智能变电站二次系统电磁干扰特性分析及优化防护策略研究

一、引言

智能变电站利用先进的智能技术、通信技术和信息技术，实现了变电站运行的自动化、智能化和信息化，提高了电力系统的运行效率和可靠性。二次系统在智能变电站中承担着对一次设备进行监测、控制、保护和计量等重要功能，是保障变电站安全稳定运行的关键环节。但智能变电站内存在多种电磁干扰源，如高压设备的操作、雷击、通信设备的运行等，这些干扰可能导致二次系统出现数据传输错误、保护误动作、设备损坏等问题，严重威胁电力系统的安全运行。因此，深入研究智能变电站二次系统的电磁干扰特性并制定有效的防护策略具有重要的现实意义。

二、智能变电站二次系统电磁干扰源分析

（一）内部干扰源

开关操作：智能变电站中，断路器、隔离开关等设备的开合操作会产生快速暂态过电压（VFTO）和暂态电磁干扰（TEMI）。当断路器开断高压电路时，触头间的电弧会多次重燃和熄灭，导致电路中的电流和电压发生剧烈变化，产生高频振荡的暂态电压和电流，其上升沿极陡，频率可达数 MHz 甚至更高。这些暂态信号通过传导和辐射的方式耦合到二次系统中，可能对二次设备的电子元件造成损坏，干扰其正常工作。

互感器暂态过程：电流互感器（CT）和电压互感器（PT）在正常运行时，其二次侧输出信号相对稳定。但在一次侧电流或电压发生突变时，如短路故障或系统操作引起的过电压，互感器会出现暂态过程。

通信系统干扰：智能变电站采用大量的通信设备实现数据的传输和交互，如光纤通信、无线通信等。虽然光纤通信具有良好的抗电磁干扰能力，但在实际应用中，光纤接头的制作工艺、光纤的弯曲程度等因素可能导致光信号的衰减和畸变。

（二）外部干扰源

雷击：雷击是智能变电站面临的严重外部电磁干扰源之一。当雷击发生在变电站附近时，会在周围空间产生强大的电磁场。雷击产生的电磁场会在变电站的金属构架、接地引下线等导体上感应出高电压和大电流，这些感应电流通过接地系统传导到二次设备，可能损坏设备的绝缘，干扰其正常运行。

三、智能变电站二次系统电磁干扰传播途径

（一）传导耦合

传导耦合是电磁干扰最常见的传播途径之一。当干扰源产生的干扰信号通过导线、电缆等导体直接传输到二次系统中时，就发生了传导耦合。

（二）辐射耦合

辐射耦合是指干扰源产生的电磁能量以电磁波的形式向周围空间辐射，二次系统中的设备通过天线效应接收这些电磁波，从而受到干扰。智能变电站内的高压设备、通信设备等都是较强的电磁辐射源，其辐射的电磁波频率范围很广，从低频到高频都有。二次系统中的电子设备，如保护装置、测控装置等，通常都具有一定的尺寸，其外壳和内部的电路板等结构在一定程度上相当于接收天线，能够接收周围空间中的电磁波。当接收到的电磁波强度超过设备的抗干扰能力时，设备就会受到干扰，出现数据错误、误动作等现象。

（三）电容耦合

电容耦合又称电场耦合，是由于两个导体之间存在分布电容，当一个导体上的电压发生变化时，通过分布电容会在另一个导体上感应出电压，从而实现干扰信号的传播。

四、智能变电站二次系统电磁干扰特性分析

（一）干扰信号的频谱特性

智能变电站二次系统所面临的电磁干扰信号具有复杂的频谱特性。开关操作产生的暂态电磁干扰信号的频谱主要集中在高频段，其频率范围可达数 MHz到数十 MHz，甚至更高。雷击产生的电磁脉冲信号的频谱则更为宽广，几乎涵盖了从直流到 GHz 级别的整个频率范围。电力系统谐波干扰信号的频谱则是以基波频率的整数倍为特征频率，分布在低频到中频的范围内。

（二）干扰信号的幅值特性

电磁干扰信号的幅值大小直接影响其对二次系统的干扰程度。开关操作产生的暂态过电压幅值可达数千伏甚至更高，暂态电流幅值也可达数百安培。雷击产生的感应过电压幅值在极端情况下可高达数十千伏，感应电流幅值可达数千安培。这些高幅值的干扰信号一旦进入二次系统，很容易超出二次设备的耐受能力，导致设备损坏或误动作。此外，电力系统谐波干扰信号的幅值虽然相对较低，但长期作用于二次系统，也会对设备的性能产生累积性的影响，降低设备的可靠性。

（三）干扰信号的时域特性

干扰信号的时域特性包括干扰信号的持续时间、上升沿和下降沿等参数。开关操作产生的暂态电磁干扰信号的持续时间通常较短，一般在几十微秒到数毫秒之间，但其上升沿和下降沿非常陡峭，上升时间和下降时间可在数纳秒到数十纳秒之间。这种快速变化的暂态信号具有很强的能量，对二次系统的冲击较大。

五、智能变电站二次系统优化防护策略

（一）硬件防护措施

屏蔽技术：采用屏蔽技术可以有效减少电磁干扰的辐射耦合。在智能变电站二次系统中，对二次设备的外壳、电缆等进行屏蔽处理。二次设备的外壳可采用金属材质制作，形成一个封闭的屏蔽体，将设备内部的电子元件与外界的电磁干扰源隔离开来。对于控制电缆、信号电缆等，可采用带屏蔽层的电缆，屏蔽层一端接地，另一端悬空或通过电容接地，以防止外界电磁干扰信号通过电缆传导进入二次系统。

接地技术：良好的接地是抑制电磁干扰的重要手段。智能变电站二次系统应建立完善的接地系统，确保二次设备的接地可靠。二次设备的外壳、电缆的屏蔽层等都应与接地系统可靠连接，将干扰电流引入大地，避免干扰电流在二次系统中形成回路，产生干扰。

滤波技术：在二次系统的电源输入端、信号输入端等位置安装滤波器，可以有效抑制传导耦合的电磁干扰。电源滤波器可用于滤除电源中的高频干扰信号，保证二次设备得到纯净的电源供应。信号滤波器则可根据需要选择低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等不同类型，用于滤除信号中的特定频率的干扰信号，提高信号的质量。

（二）软件防护措施

抗干扰算法：在二次系统的软件设计中，采用抗干扰算法可以提高设备对电磁干扰的抵抗能力。

软件冗余技术：采用软件冗余技术可以提高二次系统的可靠性。在二次系统中，对关键的软件功能模块进行冗余设计，当主模块受到电磁干扰出现故障时，备用模块能够及时投入运行，保证系统的正常工作。

（三）运行维护措施

定期检测与维护：建立智能变电站二次系统的定期检测与维护制度，定期对二次设备进行检查和测试，及时发现设备存在的潜在问题并进行处理。

电磁环境监测：在智能变电站内设置电磁环境监测系统，实时监测变电站内的电磁干扰情况。通过对监测数据的分析，了解电磁干扰的来源、强度和分布规律，为制定针对性的防护措施提供依据。

六、结论

智能变电站二次系统的电磁干扰问题严重影响着变电站的安全稳定运行。通过对智能变电站二次系统电磁干扰源、传播途径和干扰特性的深入分析，提出了一系列硬件防护、软件防护和运行维护等优化防护策略。这些策略能够有效提高二次系统的抗干扰能力，降低电磁干扰对二次系统的影响，保障智能变电站的可靠运行。在未来的智能电网建设中，随着智能变电站技术的不断发展和应用，应持续关注电磁干扰问题，不断完善防护策略，为电力系统的安全稳定运行提供有力保障。同时，还需要进一步加强对电磁干扰特性的研究，探索更加有效的防护技术和方法，以适应日益复杂的电磁环境。

参考文献：

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