特高壓輸電線路復雜環境中電場測量系統的電磁兼容設計

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 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191

2. 中國電力科學研究院，北京 100192

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特高壓輸電線路復雜環境中電場測量系統的電磁兼容設計

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 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191

2. 中國電力科學研究院，北京 100192

摘要：隨著特高壓直流輸電線路的建設，地面電場測量系統的使用越來越廣泛。然而，線路周邊復雜的電磁環境導致電場測量系統面臨著嚴峻的電磁兼容性問題。基于電場測量系統的原理和結構，結合實際工作情況，實現了屏蔽、接地、濾波及隔離等電磁兼容性設計。最后，通過輻射發射試驗、傳導發射試驗、輻射抗擾度試驗、磁場類抗擾度試驗、靜電放電抗擾度試驗及電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗驗證了電場測量系統電磁兼容性設計的有效性。

關鍵詞：電場測量系統；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.

隨著我國國民經濟的日益增長，現有輸電線路已難以滿足各領域對電力的需求。建設特高壓直流輸電線路是實現我國能源資源優化配置、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，導致了輸電線路和設備周圍的電磁場強度增大，電磁環境惡化[3]。輸電線路下的電磁環境參數主要包括合成電場、離子流密度、磁場、可聽噪聲和無線電干擾[4]。其中，電場強度對于輸電線路周邊群眾的生活以及輸電線路設計、建設和運行有著重要的影響。

電場測量系統廣泛應用于特高壓直流輸電線、特高壓試驗基地、變電站及換流站。目前，特高壓直流輸電實際運行線路電壓最高可達±800 kV，試驗線路電壓最高可達±1 100 kV，地面電場強度最高可達±50 kV/m。此外，在特高壓直流輸電線下采用多套設備近距離放置的分布式測量方式進行測量。因此，設備除了受到復雜的電磁環境干擾外，還有可能與鄰近設備相互影響。

為了保證系統能夠在復雜環境下正常運行且不對其他設備產生較大干擾，需要進行電場測量系統的電磁兼容設計研究。電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力[5]。文中對電場測量系統進行屏蔽、接地、EMI濾波及隔離等設計后，在中國電力科學研究院電磁兼容實驗室對電場測量系統進行一系列電磁兼容性試驗來驗證設計的可行性。

1電場測量系統

電場測量系統通常采用如圖1所示的分布式測量方式[6]。傳統的電場測量系統采用有線方式連接，進行分布式測量時具有布線工作量大、成本高、不靈活等缺陷。無線傳感器因網絡成本低、組網靈活、性能可靠等特點使得其應用范圍十分廣泛[7]。基于無線傳感器網絡的電場測量系統大大減少了布線工作量，在多套設備同時測量時工作效率明顯提高[8]。電場測量系統由場磨式電場傳感器和數據采集終端組成，兩者之間通過信號連接線進行供電及信號傳輸。

圖1　特高壓直流輸電線下分布式測量系統

電場測量系統的工作流程為：1)場磨式電場傳感器通過旋轉葉片獲取電場強度，并將其轉換為模擬電壓；2)通過信號連接線傳送信號到數據采集終端；3)由數據采集終端處理轉換為數字信號后，顯示在液晶顯示屏上并通過無線傳輸模塊發送至上位機進行處理和存儲。電場測量系統可根據實際需求選擇電池供電或電源供電2種供電方式。圖2是電場測量系統的原理圖。

圖2　電場測量系統原理圖

2電場測量系統的電磁兼容性設計

2.1電場測量系統屏蔽設計

設備經過電磁屏蔽處理后，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無屏蔽存在時的電磁場強度與加屏蔽體后的電磁場強度之比[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度；ES為加屏蔽時的電場強度。

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進行指數項簡化后，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，工作人員要對數據采集終端手持式操作，因此數據采集終端的電磁兼容性設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、質量輕等優點，采用塑料材質外殼。對于塑料外殼，最簡單有效且易于實現的屏蔽方式是使用金屬銅箔。由于銅箔導電層很薄，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)。由于數據采集終端上有開關等造成的縫隙，所以實際屏蔽效能會降低。

屏蔽線的屏蔽效能主要不是由反射和吸收達到的，而是由屏蔽層接地達到的[10]。對屏蔽線兩端良好接地，可以將干擾直接短路至地，而不進入到設備內部，實現屏蔽作用。場磨式電場傳感器和數據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備。

2.2EMI濾波器設計

EMI濾波電路可以有效抑制傳導干擾，在電磁波的傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續，將電磁波中的大部分能量反射回源處[10]。電場測量系統中長達2 m的信號連接線可能會成為干擾的接收器或發射器。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線耦合的干擾。因此，在信號連接線兩端以及適配器端口設計相應的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點，可以構成吸收式低通濾波器。當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置鐵氧體磁環，可將線上的大量電磁干擾能量吸收并轉化為熱損耗，從而阻止干擾進入設備。

考慮到設備內部空間較小，較復雜的濾波器并不合適，因此主要采用濾波電路結合外置鐵氧體的方案設計濾波器。信號傳輸線中傳輸的信號是高電平模擬信號，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電感構成的四級Butterworth濾波電路可以達到理論上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電路就可以達到較好的EMI濾波效果。

2.3接地與隔離設計

良好的接地系統是一種低成本的電磁兼容處理方式。對于設備的金屬外殼來說，良好的接地可以提供迅速泄放干擾的通道。對于內部電路來說，在模擬及數字電路之間設置合適的參考連接能有效抑制干擾影響。對電場測量系統的外殼及信號連接線兩端設計良好的接地，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備外殼良好連接，實現干擾泄放通道的設置。

通過隔離元件把噪聲干擾的路徑切斷，可以達到抑制干擾的效果[12]。系統采用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、抗靜電及自恢復能力，極易受干擾影響。因此，系統選用了隔離型DC-DC電源模塊，可以有效保護核心敏感電路免受高電壓大電流的損害。根據系統實際情況，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以及可持續短路保護及自恢復能力；B0503D具有抗靜電±8 kV、隔離電壓1 500 V DC、輸出短路保護及自恢復功能。

綜合以上各項設計，得到圖3的電場測量系統的電磁兼容性設計圖。

圖3　電場測量系統電磁兼容設計

3電場測量系統的電磁兼容設計試驗及分析

為了驗證上述電場測量系統的電磁兼容性設計的有效性，在國家電網中國電力科學研究院電磁兼容實驗室進行了一系列電磁兼容性驗證試驗。

3.1輻射發射試驗

在電場測量系統的使用中，不僅要保證系統受其他設備干擾時能正常工作，而且要防止系統對鄰近設備產生干擾。圖4為在10 m法全/半電波暗室進行輻射發射試驗的現場圖。受試設備(equipment under test，EUT)所處轉臺可360o轉動，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　輻射發射試驗現場

該試驗采用GB4824標準，1組A類設備測試距離為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　輻射發射試驗結果

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

3.2傳導發射試驗

圖6　傳導發射試驗現場

使用電源適配器供電的設備可能通過電源線向電網進行過大的傳導發射，影響電網穩定及其他設備的工作。圖6為進行傳導發射的試驗現場圖，試驗設備為羅德施瓦茨的EMC測試系統。傳導發射試驗遵循CISPR11標準，測試范圍為150 kHz ～ 30 MHz，1組A類設備在150 ～ 500 kHz頻段準峰值限值為79 dBμV/m，均值限值為66 dBμV/m；在500 kHz ～ 30 MHz頻段準峰值限值為73 dBμV/m，均值限值為60 dBμV/m[13]。

圖7　傳導發射試驗結果

從圖7的試驗結果可以看出，準峰值(QP)及均值(AV)均未超過限值，表示電場測量系統不會通過電源線對電網進行過大的傳導發射。對于高頻段出現的較大的傳導電平，可以通過在電源線上增加鐵氧體來解決，從而進一步提高試驗等級。

3.3輻射抗擾度試驗

在電場測量系統的實際工作中，經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、發動機工作時產生的寄生輻射的影響。為了保證電場測量系統在遭受較高強度輻射干擾時正常工作，在如圖8所示的3 m法全/半電波暗室進行輻射抗擾度試驗。本輻射抗擾度試驗采用GB17626.3-2006標準[14]。電場測量系統在試驗強度為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，能夠滿足實際使用需求。未達到10 V/m的水平，主要是因為屏蔽外殼上有按鍵孔、接口等孔隙，所以屏蔽效果有限。

圖8　輻射抗干擾試驗現場圖

3.4其他試驗

靜電放電電流具有很高的幅度和很短的上升沿，會產生強度大、頻譜寬的電磁場來干擾設備[15]。為了保護設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致的設備故障甚至損壞，需要通過靜電放電抗擾度試驗來評估設備遭受靜電放電時的性能。試驗中，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，系統工作一切正常。試驗結果表明，電場測量系統能夠承受一定程度的靜電放電，滿足設計需求。

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗主要是檢驗由切換瞬態過程引起的瞬態脈沖群對在同一電路中工作的電場測量系統的干擾狀況。電快速瞬變脈沖群持續時間為15 ms，脈沖群間隔為300 ms，單個脈沖持續時間為50 ns，脈沖上升沿5 ns，脈沖重復率為5 kHz或100 kHz[16]。電快速瞬變脈沖群一般不會造成設備損壞，但脈沖群對裝置中半導體器件結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，因此系統基本不受影響，可以正常工作。

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

4結束語

電場測量系統工作在復雜的電磁環境中，為保證電場測量系統不受外界干擾影響、正常工作的同時不對鄰近設備產生干擾，進行了電磁兼容設計。文中從電場測量系統的使用需求出發，對系統中易受電磁干擾影響的部分進行了分析研究后，進行了屏蔽、接地、隔離及EMI濾波等電磁兼容性設計。在進行實際應用之后，通過傳導發射試驗、輻射發射試驗、輻射抗擾度試驗、靜電放電抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗及磁場類抗擾度試驗等一系列電磁兼容性試驗驗證了電場測量系統的電磁兼容設計的有效性。 經過電磁兼容設計后的電場測量設備既不易受外界電磁干擾影響，又不會對鄰近設備產生較大干擾，可以滿足實際使用中的電磁兼容性需求。

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網絡出版地址：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；

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

收稿日期：2015-04-17.網絡出版日期：2015-12-05.

中圖分類號：TM937

文獻標志碼：A

文章編號：1009-671X(2015)06-015-05

doi:10.11991/yykj.201504018