗扰度试验需要如下试验设备：一台组合波发生 器、一套耦合去耦合网络和参考接地平板。当微机保护设备进行浪涌抗扰度试验时， 组合波发生器产生的浪涌电压或浪涌电流通过耦合网络施加到微机保护设备的电源端 口，以此检验微机保护设备抗浪涌冲击的能力。 交渲) j i i 供电同络 交值) 流 供电罔络 ( 丑) 被试设备差模试验框图 图1 2 浪涌抗扰度试验框图 f i g 1 2s k e t c ho fs u r g ei m m u a i t y t e s t 1 3 国内外研究概况 国外对电力系统电磁兼容问题的研究比较早，有大量的论文发表，涉及到电磁干扰 源的研究，电磁干扰的测量和评估，实现电磁兼容的技术等。我国对电磁兼容研究的起 步比较晚，对微机保护设备的电磁兼容研究，大部分还停留在电磁兼容标准，干扰源的 种类和特征以及宏观抗扰度措施上，很少对微机保护设备进行系统的电磁兼容研究。 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 1 3 1 国外研究概况 2 0 世纪6 0 年代后，电气与电子工程技术迅速发展，其中包括数字计算机、信息技 术、测试没备、电信和半导体技术的发展。在所有这些技术领域内，电磁噪声和克服电 磁干扰引起的问题引起人们的高度重视，导致了电磁噪声领域的世界范围的许多技术研 究虽然电磁干扰问题由来已久，但电磁兼容这个新兴的综合性边缘学科却是近代形成 的。 国外从2 0 世纪6 0 年代开始了变电站电磁环境和电磁干扰问题的研究，特别是7 0 年代以后由定性研究转为定量研究【”q7 1 。其中，成果最显著的是美国电力研究院，自 1 9 7 8 年，历时1 0 余年，分两个阶段开展了变电站中瞬态电磁干扰的测量、建模和计算 等工作。 第一阶段，从1 9 7 8 年至1 9 8 3 年，初步完成了电磁干扰源的研究工作，并且提交了 本阶段的研究报告。本阶段的研究成果体现在提出了变电站中电磁环境的测量和数据分 析方法。具体工作如下： 1 实际测量了一个变电站中的瞬态电磁干扰波形。 2 通过模拟变电站的瞬态电磁干扰对微机保护设备进行抗扰度测试。 3 提出一种分析变电站瞬态电磁干扰的时域模型来计算空间的电场和磁场，并把计算结 果与实测数据进行了对比分析。 第二阶段，从1 9 8 6 年至1 9 9 3 年，在变电站电磁干扰源和电磁干扰耦合途径的测量 和建模方面，展开了更深入广泛的研究。所做的具体工作和研究成果如下： 1 测量了7 个空气绝缘变电站和2 个气体绝缘变电站，共测得8 0 0 多次事件的3 0 0 0 多 个电磁干扰波形。 2 总结了开关操作产生的脉冲的特点。 3 给出了变电站开关操作产生的瞬态电磁干扰对变电站电缆和内部电缆线影响的测量 结果， 4 介绍了瞬态电磁干扰通过c t 和c v t 的场耦合和直接耦合模型，并将预测分析的结果 与实测数据进行了对比。 5 总结了变电站瞬态电磁干扰的建模方法和测量技术。 除了美国在变电站瞬态电磁干扰方面取得的成果外，加拿大、德国、俄罗斯、法国、 英国、日本和意大利等国家也在变电站电磁干扰源和电磁干扰耦合途径的测量和建模方 面开展了大量的研究工作，提出了变电站电磁环境的计算方法，并制定了一些抑制瞬态 电磁干扰源和切断电磁干扰耦合途径的措施。主要完成了以下两方面的研究工作： 1 计算了开关操作引起的瞬态电磁干扰， 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 建立了一种电磁干扰的器件耦合模型。 国外在提高微机保护设备抗瞬态电磁干扰的研究方面做了大量工作，文献 1 8 ，1 9 】 分析了瞬态电磁干扰的时域和频域特征及其对微机保护设备内部敏感器件的作用机理， 并采取硬件抗干扰措施。文献 2 0 ，2 1 研究了电快速瞬变脉冲群骚扰对微机保护设备内 部核心器件微处理器的干扰作用机理，然后从硬件和软件两个方面采取措施抑制电快速 瞬变脉冲群骚扰的干扰。为了检验微机保护设备抗电磁干扰的能力，i e c 制定了的电磁 抗扰度标准i e c 6 1 0 0 0 - 4 - 4 和“量度继电器和保护装置”系列产品标准i e c 6 0 2 5 5 ，投入 电力系统中使用的微机保护设备必须通过相应的电磁敏感度试验。 1 3 2 国内研究概况 我国由于过去的工业基础比较薄弱，电磁环境危害尚未充分暴露对电磁兼容认识 不足，因此，对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚，与国际间的差距较大。 2 0 世纪8 0 年代以来，国内电磁兼容学术组织纷纷成立，学术活动频繁开展。1 9 8 4 年，中国通信学会、中网电子学会、中国铁道学会和中国电机工程学会在重庆召开了第 一界全国性电磁兼容性学术会议，此次会议录用论文4 9 篇。1 9 9 2 年5 月，中国电子学 会和中国通信学会在北京成功地举办了“第一届北京国际电磁兼容学术会议 。此次会 议录用论文1 7 3 篇，这标志着我国电磁兼容学科的迅速发展并参与世界交流。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着国民经济和高新科技产业的迅速发展，在航空、航天、 通信、电子、军事等部门，电磁兼容技术受到格外重视，并投人了较大的财力和人力， 建立了一批电磁兼容试验和测试中心，引进了许多现代化的电磁干扰和敏感度自动测试 系统和试验设备。一些军队、部门、研究所及大学陆续建立了电磁兼容性实验研究室， 电子、电气设备研究室。设计及制造单位也都纷纷配备了电磁兼容性设计、测试人员。 电磁兼容性工程设计和预测分析在实际的科研工作中得到了长足的发展。 我国变电站电磁兼容问题的研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代，随着基于微电子技术 的继电保护装置的应用与推广，变电站的电磁兼容问题才开始在电力部门得到关注【2 2 】。 由于我国的变电站在电压等级和主接线结构等方面的技术特点与国外不同，国外的测量 和分析结果仅能作为参考，必须对我国变电站的瞬态电磁环境的实际情况进行独立的测 量和分析。在此背景下，国家电力公司所属的中国电力科学研究院、南京自动化研究院、 武汉高压研究所和华北电力大学等单位，以及四方公司、清华大学和武汉大学等单位相 继做了有关的研究工作。其中，南京自动化研究院和四方公司的研究工作则主要侧重在 微机保护设备抗电磁干扰问题的研究方面【2 3 1 ，已经积累了一定的工程实践经验。 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 总体来说，我国在微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群方面的研究工作刚刚起步，主 要集中在如何进行抑制的工程实践上，对电快速瞬变脉冲群的形成、耦合和作用机理缺 乏进一步深入的研列2 4 1 。因此，有必要研究提高微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群能力。 我国以前继电保护行业的电磁兼容标准为g b t 1 4 5 9 8 系列，等同国际标准 i e c 6 0 2 5 5 。在2 0 0 1 年1 1 月，我国颁布了新的电力行业标准5 0 0 k v 变电所保护和控制 设备抗扰度要求，正逐步向国际标准i e c 6 1 0 0 0 4 靠拢。 1 4 选题的意义 电力系统的微机保护装置是电力系统的核心控制部分。为了保障电力系统安全、稳 定的运行，投入电力系统中使用的微机保护装置需要满足电磁兼容标准的要求，并通过 表1 3 中的电磁抗扰度试验。其中，开关操作引起的电快速瞬变脉冲群骚扰和雷电波等 瞬态电磁干扰对微机保护装置的干扰最为严重。所以微机保护设备在投入运行前，必须 通过电快速瞬变脉冲群抗扰度试验和浪涌抗扰度试验。 表1 3 微机保护装置电磁抗扰度试验 t a b 1 3e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yt e s to fm i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i v ed e v i c e s 从前面电快速瞬变脉冲群抗扰度试验过程的描述可以看出，微机保护装置进行电快 速瞬变脉冲群抗扰度试验需要一台能够模拟电磁干扰的试验用电快速瞬变脉冲群发生 器。电快速瞬变脉冲群发生器是一台能够模拟线路中特快速暂态过电压的纳秒级上升时 间的高压脉冲群电源，它产生的电磁干扰信号具有上升时间短，持续时间短，电压幅值 和重复频率高的特点。目前，我国电快速瞬变脉冲群抗扰度试验用的高压脉冲群电源主 要依赖进口，用线性电源作高压直流电源，用高压高速半导体器件作主电路开关，价格 十分昂贵。因此，有必要研制一台体积小、重量轻、效率高且价格低廉的电快速瞬变脉 冲群发生器， 大连理工大学硕士学位论文 同电快速瞬变脉冲群抗扰度试验一样，浪涌抗扰度试验也需要一台能够模拟电磁干 扰的组合波发生器。组合波发生器是一台能够模拟线路中浪涌电压和浪涌电流的试验用 干扰模拟信号发生器，它能够产生上升时间为几微秒，脉冲持续时间从几十微秒到几百 微秒，脉冲幅度从几百伏到几万伏，或从几百安到上百千安的电磁干扰信号。目前，国内 生产电磁抗扰度试验用信号发生器的厂家不多，主要依赖进口，价格十分昂贵。因此， 有必要研制一台体积小、重量轻、效率高且价格低廉的组合波发生器。 电快速瞬变脉冲群骚扰是由断路器、隔离开关或继电器操作引起的，具有能量小、 上升时间短、持续时间短、电压幅值和重复频率高的特点。它一般不会损坏微机保护装 置，但对微机保护装置的辅助电源端口、通信端口和输出端口有较大影响，容易导致微 机保护装置出现逻辑混乱、显示不正常、程序跑飞等故障，甚至因误判断而误动作，严 重威胁电力系统的运行安全。 因此，研究微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群骚扰的措施，对于改善微机保护装置 所处的电磁环境，增强微机保护装置的抗扰度性能，有效抑制电快速瞬变脉冲群骚扰对 微机保护装置的干扰，保证微机保护装置可靠工作，保障电力系统安全稳定运行有重要 意义。这也是本文选题的又一重要依据。 1 5 本文的主要工作 首先，研制一台高压重频脉冲电源和一台组合波发生器；然后，利用本文研制的高 压重频脉冲电源和组合波发生器，通过试验来研究提高微机保护装置抗扰度的具体措 施；最后，对电站监测系统进行电磁抗扰度试验，验证本文给出的提高其抗电快速瞬变 脉冲群和浪涌水平的对策。 本文各章节的具体安排如下： 第一章论述了变电站中微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群骚扰和抗浪涌研究的意 义，介绍了国内外在微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群骚扰方面的研究概况，指出了本 文所研究课题的背景及重要意义。 第二章按照国际标准和国家标准中电快速瞬变脉冲群抗扰度试验要求，设计了一台 电快速瞬变脉冲群骚扰模拟信号发生器。本章根据国际标准i e c 6 1 0 0 0 4 4 和国家标准 g b t 1 9 6 2 6 4 的要求，应用p s p i c e 仿真和m a t l a b 求解二阶电路相结合的方法确定高压 脉冲群电源回路中各元件的参数。在此基础之上研制了一台以开关电源作高压直流电 源，以氢闸流管作主电路开关的高压重频脉冲群电源。该脉冲群电源具有体积小、重量 轻、效率高且价格低廉的优点。 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 第三章按照国际标准和国家标准中浪涌抗扰度试验的要求，设计了一台浪涌模拟信 号发生器。本章按照国际标准i e c 6 1 0 0 0 - 4 - 5 和国家标准g b t 1 7 6 2 6 5 的要求，应用 m u l t i s i m 仿真和g t a t l a b 求解二阶电路相结合的方法确定组合波发生器电路中的各元件 参数。在此基础之上研制了一台以三电极场畸变开关作主电路开关的成本低廉的组合波 发生器。 第四章提出了微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群的综合对策。介绍了微机保护装置 由于受到电快速瞬变脉冲群骚扰而容易出现的问题以及出现的问题的原因。通过用本文 研制的高压重频脉冲电源给微机保护装置的各个端口进行电快速瞬变脉冲群抗扰度试 验，分析试验结果，从而采取有效措施提高微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群群骚扰的 能力。 第五章以典型电站监测系统为例，施加电快速瞬变脉冲群和浪涌，来研究提高其抗 扰度的措施。通过使用本文研制的高压重频脉冲电源和组合波发生器给电站监测系统进 行电磁抗扰度试验，验证本文给出的提高其抗电快速瞬变脉冲群和浪涌水平的对策。 大连理工大学硕士学位论文 2 高压重频脉冲电源的研制 2 1 高压重频脉冲电源的预期性能指标 国家标准中规定，重复性快速瞬变试验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群 耦合到电气和电子设备的电源端口、通信端口和控制端口的试验，试验的要点是瞬变的 短上升时间、重复率和低能量。本章按照标准的要求【2 7 1 ，研制出的高压重频脉冲电源输 出的电磁干扰信号要能够模拟电力系统中开关操作引起的特快速暂态过电压。本章研制 的高压重频脉冲电源在负载为5 0 f 2 电阻时输出信号的预期特征和性能如下： 1 脉冲上升时间：f = 5 n s 3 0 2 脉冲持续时间：f ，= 5 0 n s 3 0 3 脉冲重复频率：5 k h z 或2 5 h i z 4 脉冲群持续时间：1 5 m s 5 脉冲群重复周期：3 0 0 m s 6 开路输出电压：0 5 4 k v 7 动态输出阻抗：5 0 q 2 0 8 输出脉冲极性：正负 9 与电源的关系：异步 2 2 高压重频脉冲电源主电路的拓扑结构 高压重频脉冲电源是由高压直流电源、脉冲电容、主控开关、脉冲形成电阻和阻抗 匹配网络构成的。阻抗匹配网络由脉冲形成电阻和隔直电容构成。高压重频脉冲电源主 电路的拓扑结构如图2 1 所示。图中，u ：高压直流电源，月：充电电阻，k ：主控开关， c s ：脉冲电容，尺。：脉冲形成电阻，尺m ：匹配电阻，c d ：隔直电容，肌：被试设备。 高压重频脉冲电源的工作原理为：高压直流电源通过充电电阻对脉冲电容充电。充 电完成后，主控开关闭合，脉冲电容对脉冲形成电阻和阻抗匹配网络放电。同时，在被 电快速瞬变脉冲群骚扰施加在受试设备上。 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 u一卜 e u t 图2 1 高压重频脉冲电源主电路的拓扑结构 f 逸2 1t o p o l o g ys t r u c t u r eo fm a i nc i r c u i ti ne f t bg e m c r a t o r 2 3 高压重频脉冲电源脉冲形成电路中元件参数的选取 本章根据国际标准m c 6 1 0 0 0 4 4 和国家标准g b f r l 7 6 2 6 4 中，在负载电阻尺l 为 5 0 f l 的情况下脉冲群中单个脉冲的上升时间和持续时间的规定，从模拟仿真和理论计算 两个角度确定组合波发生器主电路中各元件的参数值。 高压重频脉冲电源脉冲形成回路的等效电路如图2 2 所示。图中，c s ：脉冲电容， 上：回路杂散电感，r 。：脉冲形成电阻，r m ：匹配电阻，c d ：隔直电容，r l ：负载电阻。 首先，在p s p i c e 中建立仿真电路模型，然后，在仿真电路中，调整图2 2 中各元 件的参数值，使负载电阻r l 上输出的单个脉冲波形符合标准的要求。然后，将仿真电 路中得到的各元件参数值代入脉冲形成回路等效电路中，应用m a t l a b 求解二阶电路 微分方程，计算负载电阻凡上单个脉冲的数值曲线，验证仿真电路得到的各元件参数 的正确性，从而最终确定高压重频脉冲电源脉冲形成回路中各元件的参数值。 图2 2 高压重频脉冲电源脉冲形成回路等效电路 f i g 2 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f p u l s ef o r m i n gc i r c u i ti ne f t bg e n e r a t o r l 用p s p i c e 仿真脉冲形成回路 首先，大致估计每个元件的参数范围，高压重频脉冲电源的输出阻抗为5 0 q ，所以 确定匹配电阻尺m 为5 0 f l 。隔直电容和匹配电阻构成高通滤波器，根据高压重频脉冲电 源的下限截止频率，可以确定隔直电容c d 为1 0 n f 。标准中规定，在5 0 f l 的匹配负载上， 2 k v 单个脉冲的最大能量为4 m j 。由于电快速瞬变脉冲群单个脉冲能量由脉冲电容的大 大连理工大学硕士学位论文 小决定，所以脉冲电容值小于2 n f 。脉冲电容、回路杂散电感和脉冲形成电阻决定电快 ， 速瞬变脉冲群单个脉冲的上升时间和持续时间( f ，2 3 ，t w 2 3 r c , ) 。其中， a r = r 。f m + r l ) 【2 8 吼 然后，在按照图2 2 建立的p s p i c e 仿真电路模型中，调节脉冲电容c s 、回路杂散 电感三和脉冲形成电阻r 。的参数值，使电快速瞬变脉冲群单个脉冲的上升时间和持续 时间满足高压重频脉冲电源基本性能指标的要求。当电快速瞬变脉冲群单个脉冲仿真波 形( 满足基本性能指标的波形) 如图2 3 所示时，脉冲电容、回路杂散电感和脉冲形成 电阻分别为3 3 0 p f 、4 0 0 n i l 和5 1 0 【1 。 5 a a v 口暑s o n s d o n s1 s o n s2 0 0 r 堰 图2 3 电快速瞬变脉冲群单个脉冲仿真波形 f i g 2 3s i m u l a t i o nw a v eo f e f t b ss i n g l ep u l s e 2 应用m a t l a b 求解脉冲形成回路 将仿真电路中得到的各元件的参数值代入由脉冲电容、回路杂散电感、脉冲形成电 阻、匹配电阻、隔直电容和负载电阻构成的二阶电路中，应用m a t l a b 求解这个二阶 电路的微分方程得到负载电阻凰上单个脉冲的数值曲线，从而验证仿真电路中得到的 各元件参数值的正确性。 在阻抗匹配的情况下，负载支路的阻抗远小于脉冲形成电阻支路的阻抗，在复频域 计算负载电阻r l 上电快速瞬变脉冲群单个脉冲波形时可以忽略脉冲形成电阻r 。，得到 的网孔电流方程为： 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统e m c 研究 啪) = 肌m 地m 地) + 等 ( 2 1 ) ，= 半一等 则在负载电阻r l 上得到的单个脉冲电压的复频域表达式为： 啪，= 砾高撩器知两 亿2 ， 假设脉冲电容初始电压为2 k v ，将仿真电路中得到的各元件参数值代入公式2 2 中， 经拉普拉斯反变换后求得负载电阻r l 上时域输出电压的曲线如图2 4 所示。从图中可 以看出，高压重频脉冲电源脉冲形成回路中的各元件，在选取仿真电路中得到的参数值 后，输出的单个脉冲波形符合标准的要求。 图2 4 电快速瞬变脉冲群单个脉冲计算曲线 f i g 2 4c a l c u l a t i o nc u l w eo f e f t b ss i n g l ep u l s e 2 4 高压重频脉冲电源中高压直流电源的设计 传统的高压重频脉冲电源采用高压线性电源作为它的高压直流电源。线性电源工作 在放大状态，发热量大，需要体积庞大的工频变压器和散热器。其工作效率低。而开关 电源工作在截止和饱和状态，具有发热量小、体积小、重量轻和效率高的优点。本章研 制了一套高压直流开关电源，如图2 5 所示。可以通过固体调压器调节高压直流开关电 源的输入电压，使它的输出电压在o 4 k v 内连续可调，从而满足高压重频脉冲电源的 通用性设计要求。 大连理工大学硕士学位论文 图2 5 高压直流开关电源 f i g 2 5h i g h v o l t a g ed c