麻江帆, 崔勇，袁海文，趙明敏，楊志超，陸家榆

1. 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191

2. 中國電力科學(xué)研究院，北京 100192

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特高壓輸電線路復(fù)雜環(huán)境中電場測量系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計

麻江帆1, 崔勇1，袁海文1，趙明敏2，楊志超2，陸家榆2

1. 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191

2. 中國電力科學(xué)研究院，北京 100192

摘要：隨著特高壓直流輸電線路的建設(shè)，地面電場測量系統(tǒng)的使用越來越廣泛。然而，線路周邊復(fù)雜的電磁環(huán)境導(dǎo)致電場測量系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的電磁兼容性問題?；陔妶鰷y量系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際工作情況，實(shí)現(xiàn)了屏蔽、接地、濾波及隔離等電磁兼容性設(shè)計。最后，通過輻射發(fā)射試驗(yàn)、傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)、輻射抗擾度試驗(yàn)、磁場類抗擾度試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)及電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)驗(yàn)證了電場測量系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計的有效性。

關(guān)鍵詞：電場測量系統(tǒng)；電磁干擾；電磁兼容性；電磁屏蔽；電磁干擾濾波

袁海文(1968-), 男，教授，博士.

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的日益增長，現(xiàn)有輸電線路已難以滿足各領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨?。建設(shè)特高壓直流輸電線路是實(shí)現(xiàn)我國能源資源優(yōu)化配置、提高電力能源利用效率的基本途徑之一[1-2]。輸電線路的不斷增加和輸電電壓等級的不斷提高，導(dǎo)致了輸電線路和設(shè)備周圍的電磁場強(qiáng)度增大，電磁環(huán)境惡化[3]。輸電線路下的電磁環(huán)境參數(shù)主要包括合成電場、離子流密度、磁場、可聽噪聲和無線電干擾[4]。其中，電場強(qiáng)度對于輸電線路周邊群眾的生活以及輸電線路設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)行有著重要的影響。

電場測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于特高壓直流輸電線、特高壓試驗(yàn)基地、變電站及換流站。目前，特高壓直流輸電實(shí)際運(yùn)行線路電壓最高可達(dá)±800 kV，試驗(yàn)線路電壓最高可達(dá)±1 100 kV，地面電場強(qiáng)度最高可達(dá)±50 kV/m。此外，在特高壓直流輸電線下采用多套設(shè)備近距離放置的分布式測量方式進(jìn)行測量。因此，設(shè)備除了受到復(fù)雜的電磁環(huán)境干擾外，還有可能與鄰近設(shè)備相互影響。

為了保證系統(tǒng)能夠在復(fù)雜環(huán)境下正常運(yùn)行且不對其他設(shè)備產(chǎn)生較大干擾，需要進(jìn)行電場測量系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計研究。電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力[5]。文中對電場測量系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽、接地、EMI濾波及隔離等設(shè)計后，在中國電力科學(xué)研究院電磁兼容實(shí)驗(yàn)室對電場測量系統(tǒng)進(jìn)行一系列電磁兼容性試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計的可行性。

1電場測量系統(tǒng)

電場測量系統(tǒng)通常采用如圖1所示的分布式測量方式[6]。傳統(tǒng)的電場測量系統(tǒng)采用有線方式連接，進(jìn)行分布式測量時具有布線工作量大、成本高、不靈活等缺陷。無線傳感器因網(wǎng)絡(luò)成本低、組網(wǎng)靈活、性能可靠等特點(diǎn)使得其應(yīng)用范圍十分廣泛[7]?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電場測量系統(tǒng)大大減少了布線工作量，在多套設(shè)備同時測量時工作效率明顯提高[8]。電場測量系統(tǒng)由場磨式電場傳感器和數(shù)據(jù)采集終端組成，兩者之間通過信號連接線進(jìn)行供電及信號傳輸。

圖1　特高壓直流輸電線下分布式測量系統(tǒng)

電場測量系統(tǒng)的工作流程為：1)場磨式電場傳感器通過旋轉(zhuǎn)葉片獲取電場強(qiáng)度，并將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓；2)通過信號連接線傳送信號到數(shù)據(jù)采集終端；3)由數(shù)據(jù)采集終端處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，顯示在液晶顯示屏上并通過無線傳輸模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理和存儲。電場測量系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需求選擇電池供電或電源供電2種供電方式。圖2是電場測量系統(tǒng)的原理圖。

圖2　電場測量系統(tǒng)原理圖

2電場測量系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計

2.1電場測量系統(tǒng)屏蔽設(shè)計

設(shè)備經(jīng)過電磁屏蔽處理后，可用金屬隔離來阻斷電磁干擾傳播的方法可有效防止靜電干擾和輻射干擾。屏蔽體的屏蔽效果由屏蔽體對電磁場強(qiáng)度削弱的程度決定，通常用屏蔽效能來度量。屏蔽效能定義為電磁場中同一地點(diǎn)無屏蔽存在時的電磁場強(qiáng)度與加屏蔽體后的電磁場強(qiáng)度之比[9]，屏蔽效能的公式為

(1)

式中：SE為屏蔽效能；E0為無屏蔽時的電場強(qiáng)度；ES為加屏蔽時的電場強(qiáng)度。

屏蔽效能還可由吸收損耗A、反射損耗R及多次反射損耗B表示：

(2)

對吸收損耗A=e(k-k0)t進(jìn)行指數(shù)項(xiàng)簡化后，得式(3)，同時得反射損耗R及多次反射損耗B為

(3)

(4)

(5)

式中：t為屏蔽體厚度，mm；δ為集膚深度；Zm為金屬材料波阻抗；Zw為自由空間波阻抗。

場磨式電場傳感器使用接地的鋼外殼。這種設(shè)計可在保證測量可靠性的同時，滿足電磁屏蔽的需求。在某些情況下，工作人員要對數(shù)據(jù)采集終端手持式操作，因此數(shù)據(jù)采集終端的電磁兼容性設(shè)計要兼顧可靠性與輕便性。考慮到塑料具有加工工藝性能好、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，采用塑料材質(zhì)外殼。對于塑料外殼，最簡單有效且易于實(shí)現(xiàn)的屏蔽方式是使用金屬銅箔。由于銅箔導(dǎo)電層很薄，因此吸收損耗可忽略不計，反射損耗起主要屏蔽作用，且多次反射損耗不能完全忽略。實(shí)際使用的銅箔厚25 μm，電阻為0.5Ω/mm2。按照上述屏蔽效能公式可得其完整屏蔽效能為105～182 dB(1 MHz ～1 GHz)。由于數(shù)據(jù)采集終端上有開關(guān)等造成的縫隙，所以實(shí)際屏蔽效能會降低。

屏蔽線的屏蔽效能主要不是由反射和吸收達(dá)到的，而是由屏蔽層接地達(dá)到的[10]。對屏蔽線兩端良好接地，可以將干擾直接短路至地，而不進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)屏蔽作用。場磨式電場傳感器和數(shù)據(jù)采集終端間的信號連接線使用屏蔽線，并在兩端良好接地，可以有效防止干擾通過信號連接線影響設(shè)備。

2.2EMI濾波器設(shè)計

EMI濾波電路可以有效抑制傳導(dǎo)干擾，在電磁波的傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續(xù)，將電磁波中的大部分能量反射回源處[10]。電場測量系統(tǒng)中長達(dá)2 m的信號連接線可能會成為干擾的接收器或發(fā)射器。使用電源適配器供電時，可能有來自電源以及電源適配器導(dǎo)線耦合的干擾。因此，在信號連接線兩端以及適配器端口設(shè)計相應(yīng)的EMI濾波電路，可以有效降低干擾影響。

鐵氧體具有簡單方便、效果好、性價比高、占用空間小等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以構(gòu)成吸收式低通濾波器。當(dāng)高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量會以熱的形式耗散掉[11]。在信號連接線兩端設(shè)置鐵氧體磁環(huán)，可將線上的大量電磁干擾能量吸收并轉(zhuǎn)化為熱損耗，從而阻止干擾進(jìn)入設(shè)備。

考慮到設(shè)備內(nèi)部空間較小，較復(fù)雜的濾波器并不合適，因此主要采用濾波電路結(jié)合外置鐵氧體的方案設(shè)計濾波器。信號傳輸線中傳輸?shù)男盘柺歉唠娖侥M信號，對干擾不是很敏感，而選用的電源適配器本身就有抗干擾設(shè)計，具備一定的抗干擾能力。因此，采用100、220 μF電容和100、220 μH電感構(gòu)成的四級Butterworth濾波電路可以達(dá)到理論上60 dB以上的衰減。在傳輸線中的供電線路兩端使用DC-DC隔離模塊手冊推薦的簡單EMI電路就可以達(dá)到較好的EMI濾波效果。

2.3接地與隔離設(shè)計

良好的接地系統(tǒng)是一種低成本的電磁兼容處理方式。對于設(shè)備的金屬外殼來說，良好的接地可以提供迅速泄放干擾的通道。對于內(nèi)部電路來說，在模擬及數(shù)字電路之間設(shè)置合適的參考連接能有效抑制干擾影響。對電場測量系統(tǒng)的外殼及信號連接線兩端設(shè)計良好的接地，可以給各類干擾提供泄放通道。因此，將各線路端口的金屬外殼直接與設(shè)備外殼良好連接，實(shí)現(xiàn)干擾泄放通道的設(shè)置。

通過隔離元件把噪聲干擾的路徑切斷，可以達(dá)到抑制干擾的效果[12]。系統(tǒng)采用6 V電源供電，要使用DC-DC模塊為ARM及其他核心器件供電。普通的DC-DC芯片不具備隔離電壓、抗靜電及自恢復(fù)能力，極易受干擾影響。因此，系統(tǒng)選用了隔離型DC-DC電源模塊，可以有效保護(hù)核心敏感電路免受高電壓大電流的損害。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，選擇使用WRF0505P及B0503D隔離DC-DC電源模塊提高核心敏感電路的抗干擾能力。其中，WRF0505P具有隔離電壓3 000 V DC以及可持續(xù)短路保護(hù)及自恢復(fù)能力；B0503D具有抗靜電±8 kV、隔離電壓1 500 V DC、輸出短路保護(hù)及自恢復(fù)功能。

綜合以上各項(xiàng)設(shè)計，得到圖3的電場測量系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計圖。

圖3　電場測量系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計

3電場測量系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證上述電場測量系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計的有效性，在國家電網(wǎng)中國電力科學(xué)研究院電磁兼容實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列電磁兼容性驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1輻射發(fā)射試驗(yàn)

在電場測量系統(tǒng)的使用中，不僅要保證系統(tǒng)受其他設(shè)備干擾時能正常工作，而且要防止系統(tǒng)對鄰近設(shè)備產(chǎn)生干擾。圖4為在10 m法全/半電波暗室進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)的現(xiàn)場圖。受試設(shè)備(equipment under test，EUT)所處轉(zhuǎn)臺可360o轉(zhuǎn)動，天線可升降幅度為1 ～ 4 m，可測量水平和垂直2種天線極化方向。

圖4　輻射發(fā)射試驗(yàn)現(xiàn)場

該試驗(yàn)采用GB4824標(biāo)準(zhǔn)，1組A類設(shè)備測試距離為10 m時在30 ～ 230 MHz頻段限值為40 dBμV/m，在230 MHz ～ 1 GHz頻段限值為47 dBμV/m[13]。

圖5　輻射發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果

從圖5的試驗(yàn)結(jié)果圖中可以看出，水平及垂直2種極化方向的測試結(jié)果均未超過限值，表明電場測量系統(tǒng)可通過輻射發(fā)射試驗(yàn)，在工作時不會對鄰近設(shè)備產(chǎn)生較大的輻射干擾。

3.2傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)

圖6　傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)現(xiàn)場

使用電源適配器供電的設(shè)備可能通過電源線向電網(wǎng)進(jìn)行過大的傳導(dǎo)發(fā)射，影響電網(wǎng)穩(wěn)定及其他設(shè)備的工作。圖6為進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射的試驗(yàn)現(xiàn)場圖，試驗(yàn)設(shè)備為羅德施瓦茨的EMC測試系統(tǒng)。傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)遵循CISPR11標(biāo)準(zhǔn)，測試范圍為150 kHz ～ 30 MHz，1組A類設(shè)備在150 ～ 500 kHz頻段準(zhǔn)峰值限值為79 dBμV/m，均值限值為66 dBμV/m；在500 kHz ～ 30 MHz頻段準(zhǔn)峰值限值為73 dBμV/m，均值限值為60 dBμV/m[13]。

圖7　傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果

從圖7的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，準(zhǔn)峰值(QP)及均值(AV)均未超過限值，表示電場測量系統(tǒng)不會通過電源線對電網(wǎng)進(jìn)行過大的傳導(dǎo)發(fā)射。對于高頻段出現(xiàn)的較大的傳導(dǎo)電平，可以通過在電源線上增加鐵氧體來解決，從而進(jìn)一步提高試驗(yàn)等級。

3.3輻射抗擾度試驗(yàn)

在電場測量系統(tǒng)的實(shí)際工作中，經(jīng)常會受到來自移動電話、無線電臺等電磁輻射源以及電焊機(jī)、發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的寄生輻射的影響。為了保證電場測量系統(tǒng)在遭受較高強(qiáng)度輻射干擾時正常工作，在如圖8所示的3 m法全/半電波暗室進(jìn)行輻射抗擾度試驗(yàn)。本輻射抗擾度試驗(yàn)采用GB17626.3-2006標(biāo)準(zhǔn)[14]。電場測量系統(tǒng)在試驗(yàn)強(qiáng)度為3 V/m及5 V/m時均正常工作，具有一定的抗輻射干擾能力，能夠滿足實(shí)際使用需求。未達(dá)到10 V/m的水平，主要是因?yàn)槠帘瓮鈿ど嫌邪存I孔、接口等孔隙，所以屏蔽效果有限。

圖8　輻射抗干擾試驗(yàn)現(xiàn)場圖

3.4其他試驗(yàn)

靜電放電電流具有很高的幅度和很短的上升沿，會產(chǎn)生強(qiáng)度大、頻譜寬的電磁場來干擾設(shè)備[15]。為了保護(hù)設(shè)備免受人體對物體或2個物體接近所引起的靜電高壓放電導(dǎo)致的設(shè)備故障甚至損壞，需要通過靜電放電抗擾度試驗(yàn)來評估設(shè)備遭受靜電放電時的性能。試驗(yàn)中，接觸放電電壓為±4 kV時，液晶屏有輕微閃爍，其他一切工作正常；空氣放電電壓為±4 kV時，系統(tǒng)工作一切正常。試驗(yàn)結(jié)果表明，電場測量系統(tǒng)能夠承受一定程度的靜電放電，滿足設(shè)計需求。

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)由切換瞬態(tài)過程引起的瞬態(tài)脈沖群對在同一電路中工作的電場測量系統(tǒng)的干擾狀況。電快速瞬變脈沖群持續(xù)時間為15 ms，脈沖群間隔為300 ms，單個脈沖持續(xù)時間為50 ns，脈沖上升沿5 ns，脈沖重復(fù)率為5 kHz或100 kHz[16]。電快速瞬變脈沖群一般不會造成設(shè)備損壞，但脈沖群對裝置中半導(dǎo)體器件結(jié)電容充電到一定程度時，便會引起裝置的誤動作[17]。使用耦合夾對信號連接線施加±1 kV試驗(yàn)電壓時，兩端良好接地的屏蔽信號連接線為干擾提供了迅速泄放的通道，因此系統(tǒng)基本不受影響，可以正常工作。

電場測量系統(tǒng)在工作時，工作環(huán)境中的磁場可能影響系統(tǒng)的正常工作。常見的磁場有工頻磁場、脈沖磁場及阻尼震蕩磁場。工頻磁場是由導(dǎo)體中的工頻電流產(chǎn)生的[18]。脈沖磁場是由雷擊建筑物和其他金屬架構(gòu)以及由在低壓、中壓和高壓電力系統(tǒng)中故障的起始暫態(tài)產(chǎn)生的[19]。阻尼震蕩磁場是由隔離刀閘切合高壓母線時產(chǎn)生的[20]。電場測量系統(tǒng)在30 A/m的穩(wěn)定工頻磁場試驗(yàn)、1 000 A/m的短時工頻磁場試驗(yàn)、100 A/m的阻尼磁場試驗(yàn)及1 000 A/m脈沖磁場試驗(yàn)中均正常工作，達(dá)到了較高的磁場類抗干擾水平。

4結(jié)束語

電場測量系統(tǒng)工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，為保證電場測量系統(tǒng)不受外界干擾影響、正常工作的同時不對鄰近設(shè)備產(chǎn)生干擾，進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計。文中從電場測量系統(tǒng)的使用需求出發(fā)，對系統(tǒng)中易受電磁干擾影響的部分進(jìn)行了分析研究后，進(jìn)行了屏蔽、接地、隔離及EMI濾波等電磁兼容性設(shè)計。在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用之后，通過傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)、輻射發(fā)射試驗(yàn)、輻射抗擾度試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)及磁場類抗擾度試驗(yàn)等一系列電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證了電場測量系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計的有效性。 經(jīng)過電磁兼容設(shè)計后的電場測量設(shè)備既不易受外界電磁干擾影響，又不會對鄰近設(shè)備產(chǎn)生較大干擾，可以滿足實(shí)際使用中的電磁兼容性需求。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.u.20151205.1506.004.html

Desion of electromagnetic compatibility for electric field

measurement system in complex environment of UHV transmission lines

MA Jiangfan1，CUI Yong1，YUAN Haiwen1，ZHAO Mingmin2，YANG Zhichao2，LU Jiayu2

1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China

2. China Electrical Power Research Institute, Beijing 100192, China

Abstract：With the construction of the ultra high voltage direct current(UHVDC) transmission lines, the ground electric field measurement system is more and more widely used. However, the complex electromagnetic environment of UHVDC transmission lines around the circuit results in the systems facing the grim problem of electromagnetic compatibility. Based on the principle and structure of the electric field measurement system, combining with the actual working situation, the shielding, grounding, wave filtering, isolation and other electromagnetic design are realized. Finally, by using radiation emission test, conducted emission test, radiation immunity test, magnetic field immunity tests, electrostatic discharge immunity test and electrical fast transient immunity test, this paper verifies effectiveness of the electromagnetic compatibility design of the electrical field measurement system.

Keywords：electric field measurement system; electromagnetic interference; electromagnetic compatibility (EMC); electromagnetic shielding; electromagnetic interference wave filtering

通信作者：麻江帆，E-mail：majiangfan1@163.com.

作者簡介：麻江帆(1990-), 男，碩士研究生；

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273165)；北京航空航天大學(xué)基本科研資助項(xiàng)目(YWF-14-ZDHXY-013).

收稿日期：2015-04-17.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-12-05.

中圖分類號：TM937

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-671X(2015)06-015-05

doi:10.11991/yykj.201504018