输电线路行波故障监测装置电磁干扰来源分析

输电线路是电力系统能量传输的核心载体，其运行稳定性直接关系到整个电网的供电可靠性。当输电线路发生短路、接地等故障时，快速精准定位故障点能够大幅缩短停电抢修时间，降低故障带来的经济损失与社会影响。行波故障监测技术凭借响应速度快、定位精度高的优势，已经成为当前输电线路故障定位领域的主流技术方案之一，各类行波故障监测装置也被广泛部署在不同电压等级的输电线路节点中。但输电线路运行环境复杂，装置本身长期处于强电磁环境中，各类电磁干扰会直接影响装置采集信号的准确性，严重时甚至会导致装置误判、漏判故障信息，影响故障定位结果的可靠性。因此，明确输电线路行波故障监测装置的电磁干扰来源，是后续开展抗干扰设计、提升装置运行稳定性的基础前提。
从电磁干扰的产生源头分类来看，输电线路行波故障监测装置受到的干扰可以分为自然环境干扰、电力系统本身的强电磁干扰、装置周边外部设备干扰以及装置内部干扰四大类，不同类型干扰的产生机理与影响特征存在明显差异。

一、自然环境带来的电磁干扰
自然环境中存在的多种电磁信号都会对行波故障监测装置的正常运行产生干扰，其中影响突出的是雷电电磁脉冲干扰。雷电是自然界中强度极高的放电现象，一次雷电放电过程会产生从低频到高频的宽频谱电磁辐射，其辐射能量能够覆盖行波故障监测装置常用的信号采集频段。当雷电击落在输电线路附近或者直接击中线路杆塔时，不仅会在输电线路上产生感应过电压，还会通过空间耦合的方式将强电磁脉冲传入行波故障监测装置的信号采集模块。除了雷电之外，空间中存在的宇宙射线电磁辐射、晴天大气电场波动以及极端天气下的静电感应，也会产生持续的低强度电磁干扰，这类干扰虽然强度不高，但长期存在会抬高装置采集信号的噪声基底，降低行波信号的信噪比，同样会对装置的信号识别精度产生负面影响。
自然环境中还有一类容易被忽视的干扰来自于地质环境的变化，当输电线路沿线发生地磁扰动的时候，地磁场的快速变化会在输电线路以及装置的接地回路中感应出低频电流，这类低频干扰会叠加在行波采集信号上，对低频段的行波特征提取产生干扰。尤其是针对长距离高压直流输电线路的行波监测，这类地磁感应低频干扰的影响会更加明显。
二、电力系统本身产生的强电磁干扰
行波故障监测装置直接部署在输电线路杆塔或者变电站周边，电力系统运行过程中本身产生的各类电磁活动是装置受到干扰的主要来源，这类干扰强度大、发生频率高，对装置的影响也直接。
1. 开关操作产生的电磁瞬态干扰
电力系统中断路器、隔离开关的日常操作是常见的强电磁干扰来源。当变电站内进行隔离开关开合空载母线或者空载线路操作时，会产生非常陡峭的瞬态电磁脉冲，这类脉冲的上升时间可以达到纳秒级，频谱覆盖范围从直流一直到数百MHz，刚好覆盖行波故障监测装置的信号采集频段。操作过程中产生的瞬态电磁脉冲一方面会通过空间辐射耦合进入装置的信号线缆与采集单元，另一方面会通过接地网的公共阻抗耦合到装置的电源回路，导致装置采集信号出现大幅毛刺，甚至会造成装置的暂时性死机。对于部署在变电站出线杆塔上的行波故障监测装置，这类开关操作电磁瞬态干扰的发生频率很高，每次操作都会对装置产生一次强干扰冲击。
2. 输电线路正常运行产生的工频干扰
输电线路正常运行时本身会携带50Hz的工频高压电流，电流产生的工频电磁场会持续对周边的行波故障监测装置产生干扰。行波故障监测装置一般通过电流互感器或者 rogowski线圈采集行波信号，采集线圈本身除了感应行波电流信号之外，也会感应到工频电流产生的磁场，在采集信号中会叠加很强的工频干扰分量。虽然装置可以通过滤波电路滤除大部分工频干扰，但工频干扰的幅值远大于行波信号，残余的工频干扰仍然会影响装置对行波信号起始点的识别，尤其是对于高阻故障产生的弱幅值行波信号，工频干扰很容易将真实行波信号淹没。此外，当输电线路负载出现大范围波动时，工频电流的幅值也会随之变化，会导致工频干扰的强度出现波动，进一步增加了装置滤除干扰的难度。
3. 电晕放电与局部放电干扰
高压输电线路在恶劣天气条件下，比如大雾、雨雪天气，导线表面的电场强度超过临界值之后会产生电晕放电现象。电晕放电是一种持续的脉冲放电过程，会产生宽频带的电磁辐射，其辐射频率集中在几MHz到几十MHz之间，同样和行波信号的采集频段重合，会在装置采集信号中产生持续的脉冲型噪声。对于运行年限较长的输电线路，导线表面出现磨损、腐蚀之后，电晕放电的强度会进一步提升，干扰也会更加明显。除了导线电晕之外，输电线路上的劣化绝缘子会产生局部放电，变电站内高压设备的局部放电也会产生电磁脉冲，这类放电产生的电磁信号同样会耦合到行波监测装置中，造成误触发，导致装置将放电脉冲误判为故障行波信号，生成错误的故障记录。
4. 接地系统带来的共模干扰
行波故障监测装置都需要可靠接地来保证人员安全与装置稳定运行，当输电线路发生接地故障或者系统存在不对称运行状态时，接地网中会流过较大的接地故障电流，导致不同接地点之间产生电位差。行波监测装置的信号采集单元一般布置在杆塔上，数据处理单元有时候会布置在变电站侧，信号传输线缆两端分别连接两个存在电位差的接地点，就会在信号回路中产生共模干扰。这种共模干扰的幅值很大，能够直接改变信号的基线水平，严重时会损坏装置的采集模块。即使装置采用单端接地的接线方式，接地电位差产生的共模干扰仍然会通过寄生电容耦合到信号回路中，对采集信号产生影响。
三、周边外部设备的电磁干扰
除了电力系统本身之外，行波故障监测装置周边存在的其他电子电气设备也会产生各类电磁干扰，影响装置的正常运行。当前输电线路沿线会部署大量的通信设备，比如电力系统专用的光纤通信设备、无线专网基站，还有部分沿线公共通信基站的信号发射装置，这些设备都会持续发射特定频率的无线电磁信号，当这些信号的频率落在行波装置的采集频段内时，就会通过耦合进入采集回路，产生固定频率的窄带干扰。例如部分部署在2G/4G基站附近的行波装置，会受到基站信号的窄带干扰，在采集信号中形成固定频率的正弦干扰分量，影响行波信号的特征提取。
输电线路沿线常有的工业设备也是重要的干扰来源，部分输电线路会靠近工矿企业厂区，企业内部的高频加热设备、电焊机、变频器等电力电子设备运行过程中会产生大量的谐波与电磁辐射，这些电磁能量会通过空间或者线路耦合到行波监测装置中，产生不规则的脉冲干扰。还有部分山区输电线路沿线会部署森林防火的视频监控设备，这些监控设备的无线传输模块也会产生电磁辐射，对附近的行波监测装置产生干扰。此外，当前无人机巡检已经成为输电线路日常运维的常规方式，无人机靠近行波监测装置的时候，无人机的动力电机与图传传输模块也会产生瞬时的电磁干扰，虽然持续时间短，但如果刚好发生在故障行波产生的时间段，也会影响装置对故障信号的采集。
四、装置自身内部产生的电磁干扰
电磁干扰不全部来自外部，行波故障监测装置内部电路的元器件也会产生各类内部干扰，这类干扰容易被忽视，但同样会影响装置的采集精度。装置内部的电源模块是内部干扰的主要来源，当前行波装置大多采用开关电源进行电压转换，开关电源的开关过程会产生高频开关噪声，这些噪声会通过电源线路耦合到信号采集模块，叠加在行波采集信号上，形成高频干扰。如果电源模块的滤波设计不合理，这类开关噪声的强度会更大，对信号的影响也更明显。
此外，装置内部不同功能模块之间也会产生相互干扰，比如数据处理单元的数字电路在运行过程中会产生时钟信号，时钟信号的高次谐波会通过寄生电容耦合到模拟采集电路中，对模拟采集信号产生干扰。采集电路本身的电子元器件也会产生热噪声，热噪声是一种宽频的随机噪声，会抬高采集信号的噪声基底，降低信号的信噪比，尤其是在环境温度变化较大的户外场景，元器件的热噪声强度会随温度升高而增大，对装置采集精度的影响也会更加明显。还有部分装置采用有线方式传输采集信号，信号线缆的屏蔽层接地不合理，也会导致内部不同线路之间产生串扰，数字信号的跳变会串扰到模拟采集线路，产生干扰脉冲。