不同避雷器型號(hào)通信性能評(píng)估與比較

摘 要：本文研究了避雷器在電力系統(tǒng)中的通信性能，特別是其高頻特性對(duì)電力線通信系統(tǒng)的影響。通過(guò)對(duì)三種不同型號(hào)的避雷器（B1、B2和B3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際電網(wǎng)中的通信性能測(cè)試，測(cè)量了其在4～70MHz頻率下的信號(hào)衰減及依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估的通信吞吐量。結(jié)果顯示，B1和B2具有最佳高頻性能，信號(hào)衰減最小、帶寬最高，適合實(shí)際應(yīng)用。而B(niǎo)3則表現(xiàn)較差，需綜合考慮其他性能指標(biāo)。此文為避雷器通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和型號(hào)選擇提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：線路避雷器；電力線通信；信號(hào)衰減；吞吐量

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

避雷器作為電力系統(tǒng)中重要的保護(hù)設(shè)備，其高頻特性在建立電力線通信系統(tǒng)方面對(duì)于提升電網(wǎng)的應(yīng)用效率至關(guān)重要。為了全面評(píng)估不同型號(hào)避雷器的通信性能，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)三種不同型號(hào)的避雷器（B1、B2和B3）在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行了性能測(cè)試。通過(guò)測(cè)量避雷器在1MHz、5MHz和10MHz等不同頻率下的信號(hào)衰減，評(píng)估了這些避雷器在輸入OFDM信號(hào)通信時(shí)的吞吐量和時(shí)延，為避雷器通信接入部件的通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和型號(hào)選擇提供了重要的參考依據(jù)。

2 不同避雷器的通信效果研究

本文旨在測(cè)試不同避雷器接入不同電網(wǎng)時(shí)通信帶寬的性能，并比較實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際電網(wǎng)中的通信性能。采用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)避雷器進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更好的性能和更廣泛的應(yīng)用范圍。具體而言，我們將通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行通信性能的研究，比較不同避雷器接入時(shí)的帶寬表現(xiàn)，從而評(píng)估其適用性和可靠性。同時(shí)，我們還將結(jié)合實(shí)際情況分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以進(jìn)一步提高其性能和穩(wěn)定性。研究測(cè)試采用的避雷器型號(hào)包括氧化鋅高壓配電型避雷器YH5WS17/50（簡(jiǎn)稱(chēng)B1）、金屬氧化避雷器YH5CX13/40P（簡(jiǎn)稱(chēng)B2）、10KV固定外串聯(lián)間隙避雷器YH10CX13/40P（簡(jiǎn)稱(chēng)B3）；測(cè)試軟件采用iperf 3。

2.1 不同避雷器信號(hào)衰減研究

如圖1所示，在避雷器接地端用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出4～70MHz交流正弦波信號(hào)，在TEST端用數(shù)字示波器記錄收到的信號(hào)最大幅值。其中電容器耦合衰減基本在3dB，衰減忽略不計(jì)。

將測(cè)試提供的數(shù)據(jù)匯總成表1。第一，根據(jù)表1可以看出避雷器對(duì)信號(hào)是有衰減的，同時(shí)不同避雷器衰減程度不同，考慮到實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)零線注入存在損耗，因此可能會(huì)造成通信距離的變短。這表明在建設(shè)利用避雷器構(gòu)成通信系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮其對(duì)信號(hào)的影響，特別是在高頻段。因此，未來(lái)的研究應(yīng)著重于高頻特性?xún)?yōu)異的材料開(kāi)發(fā)，以降低在高頻信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗。

第二，避雷器的安裝位置和環(huán)境條件同樣對(duì)信號(hào)衰減起到重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中，避雷器可能會(huì)因?yàn)榘惭b不當(dāng)或環(huán)境因素（如濕度、溫度等）影響其性能，電磁干擾、電源噪聲等外部因素也會(huì)對(duì)其信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，建議在避雷器的選型和布置中，考慮周?chē)h(huán)境的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)措施。例如，使用屏蔽技術(shù)或者合理規(guī)劃避雷器與信號(hào)線的距離，以減少電磁干擾，提高信號(hào)的穩(wěn)定性。

第三，在電路設(shè)計(jì)的層面，避雷器與通信系統(tǒng)其他組成部分之間的匹配也顯得尤為重要。不同的通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的要求不同，設(shè)計(jì)時(shí)需要保證避雷器的輸入和輸出特性與通信設(shè)備的特性相匹配。這不僅可以減少信號(hào)的反射損耗，還能提高整體系統(tǒng)的傳輸效率。針對(duì)這一點(diǎn)，未來(lái)的研究可以探索智能匹配技術(shù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整避雷器的參數(shù)來(lái)適應(yīng)不同的信號(hào)特性，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。

第四，在信號(hào)損耗的量化分析方面，建議開(kāi)展更多的實(shí)驗(yàn)研究，以明確不同頻段、不同類(lèi)型的避雷器對(duì)信號(hào)的具體影響。這些實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停到y(tǒng)地測(cè)量在不同頻率和功率下，避雷器對(duì)信號(hào)的衰減特征，并將這些數(shù)據(jù)與理論模型進(jìn)行對(duì)比，以尋找最優(yōu)的避雷器設(shè)計(jì)方案。

第五，還應(yīng)考慮避雷器的維護(hù)和測(cè)試。定期的性能評(píng)估和維護(hù)可以確保避雷器長(zhǎng)期使用中的可靠性，避免因?yàn)樵O(shè)備老化或環(huán)境變化導(dǎo)致的性能下降。因此，建立一套完善的避雷器檢測(cè)和維護(hù)體系，對(duì)于保障通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

通過(guò)對(duì)避雷器設(shè)計(jì)、材料選擇、安裝環(huán)境、匹配技術(shù)以及維護(hù)策略的綜合優(yōu)化，未來(lái)有望提升避雷器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，降低信號(hào)衰減的同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這不僅能有效延長(zhǎng)通信距離，還能確保在高頻段下，通信的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 以避雷器為載波通信接口的衰減器模擬帶寬測(cè)試

圖2為以避雷器為載波通信接口的模擬測(cè)試連線圖，其中衰減器模擬線路的衰減對(duì)應(yīng)著傳輸線的長(zhǎng)度，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)PLC設(shè)備-1和PLC設(shè)備-2進(jìn)行OFDM高速通信，測(cè)試軟件采用iperf 3，用不同避雷器并通過(guò)調(diào)整衰減器的分貝值，模擬線路長(zhǎng)度的變化以確定建立的通信系統(tǒng)的吞吐量。計(jì)算機(jī)發(fā)送端的命令格式如下：

測(cè)試結(jié)果匯總見(jiàn)圖3。從圖3可以看出隨著衰減的增大，線路吞吐量變小，基本符合電力線通信的常識(shí)。但要注意的是在衰減40～60dB有一個(gè)波谷，這說(shuō)明在通信的某個(gè)頻帶，信號(hào)被隔離了。在上述測(cè)試中，我們觀察到隨著衰減的增加，線路吞吐量呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，然而在40～60dB的衰減范圍內(nèi)卻出現(xiàn)了一個(gè)明顯的波谷。這一現(xiàn)象提示我們，特定頻帶內(nèi)的信號(hào)傳輸受到了顯著的影響，可能是線路特性、避雷器的性能以及外部環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。

為了深入分析這一波谷現(xiàn)象，我們需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素。首先，電力線通信（PLC）系統(tǒng)通常在特定頻段內(nèi)工作，這些頻段的選擇受到多種因素的影響，包括信號(hào)的相干性、噪聲水平以及傳輸媒介的電氣特性。特別是在電力線環(huán)境中，線路的雜散電磁干擾和非線性特性可能導(dǎo)致信號(hào)在某些頻率上受到抑制，從而引發(fā)吞吐量驟降。

此外，避雷器的性能在這一過(guò)程中也起著至關(guān)重要的作用。不同類(lèi)型的避雷器在不同頻率下的截止特性可能造成信號(hào)的衰減不均勻。我們可以考慮對(duì)不同避雷器進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試，分析它們?cè)谔囟l段下的傳輸特性，以確定它們對(duì)通信質(zhì)量的具體影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)化PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以提高抗干擾能力，確保信號(hào)在關(guān)鍵頻段的穩(wěn)定性顯得尤為重要。一種方案是通過(guò)引入頻率選擇性濾波器，來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)在特定頻帶內(nèi)的傳輸能力。另一種方案是增強(qiáng)信號(hào)處理算法的魯棒性，可以在一定程度上緩解衰減帶來(lái)的負(fù)面影響。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)研究中可以采用更加精細(xì)化的測(cè)試方案，包括在不同環(huán)境條件下進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。這將有助于我們更全面地理解電力線通信系統(tǒng)的性能邊界，評(píng)估外部環(huán)境因素如何影響信號(hào)的傳播特性。同時(shí)，這還將為我們提供更多的參考數(shù)據(jù)，幫助我們優(yōu)化現(xiàn)有的電力線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

綜上所述，電力線通信系統(tǒng)的吞吐量受多種因素的影響，尤其是在特定頻段內(nèi)的信號(hào)衰減。通過(guò)綜合考慮避雷器的選擇、信號(hào)處理技術(shù)以及外部環(huán)境的影響，我們可以更好地理解和優(yōu)化電力線通信系統(tǒng)的性能。

2.3 以避雷器為載波通信接口的電網(wǎng)帶寬測(cè)試

圖4為以避雷器為載波通信接口的實(shí)際電網(wǎng)測(cè)試連線圖，其中L選用某個(gè)辦公大廈電網(wǎng)，線路距離大約300m。測(cè)試方法采用2.2所述的方法，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

測(cè)試結(jié)果顯示，三種避雷器在信號(hào)耦合能力方面存在顯著差異。其中，B1的吞吐量明顯高于B2和B3，表明其在高頻信號(hào)下的表現(xiàn)更為優(yōu)越。此外，B1在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性測(cè)試中也展現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾能力，這使其在實(shí)際應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探討材料改性對(duì)避雷器性能的影響，以期提升其在極端條件下的可靠性。

在評(píng)估避雷器性能時(shí)，除了電容量和抗干擾能力，熱穩(wěn)定性還是一個(gè)至關(guān)重要的因素。研究發(fā)現(xiàn)，避雷器在高溫環(huán)境下的性能可能會(huì)受到材料老化和退化的影響，尤其是在連續(xù)高溫和高濕的條件下。因此，未來(lái)的研究應(yīng)集中于材料的熱穩(wěn)定性，評(píng)估不同材料在極端溫度下的電氣特性變化，以確保避雷器在各種氣候條件下的長(zhǎng)期可靠性。

3 結(jié)論

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，不同類(lèi)型的避雷器對(duì)電力線通信信號(hào)的衰減程度存在顯著差異。B1和B2具有最優(yōu)越的高頻性能，其信號(hào)衰減最小，帶寬最高，能夠在實(shí)際應(yīng)用中建立更好的通信系統(tǒng)。相比之下，B3的高頻特性相對(duì)較差，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮其他性能指標(biāo)。

由于避雷器會(huì)對(duì)通信信號(hào)造成衰減，因此基于避雷器構(gòu)建的通信系統(tǒng)可能會(huì)受到影響。為確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，增加中繼設(shè)備是必要的。然而，這也意味著需要擴(kuò)展設(shè)備帶寬，以抵消中繼設(shè)備帶來(lái)的損耗。因此，在設(shè)計(jì)與構(gòu)建電力線通信系統(tǒng)時(shí)，必須充分考慮各類(lèi)因素，并進(jìn)行合理的優(yōu)化與配置，以確保系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。

此外，還需要認(rèn)識(shí)到一些電力線通信領(lǐng)域中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。例如，電網(wǎng)衰減對(duì)帶寬的影響，提醒我們需要尋找更有效的解決方案來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。這可能涉及對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備的深入研究與發(fā)展，或是采用全新的方法與技術(shù)。無(wú)論如何，持續(xù)的探索與創(chuàng)新是推動(dòng)電力線通信技術(shù)不斷發(fā)展的關(guān)鍵，以滿(mǎn)足日益變化的需求。

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基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司科技項(xiàng)目資助，項(xiàng)目名稱(chēng)：基于線路避雷器建立的新型電力線通信系統(tǒng)研究及應(yīng)用，項(xiàng)目編碼：521390230001

作者簡(jiǎn)介：李虹（1985— ），女，漢族，福建霞浦人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信、配電網(wǎng)通信。