高壓電氣設備一體化試驗裝置研究

國網吉林省電力有限公司長春供電公司 翟永杰 高 晗

電磁干擾問題是影響高壓電氣設備的一體化試驗裝置檢測誤差的重要影響因素，隨著電氣設備設計復雜度不斷增加，使得一些電氣設備出現電磁干擾的強度與頻率逐漸增加，這使得一體化試驗裝置的檢測效果會受到極大的影響。為此，本文將針對該問題進行深入研究，明確造成該現象的主要機理問題，以期為相關單位或人員提供幫助。

1 裝置干擾狀況分析

電磁兼容問題是現階段高于電氣設備便攜式一體化試驗裝置設計面臨的一大難題。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）對其定義為：電氣設備或系統在所處的電磁環境下可以正常工作，同時并不能夠對其它設備或系統造成干擾[1]。對此，研究電磁干擾對一體化試驗裝置的抑制作用需要深入了解其出現的前提，即明確電磁干擾的來源并分析出高壓電氣裝置電磁干擾的狀況。另外，若電磁干擾存在一定的歸類性則還需要對其裝置的工作電磁干擾頻率進行分析，從而確定檢定電氣設備本身的頻率與變化特征，以此完成對電磁干擾的濾波設計，獲得真實有效的電磁干擾抑制效果數據[2]。

1.1 電磁干擾的來源

高壓電氣設備的電磁干擾途徑如圖1所示。根據電磁干擾的類型對其進行劃分，可將高壓電氣設備的電磁干擾分為電壓回路干擾、電流回路干擾、工作電源線路干擾、接地線干擾以及脈沖接收回路干擾等[3]。

圖1 體化檢測裝置的干擾途徑

對高壓電氣設備的線路干擾進行分析時，需要分別使用定量和定性兩種針對性較強的分析模式，同時對上述五種位置下不同的電磁干擾信息進行檢測時，需要積極利用示波器設備做好數據記錄[4]。在仿真模擬獲取電磁干擾數據實驗中，可通過干擾信號發生器的方式實現對瞬變脈沖群發出的電信號進行捕捉，此時需要實驗人員注意電流和電壓的提供大小，并以此為步長逐步增加功率的輸入。上述提到干擾信號發生器所發出干擾信號的電壓幅度與頻率分別為4.5kV 和6kHz，所有測量電流均需要采用示波器作為接收信號源，并在示波器下形成電壓與脈沖接收的回路波形。例如，由示波器收集并記錄的檢測設備電壓回路上的干擾信號（紙質版）如圖2所示。該檢測數據是對輸出回路檢測而獲取的干擾脈沖信號，其信號的寬度與幅度分別為80ns 和6V。為能夠更加準確的探究出高壓電氣設備電磁干擾信號的特征數據，需要在模擬電磁干擾信號發生器中安裝去耦裝置，同時在其結構的角度對線路上的干擾信號進行分析時，應當分別使用上述所提的定量和定性兩種分析模式，并在融合檢測上述所提五種位置下的電磁干擾信息時，仍需要將示波器設備所記錄的數據進行整理分析，以期為之后的一體化試驗裝置干擾問題及數據分析提供幫助[5]。

圖2 —體化試驗裝置檢測電壓輸出回路的干擾信號

1.2 電流回路上的干擾信號

在檢測設備的電路回路上設計互感器設備作為中間環節完成連接，其檢測數據結果如圖3所示。

圖3 一體化試驗裝置在電流輸出回路下檢測時的干擾信號

由上圖數據能夠得出，干擾信號被流經至監測器件的線路上時會出現電容和寄生電感等不穩定電氣產生，雖然已經將互感器作為中間環節裝置進行中和，但進行連接的電流輸出回路上仍存在較強的電磁干擾信號。由此可證明，在高壓電氣設備出現某些故障后在產生寄生電感與雜散電容，在兩者的相互作用下會使電磁干擾信號摻雜于電流的回路當中，進而會使加裝互感器裝置的線路仍會受到較大電磁信號的干擾。

1.3 脈沖接收回路上的干擾信號

高壓電氣設備一體化試驗裝置的脈沖接收回路屬于信號接口的一種，以上述研究能夠確立在同等計量單元作用下高壓電氣設備的輸入電壓與電流信號會出現一定程度的發生變化，并會以一種脈沖信號的形式向試驗裝置傳遞。在上述抗電磁干擾的實驗中發現，高壓電氣設備故障時產生的電磁干擾信號其影響力能夠迫使脈沖單元發生變化，經過分析后發現影響方式主要可分為兩種：第一種即在設備傳輸線路的輔助下電磁干擾信號會以一種被動耦合的情況融入到脈沖線路中，進而會對脈沖接收所接收的信號產生影響；第二種方式為電磁干擾信號本就存在于線路內部在脈沖輸出的回路上不斷形成新的耦合[6]。一體化試驗裝置的脈沖接收回路接收到的干擾信號如圖4所示，其電磁干擾信號的寬度與幅值分別為80ns、2V。

圖4 —體化試驗裝置脈沖回路接受到的電磁干擾信號

2 一體化試驗裝置的受干擾情況研究

2.1 對瞬變脈沖群干擾實驗真實情況的分析

以相關電磁干擾指標和國標《GB/T 17626.4》和《GB/T 17215.211》為基準對上述干擾數據進行分析。在國際標準中對一體化試驗裝置的瞬變脈沖群抗擾度實驗參數進行過約束，并在上述標準中明確針對高壓交流電電氣設備故障測量的通用要求，詳細約束條件如表1所示。

表1 針對一體化試驗裝置干擾脈沖群的特性約束

以上表中記錄的脈沖特性約束條件為基礎完成對檢測裝置的脈沖頻譜圖繪制，如圖4所示。由圖5中記錄的數據可知，其試驗下的電磁干擾脈沖群帶寬較大，基本集中在35MHz 一下。35MHz～110MHz階段出現明顯下降，即在110MHz 狀態下其干擾脈沖群的幅值會降至73%。處于450MHz～1000MHz之間的頻率條件下其電磁干擾信號會迅速降低，在1000MHz 處時電磁干擾信號會降至0%。

圖5 干擾脈沖群的頻譜特性圖

當明確高壓電氣設備故障時產生的干擾脈沖群信號特性機理后，還需要考慮如何解決存在檢測信號中耦合干擾脈沖群信號問題。以國標《GB/T 17626.4》和《GB/T 17215.211》中規定的相關測試要求標準為基礎，對該問題進行試驗驗證，相關測試要求標準數據匯總與下表2所示。通過情況下，高壓電氣設備的電磁干擾信號波長是會對輻射干擾信號產生直接影響，因此實驗中的電磁干擾信號波長長度應當不得超過干擾頻率波長的1/5，若超出此范圍便會造成干擾強度降低影響實驗結果的情況。若從電磁干擾信號的波長與設備導線長度之間的關系來看，如果二者間屬于相等關系，那么便會出現天線效應，由導線將干擾信息傳播會對實驗設備產造成較大的影響。

表2 傳導干擾信號特性要求

圖6 60MHz 頻率點的輻射場信號倍頻

圖7 70MHz 頻率點的輻射場信號頻譜

從上述抗電磁干擾的實驗結果來看，影響一體化試驗裝置間的連接導線長度可以確定在0.5-2m之間，過長或過短都會在射頻傳導抗干擾試驗中出現干擾信號逃逸的現象。在對高壓電氣設備一體化試驗裝置進行抗干擾的輻射場實際測量時，應當以100、85、65、7、1和0.3為標準進行檢測，假設試驗電壓為10V，導線距離為5cm 和20cm，測試結果匯總與下表3中所示。

表3 不同頻率輻射場強測試結果（單位/MHz）

由上表中檢測結果數據可知，在1MHz 且導線距離5cm 時會出現最大的電磁干擾信號場強，其幅值約為83.3V/m。對測試結果進行分析，電磁干擾信號對一體化試驗裝置的影響產生的場強可以達到855V/m，并且存在較寬的頻譜產生，從信號的分布情況角度上出發，其干擾信號處在幾十至幾百兆赫茲間的情況較為集中。

3 基于濾波技術的抗電磁干擾措施

濾波技術可以利用壓縮信號來阻斷電磁干擾傳播途徑，是提高高壓電氣設備抗電磁干擾性能的有效措施和方法。此外，借助濾波器能夠進一步濾除電磁干擾信號，減少干擾頻譜與信號頻帶之間的差異。從結構方面來看，濾波器主要由電阻、電容、電感等裝置組成，將其接入到電氣設備傳輸線中，可以抑制異常頻率的產生，以達到阻斷電磁干擾的目的。

濾波器網絡屬性為二端口網絡，不同頻率網絡信號進入濾波器后，會出現不同程度的衰減，在評價電磁干擾性能時，濾波器損耗是極為重要的參數，其損耗公式為：

L(dB)=20lg(U1/U2)

式中：U1為未經過濾波器的電壓；U2為經過濾波器的電壓。

由于濾波器特性會受到信號變化所產生的影響，因此其損耗曲線也會隨之改變。以濾波器頻率特性為劃分標準，可以將濾波器劃分為高通和低通兩種類型濾波器；按照衰減變化程度，還可以將濾波器劃分為帶阻和帶通濾波器。上述四種類型濾波器中，低通濾波器有著廣泛的應用，并且在高壓電氣設備抗電磁干擾中發揮著重要作用，圖8為濾波器頻率特性曲線。

圖8 低通濾波器特性曲線

以濾波器工作原理為劃分依據，可以將濾波器劃分為吸收式和反射式濾波器。其中反射式濾波器主要由電容和電感組成，利用串聯阻抗連接濾波器阻帶，該濾波器在低并聯阻抗中有著較強的優勢，可以有效解決負載阻抗和噪音源阻抗；吸收式濾波器主要由不同類型和功能的耗能設備組成，可以吸收濾波器阻帶中的噪音，同時也能夠將能量轉化為電能，使其成為濾波器設備熱損耗，該類型濾波器具有良好的濾波效果，能夠有效阻斷電磁干擾傳播途徑。

綜上所述，高壓電氣設備一體化試驗裝置會受到設備故障發出的電磁信號干擾，而出現檢測信號缺失、回路數據受干擾和記錄數據不完善等情況。通過深入分析高壓電氣設備出現電磁干擾信號的機理，探究出一體化試驗裝置在回路線路為5cm 處時會出現最強的電磁信號干擾，并且能夠直接影響一體化試驗裝置的電磁干擾信號主要集中在27Hz 至560Hz 之間。