電能表帶載電磁兼容抗擾度試驗系統(tǒng)設計

張淼，呂國麗，李琳，張瑋琦

（國網內蒙古東部電力有限公司，通遼 028000）

引言

隨著智能電網的發(fā)展，高頻率電磁設備對于電能表的電磁干擾成為了亟需解決的問題。電能表準確率非常重要，必須要保證電能表的穩(wěn)定運行。電能表的組成包括由測量單元和數(shù)據(jù)處理單元，除了計量有功電能和無功電能，還具有分時、顯示、儲存、輸出數(shù)據(jù)等功能，支持遠程抄表、接通以及斷開，實現(xiàn)雙向通信，并且還可以記錄失壓、失流等事件[1]。電能表作為一種列入強制檢定目錄的計量工具，所以其質量的重要性不言而喻。

1 電磁兼容的定義

電磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）的主要目的在于閑置設備產生污染環(huán)境的電磁場。隨著科學技術的飛速發(fā)展，大量結構復雜、技術含量高的電子產品不斷出現(xiàn)，因為它們頻帶占用混亂、功率大、數(shù)量多，導致電磁環(huán)境污染日益嚴重。國際電工委員會認為電磁兼容為信號和干擾共存，且不破壞信號中包含的信息。具體來說，它可以分為兩部分：在預設的電磁環(huán)境中，設備和系統(tǒng)可以確保所需的安全裕度可以滿足功能要求，并且不會對因為環(huán)境中的電磁干擾而受到影響；設備和系統(tǒng)通常滿足預期電磁環(huán)境的功能要求，不會對周圍環(huán)境造成電磁干擾[2]。

2 電磁兼容抗擾度試驗原理與要求

電能表的工作環(huán)境與靜電放電、射頻電磁場和過電壓等電磁現(xiàn)象有關。電能表的電磁兼容測試系統(tǒng)由工作電源模塊和干擾調試模塊組成。工作電源模塊主要是電能表的監(jiān)測電源，以確保其工作空間。快速瞬變脈沖群抗擾度試驗應提供參考電壓和電流，監(jiān)測誤差，并為其他受試者提供參考電壓。干擾調試模塊產生各種電磁干擾，可以模擬電磁環(huán)境來檢測電能表。隔離電源模塊和干擾傳輸模塊，以便在切換到正在測試的電度表時，干擾不會進入供電線路。通過耦合去耦網絡，為電能表供電，隔離電網噪聲，耦合騷擾信號導設備。

3 電能表電磁兼容測試方法

電能表的測量方法可以歸納為瓦秒法和標準電度表法。裝置設備，模擬電網輸出電壓、電流開展實驗。

3.1 靜電放電抗擾度試驗

電壓線和輔助線均與參比電壓相連；直接放電和間接放電；試驗電壓：8 kV；放電時間：每極10次；靜電放電效應不得引起裝置上儀器的變化，且試驗輸出不得產生大于等效裝置的信號。該值的計算如下：

式中：

m—儀表測量元件數(shù)；

Un—參比電壓；

Imax—最大電流。

實驗室地面的接地參考平臺為一塊0.25 mm厚的鋁或銅金屬板。接地參考平面的最小尺寸為1 m2，接地參考平面周圍需要超出儀表0.5 m，并連接保護接地系統(tǒng)。

在接地參考平面上放置一個高0.8m的木制桌面，作為試驗平臺。桌面上的水平耦合板表面為1.6 m×0.8 m，垂直耦合板面積為0.5 m×0.5 m。而耦合板的厚度與材料均與接地參考平面相同，通過兩端帶電阻的導線連接接地參考平面。垂直耦合板平板與儀器之間的垂直距離就是水平耦合板邊緣與儀器之間的距離，該距離為0.1 m。

儀表經過接線和配置后，使用絕緣板（厚度在0.5 mm以上）與水平耦合板絕緣。實驗室四周的儀器和其他金屬結構要與地面基準面之間具有1 m距離。

靜電放電發(fā)生器的放電回路與接地參考平面相連。儀表的金屬部件通過接觸充電，儀表的不可接近部件應通過空氣放電。發(fā)射電極的長軸應置于耦合板的平面內，與耦合板的前緣垂直接觸，考慮對所有面進行耦合放電[3]。

放電的試驗電壓從2 kV開始，逐漸升高至4 kV、6 kV和8 kV，接觸放電的試驗電壓則從2 kV開始，升高至4 kV、8 kV和15 kV。靜電放電試驗采用單次放電的形式進行。每一個測試點的每一個極性的發(fā)射時間為10次，連續(xù)放電之間間隔1 s時間。

3.2 射頻電磁場抗擾度試驗

試驗設備：射頻電磁場抗擾度測試系統(tǒng)，全電波暗室，電能表檢驗裝置。

測試方法：測試前探查網絡節(jié)點上確定的場強強度，測量結果同樣如此，否則需要重新校準。應在（80～2 000）MHz頻率范圍內的水平和垂直極化位置校準網絡中的至少兩個節(jié)點上檢查場強。

在正常工作位置的絕緣支架上安裝儀表，然后放在均勻的電磁場中。儀表進出線應平行無屏蔽，電磁場長度應為1 m，電纜應盡量水平垂直。超過1 長的連線需進行去耦處理[4]。

用1 kHz正弦波對80 %的幅度進行信號調制。如果逐步進行頻率掃描，步進幅度不能大于先前頻率的1 %，同時需盡量指示頻率敏感點。

未調制試驗場強為10 V/m時，電流線路加參比電流，電壓線路和輔助線路加參比電壓。在有功功率與無功功率條件下，測試場的強度如果未調制10 V/m，那么可能會導致測量儀器出現(xiàn)測量誤差；測試前后，充分檢查儀表信息和功能；保證測試結果符合標準要求，包括初始測試信息和儀器功能。

3.3 快速瞬變脈群試驗

試驗設備：電能表檢驗裝置，準確度：0.05級；耦合/去耦網絡，濾波網絡；脈沖群發(fā)生器，測量范圍、準確度：滿足GB/T 17626.5要求。

試驗方法：實驗室地板應配備不小于0.25 mm的銅金屬板作為地板基準面。其中，接地基準的最小尺寸為1 m×1 m。脈沖群發(fā)生器和耦合/去耦網絡位于接地基準面上，并連接到保護接線系統(tǒng)[5]。

儀表應根據(jù)圖1所示進行配置和連接，并放置在離地0.1 m的絕緣支架上。實驗室四壁外的儀表和其他金屬結構與地面基準面之間的距離為0.5 m。

圖1 快速瞬變脈沖群試驗布置圖

電壓線調整：將電流線路連接至參比電流，電壓線路和輔助線連接至參比電壓。基于有功和無功電流條件下，脈沖群干擾信號同時連接在電壓連接（三相四線制設備）和設備接地連接。

基于有功和無功電流條件下，4 kV脈沖群干擾信號與電流端子和儀表接地相連。

參比電壓大于40 V的輔助線路與電壓線路的設置一致，測試電壓為2 kV。電流線路、電壓線路與儀表相連，試驗僅針對電壓線路。儀表的正極與負極分別開展一次試驗。在測試中，當使用脈沖群干擾時，應測量儀器故障（應采取措施確保錯誤的測試設備不受影響）；測試前后必須檢查儀器的信息和功能。

3.4 射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗

試驗設備：耦合去耦網絡；濾波網絡；射頻信號發(fā)生器，測量范圍和準確度根據(jù)GB/T 17626.6進行；電能表檢驗裝置，準確度：0.05級。

試驗方法：地板基準面最小厚度為0.25 mm。接地參考平面邊緣面積需要超出儀表0.1 mm，并與保護接地系統(tǒng)連接。射頻信號發(fā)生器和斷路器的隔離網絡應位于接地基準面上，并連接到保護接地系統(tǒng)[6]。

儀表需根據(jù)圖2要求配置和連接，位于基準面上方0.1 m的高度的絕緣支架上。使用正弦波調制信號80 %幅度，開展掃頻試驗，頻率為（150～80）MHz。如果頻率掃描是分階段進行的，則相位振幅不得超過前一頻率的1 %，并且應盡可能找到頻率敏感點。AM載波在每個頻率點的掃描延遲不得小于儀器運行和基本誤差測量所需的時間[7]。

圖2 射頻場感應傳導騷擾抗擾度試驗布置圖

儀表的電壓線、輔助線與參比電壓連接，電流線路連接參比電壓。有功和無功條件下，10 V電壓的射頻場產生的干擾信號分別與儀表電流、電壓線路、參比電壓進行耦合；而40 V以上的輔助線則提用于測量儀表誤差；在測試前后檢查設備的信息和操作。

3.5 浪涌抗擾度試驗

試驗設備：根據(jù)GB/T 17626.5開展浪涌抗擾度試驗。

測試方法：基于圖3作為浪涌抗擾度試驗的設備布置方案，浪涌抗擾度試驗信號發(fā)生器和耦合/去耦網絡放置在接地參考平面，連接保護接地系統(tǒng)。與耦合/去耦網絡的信號線和電源線長度1 m。

圖3 浪涌抗擾度試驗布置圖

電壓線路與輔助線路以參比電壓，電流線路開路，將浪涌干擾信號耦合導電壓線路各個端子。

電壓、電流線路的電壓逐級增加，依次為0.5 kV、1 kV、2 kV、3 kV，輔助線路電壓從0.5 kV開始逐級增加，儀表在60 °和240 °兩種相位條件下、正負兩種極性下分別開展試驗。

4 電能表帶載電磁兼容抗擾度試驗系統(tǒng)

系統(tǒng)組成包括試驗信號發(fā)生器、電壓線路電源濾波器、電流線路電源濾波器和脈沖線路濾波器等[8]。其原理為圖4所示。

圖4 電能表帶載電磁兼容抗擾度試驗系統(tǒng)連接圖

開展電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，電能表檢驗裝置采用便攜式三相電能表檢驗裝置，其參數(shù)如下：

輸出電壓：3×50 V-3×300 V；

輸出電流3×0.01 A-3×100 A；

準確度等級：0.05級；

電壓、電流波形失真度：小于1 %；

輸出頻率：（45～60）Hz連續(xù)可調；

輸出功率：電壓回路為10 VA/表位，電流回路為20 VA/表位；

輸出相位：（0.0～359.9）°；

輸出波形：正弦波；

工作電源：單相220 V（AC）±10 %；

最大功耗：800 VA。

4.1 電源濾波器驗證

以一塊單相費控智能電能表為試驗樣品，便攜式三相電能表檢驗裝置輸出參數(shù)設置如表1所示，為電能表提供電壓和電流信號。

表1 電表參數(shù)

使用未加電源濾波器的試驗系統(tǒng)，為了對比電源濾波器的效果，驗證中沒有連接脈沖采樣線路。試驗信號發(fā)生器產生干擾信號，經耦合后通過電壓線路進入電能表。電能表校驗臺輸出電壓電流報警，電能表掉電，無法工作。

分別將電壓線路和電流線路的電源濾波器串在相應線路，并進行濾波。電能表校驗臺試驗前和試驗中工作正常，電壓電流穩(wěn)定，這意味著電源濾波器起到了作用。

4.2 試驗系統(tǒng)的驗證

例如，用一塊單相費控智能電能表試驗，電能表檢驗裝置為受試電能表提供電壓、電流信號，利用光脈沖采樣可以獲得電能表誤差值，電流線路電源濾波器、電壓線路電源濾波器、脈沖線路濾波器等與相應線路串聯(lián)，進行濾波。

電能表檢驗臺工作穩(wěn)定開展，無電壓電流報警現(xiàn)象，電壓電流穩(wěn)定，試驗前和試驗后無明顯改變，這意味著電源濾波器起到了作用。

由此可驗證，電源濾波器和脈沖濾波器起到了作用。

4.3 脈沖濾波器驗證

電能表脈沖采樣回路需電能表校驗臺提供電壓電流信號工作過程中，才可以正常運行。所以，該驗證和試驗系統(tǒng)整體可以一起驗證。

5 總結

綜上所述，隨著通信設備和各種電器的發(fā)展，電能表的電磁環(huán)境愈發(fā)復雜，一方面，電能表供應商需要完善電磁兼容性設計，提高電能表的抗干擾能力；另一方面，電力公司應嚴格執(zhí)行智能電能表制造商的電磁兼容測試標準，快速識別智能儀表的電磁兼容性問題，并在出廠前予以糾正，確保智能儀表的質量和性能。