高比例新能源接入、高比例电力电子设备应用、电网数字化转型等对开关设备的智能化和运行状态智能感知提出了更高的要求。由于新能源出力、电动汽车和储能设备充放电模式的随机波动性，高压开关柜断路器会频繁操作产生大量电磁骚扰，对二次设备造成严重威胁。

武汉大学“高电压与绝缘技术创新团队”成员提出了一种基于高压开关柜一体化电磁骚扰传导仿真模型的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波器设计方法，试验结果表明接入电磁干扰滤波器后骚扰电压下降93.94%，持续时间下降71.41%，验证了该方法的有效性。

研究背景

高压开关柜承担着开断和关合电力线路、监测运行电量数据等重要作用。智能感知技术是电网数字化的关键技术之一，是新型电力系统的基础技术。能源清洁低碳转型、分布式发电、输配电方式多元化等对智能高压开关柜提出了更高的要求。而智能高压开关柜中包含多种智能组件，其一次设备与其二次设备高度融合，使得断路器操作对开关柜敏感设备的电磁骚扰问题更为突出。

虽然智能开关柜的控制装置和电子式互感器等设备出厂时已通过了严格的电磁兼容性试验，但开关设备操作时的电磁骚扰常超出相关标准设定的阈值，出现保护误动拒动、互感器精度下降、二次设备端口击穿等问题。

论文所解决的问题及意义

电磁骚扰在开关柜内部的传导需经过互感器、二次线缆等设备，同时也会受到开关柜柜体杂散电容和接地网等设备的影响。当前研究主要针对上述的单一设备模型进行建模，缺乏从骚扰源至敏感设备端口的一体化电磁骚扰传导仿真模型，因此电磁骚扰的幅值、频率、持续时间等特征量从骚扰源传导至敏感设备端口的变化规律尚未明确，使得智能组件的电磁防护措施针对性不足，无法满足断路器频繁操作电磁骚扰的防护需求。

基于一体化电磁骚扰传导仿真模型仿真结果，能够根据典型工况下的电磁骚扰特征设计智能组件的电磁干扰滤波器，为智能高压开关柜的安全稳定运行提供支撑，提升其运行状态智能感知水平。

论文方法及创新点

1、一体化电磁骚扰传导仿真模型

KYN61-40.5型高压开关柜内部简化接线如图1所示。由图1可知电磁骚扰在KYN61-40.5型开关柜内部主要有公共阻抗耦合途径和共地阻抗耦合途径，涉及的设备包括真空断路器及其相间和相地耦合电容、电流互感器、二次线缆、智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）以及接地网。

图1 KYN61-40.5型开关柜内部简化电路图

本文融合了连续过渡模型和Helmer模型构建了真空断路器三相模型，采用矢量匹配法和电路综合法建立了电流互感器和微机保护装置电流测量端口模型，基于传输线理论获得了接地网参数，并利用有限元仿真提取了二次线缆参数和柜体杂散电容参数，综合上述模型建立了一体化智能高压开关柜断路器开断电磁骚扰传导仿真模型，实现了智能高压开关柜开断电磁骚扰的传导过程的一体化仿真。同时搭建试验回路验证了其准确性，试验与仿真结果对比如图2所示。

图2 微机保护装置端口骚扰电压仿真与试验波形

2、微机保护装置EMI滤波器设计

本文在实验室现有工况条件下，利用一体化电磁骚扰传导仿真模型进行仿真，提出微机保护装置EMI滤波器参数选取应为截止频率100kHz，陷波频率为125kHz和310kHz，陷波频率下的骚扰电压幅值下降30dB。滤波器结构为1个3阶定K型滤波器和2个m推演滤波器串联组成，如图3所示。

（a）EMI滤波器电路结构

（b）EMI滤波器实物

图3 基于m推演和3阶k型设计的EMI滤波器

3、试验验证

经EMI滤波器处理后的骚扰电压如图4所示。试验结果表明，微机保护装置电流测量端口的骚扰电压幅值和持续时间均出现了明显下降。其中骚扰电压的幅值从7.1V下降至0.43V，相对下降了93.94%，而持续时间则从50.8μs下降至14.52μs，相对下降了71.41%。表明本文提出的基于高压开关柜一体化电磁骚扰传导仿真模型的电磁干扰滤波器设计方法有效。

图4 经EMI滤波器处理后的骚扰电压

结论

本文提出了一种基于智能高压开关柜一体化电磁骚扰传导仿真模型的电磁干扰滤波器设计方法。所提方法通过测量智能高压开关柜内各类设备组件参数，分别采用矢量匹配法、有限元法等方法建立其一体化电磁骚扰传导仿真模型，然后根据不同开关柜工况下的电磁骚扰信号特征量设计其智能组件的EMI滤波器参数。试验结果表明，所提方法设计的滤波器可使骚扰电压幅值下降93.94%，能够针对性地降低智能高压开关柜开断电磁骚扰对敏感设备的影响。

团队介绍

本文作者来自武汉大学电气与自动化学院“高电压与绝缘技术创新团队”，团队研究范围涉及高压电气设备状态检测与评估、电磁-温度-流体-力学多物理场分析、绝缘放电试验与机理、电工新材料研发、防雷接地、高功率电磁发射等学科研究方向。

团队入选2017年度湖北省“双创战略团队”A类自主创业战略团队。先后承担了国家973、863、科技支撑计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等各类纵向科研项目，以及一批企业合作项目。目前培养博士研究生65名，硕士研究生150余名。已发表学术论文800余篇，其中SCI论文120余篇，EI源刊论文200余篇，授权国家发明专利65项，软件著作权13项，编写专著9部。主持的“电磁多物理场分析关键技术及其在电工装备虚拟设计与状态评估的应用”获2017年湖北省科技进步一等奖。

王华清，博士研究生，研究方向为开关设备与绝缘技术。

黄道春，教授，博士生导师，主要研究方向为高压输变电设备绝缘失效机理与风险评估、高压输变电设备状态智能感知与智能运维。

本工作成果发表在2024年第11期《电工技术学报》，论文标题为“基于一体化电磁骚扰传导模型的开关柜微机保护装置电磁干扰滤波器设计“。本课题得到国家重点研发计划的支持。