摘  要：本文叙述了由我院研制的±500KVAR静止无功发生器在投运时，在现场的电磁干扰下，引起的麻烦。为了改善这台静止无功发生器的电磁兼容能力，采用了许多措施，最终使静止无功发生器能够平稳和满意的运行。

关键字：静止无功发生器（SVG）  电磁干扰（EMI）  电弧炉（EAF）

1  引  言

500KVAR静止无功发生器（或简称SVG）最终选择安装在一家生产电石的工厂的配电间。工厂内有两台生产电石的电弧炉，此外有2条10.5KV的线路分别向5MVA的#2电弧炉及3MVA的#3电弧炉供电。

图1是500KVAR静止无功发生器所在的配电间的电路单线图。

图上，TF2，TF3是向#2电弧炉，#3电弧炉供电的5MVA，3MVA的变压器。

T1，T2是向工厂供电的500KVA，200KVA厂用变压器。VS2，VS3是电弧炉变压器TF2，TF3的真空开关。Dr2，Dr3是#2，#3电弧炉的操作和驱动设备。BK是静止无功发生器的主断路器柜。

500KVAR静止无功发生器由4台柜子和1台三相分裂变压器（SPT）组成。控制和调节部分占了一台柜（CR）

图1  配电间的电路单线图

有二台GTO功率柜即GTO1柜，GTO2柜，每台柜内装有用2极管对中点箝位的三级逆变器（电压源逆变器）一台。此外，其它一些元件放在第4个C柜内，主要有用于支撑三级逆变器直流侧电压的电容器，静止无功发生器起动设备，用于限制流过GTO的事故电流上升速度的环路电流保护装置等[1，2]。

图2是表示了配电间内静止无功发生器，和电弧炉供电，控制所需的其它设备的顶视图，变压器TF2，TF3不在内，它们离配电间较远。

可以看出，向#2电弧炉供电的5MVA变压器的真空开关VS2刚好安装在静止无功发生器小间的隔壁。

图2  配电间顶视图

PSCM柜用于电源操作及电弧炉控制用

CAB值班电工休息室

静止无功发生器连在专用的10.5KV线路І上，#2电弧炉的5MVA供电变压器正是通过VS2和它连接的。

500KVAR静止无功发生器在现场调试投运时，刚好#2电弧炉在停机检修。调试过程虽然碰到一些问题，总的来说还是成功的。

2  电磁干扰引起的麻烦

静止无功发生器的运行在#2电弧炉投运后就遇到麻烦，#2电弧炉的生产周期是 2小时左右，这就意味着每2小时真空开关VS2就要断开1次，过了几分钟，再合上。通常当VS2断开时，10.5KV专用I号线的电压就上升，而当VS2再次合上时，I号线的电压下降很大，主要是5MVA变压器带着满负荷合闸的。

#3电弧炉的3MVA变压器TF3挂在10.5KV的Ⅱ线路上，它的VS3开关的切、合的电磁干扰影响远比VS2的小，在这时静止无功发生器仍能保持正常运行。

静止无功发生器的运行特别在VS2合闸时受到干扰很严重。在VS2合闸瞬刻，静止无功发生器因硬件的过电流保护装置动作，经常从10.5KV专用I号线上跳开。有时它甚至会导致静止无功发生器的电压源逆变器内部短路，引起严重事故：如发生损坏开关元件 GTO等。

对现场情况进行仔细研究后，确认事故起因是因#2电弧炉的VS2切合时，开关多次重燃引起的电磁干扰所致[3]。

图3是当VS2合闸时，对静止无功发生器中不同的电气量影响的示波图。显然图3所示的电磁干扰对不同的电气量的影响是与VS2在一个周波内合闸瞬刻有关。图3所有的示波图是在不同的VS2合闸时录取的。

图3a表示了10.5KV/100V电压互感器（P.T.）输出（A）以及用于静止无功发生器控制和调节用的同步信号（B），注意后者是利用PT信号导出的。

图3b表示10.5KV/100V P.T.输出（B）及向静止无功发生器的调节柜（CR）供电的5V直流稳压电源的输出（A）。此直流稳压电源是由连于10.5KV的专用I号线的变压器T1供电的。

图3c表示5V直流稳压电源输出（A）和同步信号（B）

图3d表示了图3c同样的量，但5V直流稳压电源是通过不停电电源UPS的蓄电池供电，不受T1输出电压波动的影响，注意此5V直流电压也对同步电路供电。

图3e表示了向三级逆变器GTO输出PWM脉冲的控制器的24V直流稳压电源输出受干扰的情况。

图3f表示的5Vdc（A），24Vdc（B）是用小的时间刻度100μs/Div录取的，从它可以看出这电磁干扰是由于VS2动作时多次重燃造成。

                   ( a)                                             (b)

                 (c)                               (d)

                                     (e)                                            (f)

图3  VS2合闸时SVG的电气量示波图

电磁干扰（EMI）进入的途径可分为2类，传导的EMI和空间感应的EMI。

传导的EMI来自

1） 通过变压器T1到SVG的设备，如给控制器供电的直流稳压电源，向硬件过流保护装置供电的直流稳压电源等。

2） 通过用于电压测量及同步电路的PT信号

3） SVG主电路对耦合较紧密控制线和信号线的互感。

空间感应指是因VS2开关动作产生的空间电磁波的干扰。

图4  在三级逆变器的一只GTO门极和阴极间抓到的干扰脉冲

3  采用的抗干扰措施

响SVG正常运行的主要干扰途径，在现场进行了许多测试。其中之一，将一台大接触器的线圈并接于SVG控制器的直流稳压电源输入。并让SVG的主电路断开。令SVG的控制器正常工作，但它输出到三级逆变器的GTO门极的PWM信号全被封锁。然后，随机地接通和断开接触器线圈，持续好几分钟。图4表示了，有一次在三级逆变器的一个GTO元件门极和阴极间抓到的干扰脉冲。这个脉冲通过连接控制器到三级逆变器的那只GTO的，

用于输出PWM控制信号的5米左右的导线进入门极的。

随后为提高SVG的电磁兼容能力采用许多抗干扰措施，如下：

——对直流稳压电源输入采用了超隔离变压器和电源EMI滤波器，对从PT输入到控制器的电压也用了上述滤波器。

——所有控制线和信号线，包括传输PWM控制信号的导线均改用双绞屏蔽线，每米有60绞。

——利用共模和差模感应器或软铁芯磁环抑制传输线上的噪声。

——低通滤波器、用于滤去高频干扰的电容器及瞬态电压吸收器等。

——加强设备的屏蔽和接地。

应该指出，采用了所有这些措施后，效果并不显著。因为这些补救措施并不能改变SVG的基本的电磁兼容能力。

对某些对电磁干扰特别敏感的设备，比如这里的SVG来讲，在设计印刷电路板以及结构安排前，首先要进行电磁兼容性的设计。只有奠基于恰当的电磁兼容性设计，对电磁干扰敏感的设备讲，才可能在强干扰环境下平稳运行。

3.1  互补的GTO元件的硬件互锁装置

最后为防止干扰脉冲进入GTO的门极，在2台GTO柜的三级逆变器的同一相GTO及其互补的元件的门极间加装了硬件互锁装置。

图5a表示了一只硬件互锁装置的工作原理图。

GTO元件的驱动单元GDU有2只光电隔离器OP。一只OP1是GDU1用以输入PWM脉冲D1到GTO1的门极，另一只OP1'是用于GDU1输出返回信号R1，以通知控制器GTO1已经开通或关断。控制器只有收到GTO1已关断的返回信号R1，才能给它的互补GTO，即GTO3发PWM的控制信号D3。

图5b表示了GTO在开通和关断时间内驱动信号D和返回信号R的电平。

图5  GTO门极互锁原理（a）及驱动（b）

*R低电平意味着光隔OP1'导通

可以看出，当驱动信号D到达后，到GTO真正开通，有t1的延时，另一方面对GTO关断也一样，但t2的延时要大得多，它还取决于关断瞬刻的电流大小。

在理论上，控制器不可能产生误脉冲，使GTO及其互补元件同时开通。但它也无法防止干扰脉冲沿着控制器到门控驱动单元的传输线进入。

从图5a知GTO1的门控驱动单元GDU1的驱动信号D1，这里和它的互补GTO3的GDU3的返回信号R3串联。所以当驱动信号D1高电平时光隔OP1开通，经t1延时后，用于返回信号R1的光隔OP1'断开。因为GDU3的光隔OP3和GDU1的光隔OP1'串联，没有任何脉冲，包括干扰脉冲能够进入GTO3的门极。

当驱动信号D1变低，OP1断开，GTO1在GDU1产生的负脉冲下关断，经过t2延时，OP1'开通，使得GTO3有可能导通。如GTO3导通，GDU3的OP3'关断。这时，没有任何脉冲，包括干扰脉冲能进GDU1。这样就使得干扰脉冲被关在GDU外面。

当然，实际的硬件互锁装置比图5a的要复杂些，反正在GTO柜中装了这些硬件互锁装置后，VS2开关切、合时，SVG都能安全运行。

如果一只GTO导通，它的互补元件的门极是断开的，没有脉冲包括EMI引起的干扰脉冲能够通过，所以SVG的逆变器同一相的GTO间直通短路可以避免。

3.2  硬件过电流保护（HOCP）动作的补救

HOCP经常动作的原因被查明，在SVG正常运行时，有一个过电流限制的软件程序，除此之外，在每台GTO柜内，均装有HOCP，以保护三级逆变器不被过电流损坏。显然过电流的软件限制值是小于HOCP的动作值。以避免HOCP频繁动作。

VS2合闸时，测到的10.5KV专用I号线电压降可以大到10%，例如有一次在2000年12月22日上午10：45当VS2合闸时I号线电压从10.8KV降至9.77KV，而PT的电压输出幅值从162V降至132V。（△u=19.8%）但是SVG输出电压，因其三级逆变器直流侧有很大电容器，无法突然变化。

现在来作一个简单的估算。分裂变压器SPT的基准值电抗为

      ，  ， 是分裂变额定电压，额定电流

分裂变压器的短路阻抗是14%，如果忽略变压器绕组电阻，则分裂变压器的短路电抗

对应的电感 

假定电压降    

，则

由 引起的稳定附加电流

如计入瞬态非周期分量， 的最大值可达到

电流的上升率可如下计算

            ， 如 ，

则

    500KVAR SVG的采样频率是每秒300次，即每周波6次，采样周期是3.3ms，软件最快的调节要3.3ms，最慢的靠近6.6 ms。

在上述情况下，在3.3ms内，电流上升可达 ，大于SVG的额定值（28a）。

这就是软件过电流限制不起作用的原因。上述估计没有计及SVG原有的电流，否则情况还要严重些，此外VS2合闸时电压降还可能大于10%。

图6表示了VS2合闸时两台三级逆变器直流侧的总电流（A）和一台三级逆变器输出线电压（B）。

从图6可看出，直流电流（A）在1.9ms内从130a升到385a，HOCP动作，直流电流由正变负，是因为此时三级逆变器的全部GTO关断，但是SVG的感性电流在此瞬刻必须继续流动，所以它们流经有关的续流2极管，因而改变了直流电流的方向。

为了解决由HOCP引起的SVG频繁跳闸的问题，令SVG从电网上跳闸的HOCP的一个功能被禁止，只保持了封锁三级逆变器的全部GTO的驱动脉冲和发出过流信号。与此同时，为SVG增加一个新程序，使VS2合闸时，SVG能继续在电网上。

图6  VS2合闸时，三级逆变器直流侧总电流（A）

一台三级逆变器的输出线电压（B）

图7表示了这个新程序的流程图

图7  “自动重合闸”流程图

如（1）HOCP动作后，（2）封锁所有GTO门极脉冲，（3）检查三级逆变器中所有GTO是否正常，（4）如果否，则（5）立即停机，否则（6）要查出HOCP动作前SVG运行方式（恒电压或恒无功），如果是恒电压运行，电压给定值 跟踪电网电压 ，否则，令无功给定 ，（7）重给所有GTO驱动脉冲，（8）在脉冲重给后，进一步将给定值逐步恢复到HOCP动作前的值。所有这些过程全是自动完成的，它有点类似于

电网中的自动重合闸。

图8 表示了两台三级逆变器输出电压在“自动重合闸”过程的示波图。

4  结  论

500KVAR SVG从2001年2月14日起在克服了许多困难后已经平稳和满意运行了。

主要问题是在SVG设计中，对电磁兼容EMC能力设计的重要性低估了，严格地说，为对抗电磁干扰，在设备已安装后，采取补救的措施通常是很难见效的。

500KVAR SVG的最终成功的运行要归功于采用了硬件互锁装置和“自动重合闸”。

此外，如果SVG容量相对#2电弧炉的5MVA的变压器足够大，也无须用“自动重合闸”。另一件事，就是应该使采样频率大于每秒300次，加快软件过电流限制的动作速度，这是值得进一步探讨的。

参考文献：

[1]陈贤明，许和平，王小红等“±500KVAR静止无功发生器研制”。

电力系统自动化，2001，25(24):54～57页。

[2] Chen Xianming  et  al “Design Considerations and test results of a new 500 kvar  Static Var Generator”  Proceedings of International Conference on Power Systems,(ICPS’2001) CIGRE pp202-207.Sept. 3-5,2001    Wuhan, China

[3] Njils Hardt et al ”Overvoltages in secondary Circuits of Medium-Voltage switchgear Generated by Multiple Reignitions of circuit breakers”  pp510-515  IEEE Transactions on EMC

Vol.41  No.4,  November  1999