2. China Electrical Power Research Institute, Beijing 100192, China
随着我国国民经济的日益增长,现有输电线路已难以满足各领域对电力的需求。建设特高压直流输电线路是实现我国能源资源优化配置、提高电力能源利用效率的基本途径之一[1, 2]。输电线路的不断增加和输电电压等级的不断提高,导致了输电线路和设备周围的电磁场强度增大,电磁环境恶化[3]。输电线路下的电磁环境参数主要包括合成电场、离子流密度、磁场、可听噪声和无线电干扰[4]。其中,电场强度对于输电线路周边群众的生活以及输电线路设计、建设和运行有着重要的影响。
电场测量系统广泛应用于特高压直流输电线、特高压试验基地、变电站及换流站。目前,特高压直流输电实际运行线路电压最高可达±800 kV,试验线路电压最高可达±1 100 kV,地面电场强度最高可达±50 kV/m。此外,在特高压直流输电线下采用多套设备近距离放置的分布式测量方式进行测量。因此,设备除了受到复杂的电磁环境干扰外,还有可能与邻近设备相互影响。
为了保证系统能够在复杂环境下正常运行且不对其他设备产生较大干扰,需要进行电场测量系统的电磁兼容设计研究。电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力[5]。文中对电场测量系统进行屏蔽、接地、EMI滤波及隔离等设计后,在中国电力科学研究院电磁兼容实验室对电场测量系统进行一系列电磁兼容性试验来验证设计的可行性。
1 电场测量系统电场测量系统通常采用如图 1所示的分布式测量方式[6]。传统的电场测量系统采用有线方式连接,进行分布式测量时具有布线工作量大、成本高、不灵活等缺陷。无线传感器因网络成本低、组网灵活、性能可靠等特点使得其应用范围十分广泛[7]。基于无线传感器网络的电场测量系统大大减少了布线工作量,在多套设备同时测量时工作效率明显提高[8]。电场测量系统由场磨式电场传感器和数据采集终端组成,两者之间通过信号连接线进行供电及信号传输。
电场测量系统的工作流程为:1)场磨式电场传感器通过旋转叶片获取电场强度,并将其转换为模拟电压;2)通过信号连接线传送信号到数据采集终端;3)由数据采集终端处理转换为数字信号后,显示在液晶显示屏上并通过无线传输模块发送至上位机进行处理和存储。电场测量系统可根据实际需求选择电池供电或电源供电2种供电方式。图 2是电场测量系统的原理图。
2 电场测量系统的电磁兼容性设计 2.1 电场测量系统屏蔽设计设备经过电磁屏蔽处理后,可用金属隔离来阻断电磁干扰传播的方法可有效防止静电干扰和辐射干扰。屏蔽体的屏蔽效果由屏蔽体对电磁场强度削弱的程度决定,通常用屏蔽效能来度量。屏蔽效能定义为电磁场中同一地点无屏蔽存在时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比[9],屏蔽效能的公式为
式中:SE为屏蔽效能;E0为无屏蔽时的电场强度;ES为加屏蔽时的电场强度。
屏蔽效能还可由吸收损耗A、反射损耗R及多次反射损耗B表示:
对吸收损耗A=e(k-k0)t进行指数项简化后,得式(3),同时得反射损耗R及多次反射损耗B为
式中:t为屏蔽体厚度,mm;δ为集肤深度;Zm为金属材料波阻抗;Zw为自由空间波阻抗。场磨式电场传感器使用接地的钢外壳。这种设计可在保证测量可靠性的同时,满足电磁屏蔽的需求。在某些情况下,工作人员要对数据采集终端手持式操作,因此数据采集终端的电磁兼容性设计要兼顾可靠性与轻便性。考虑到塑料具有加工工艺性能好、成本低、质量轻等优点,采用塑料材质外壳。对于塑料外壳,最简单有效且易于实现的屏蔽方式是使用金属铜箔。由于铜箔导电层很薄,因此吸收损耗可忽略不计,反射损耗起主要屏蔽作用,且多次反射损耗不能完全忽略。实际使用的铜箔厚25 μm,电阻为0.5 Ω/mm2。按照上述屏蔽效能公式可得其完整屏蔽效能为105~182 dB(1 MHz ~1 GHz)。由于数据采集终端上有开关等造成的缝隙,所以实际屏蔽效能会降低。
屏蔽线的屏蔽效能主要不是由反射和吸收达到的,而是由屏蔽层接地达到的[10]。对屏蔽线两端良好接地,可以将干扰直接短路至地,而不进入到设备内部,实现屏蔽作用。场磨式电场传感器和数据采集终端间的信号连接线使用屏蔽线,并在两端良好接地,可以有效防止干扰通过信号连接线影响设备。
2.2 EMI滤波器设计EMI滤波电路可以有效抑制传导干扰,在电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续,将电磁波中的大部分能量反射回源处[10]。电场测量系统中长达2 m的信号连接线可能会成为干扰的接收器或发射器。使用电源适配器供电时,可能有来自电源以及电源适配器导线耦合的干扰。因此,在信号连接线两端以及适配器端口设计相应的EMI滤波电路,可以有效降低干扰影响。
铁氧体具有简单方便、效果好、性价比高、占用空间小等一系列优点,可以构成吸收式低通滤波器。当高频信号通过铁氧体时,电磁能量会以热的形式耗散掉[11]。在信号连接线两端设置铁氧体磁环,可将线上的大量电磁干扰能量吸收并转化为热损耗,从而阻止干扰进入设备。
考虑到设备内部空间较小,较复杂的滤波器并不合适,因此主要采用滤波电路结合外置铁氧体的方案设计滤波器。信号传输线中传输的信号是高电平模拟信号,对干扰不是很敏感,而选用的电源适配器本身就有抗干扰设计,具备一定的抗干扰能力。因此,采用100、220 μF电容和100、220 μH电感构成的四级Butterworth滤波电路可以达到理论上60 dB以上的衰减。在传输线中的供电线路两端使用DC-DC隔离模块手册推荐的简单EMI电路就可以达到较好的EMI滤波效果。
2.3 接地与隔离设计良好的接地系统是一种低成本的电磁兼容处理方式。对于设备的金属外壳来说,良好的接地可以提供迅速泄放干扰的通道。对于内部电路来说,在模拟及数字电路之间设置合适的参考连接能有效抑制干扰影响。对电场测量系统的外壳及信号连接线两端设计良好的接地,可以给各类干扰提供泄放通道。因此,将各线路端口的金属外壳直接与设备外壳良好连接,实现干扰泄放通道的设置。
通过隔离元件把噪声干扰的路径切断,可以达到抑制干扰的效果[12]。系统采用6 V电源供电,要使用DC-DC模块为ARM及其他核心器件供电。普通的DC-DC芯片不具备隔离电压、抗静电及自恢复能力,极易受干扰影响。因此,系统选用了隔离型DC-DC电源模块,可以有效保护核心敏感电路免受高电压大电流的损害。根据系统实际情况,选择使用WRF0505P及B0503D隔离DC-DC电源模块提高核心敏感电路的抗干扰能力。其中,WRF0505P具有隔离电压3 000 V DC以及可持续短路保护及自恢复能力;B0503D具有抗静电±8 kV、隔离电压1 500 V DC、输出短路保护及自恢复功能。
综合以上各项设计,得到图 3的电场测量系统的电磁兼容性设计图。
3 电场测量系统的电磁兼容设计试验及分析为了验证上述电场测量系统的电磁兼容性设计的有效性,在国家电网中国电力科学研究院电磁兼容实验室进行了一系列电磁兼容性验证试验。
3.1 辐射发射试验在电场测量系统的使用中,不仅要保证系统受其他设备干扰时能正常工作,而且要防止系统对邻近设备产生干扰。图 4为在10 m法全/半电波暗室进行辐射发射试验的现场图。受试设备(equipment under test,EUT)所处转台可360o转动,天线可升降幅度为1 ~ 4 m,可测量水平和垂直2种天线极化方向。
该试验采用GB4824标准,1组A类设备测试距离为10 m时在30 ~ 230 MHz频段限值为40 dBμV/m,在230 MHz ~ 1 GHz频段限值为47 dBμV/m[13]。
从图 5的试验结果图中可以看出,水平及垂直2种极化方向的测试结果均未超过限值,表明电场测量系统可通过辐射发射试验,在工作时不会对邻近设备产生较大的辐射干扰。
3.2 传导发射试验使用电源适配器供电的设备可能通过电源线向电网进行过大的传导发射,影响电网稳定及其他设备的工作。图 6为进行传导发射的试验现场图,试验设备为罗德施瓦茨的EMC测试系统。
传导发射试验遵循CISPR11标准,测试范围为150 kHz ~ 30 MHz,1组A类设备在150 ~ 500 kHz频段准峰值限值为79 dBμV/m,均值限值为66 dBμV/m;在500 kHz ~ 30 MHz频段准峰值限值为73 dBμV/m,均值限值为60 dBμV/m[13]。
从图 7的试验结果可以看出,准峰值(QP)及均值(AV)均未超过限值,表示电场测量系统不会通过电源线对电网进行过大的传导发射。对于高频段出现的较大的传导电平,可以通过在电源线上增加铁氧体来解决,从而进一步提高试验等级。
3.3 辐射抗扰度试验在电场测量系统的实际工作中,经常会受到来自移动电话、无线电台等电磁辐射源以及电焊机、发动机工作时产生的寄生辐射的影响。为了保证电场测量系统在遭受较高强度辐射干扰时正常工作,在如图 8所示的3 m法全/半电波暗室进行辐射抗扰度试验。本辐射抗扰度试验采用GB17626.3-2006标准[14]。电场测量系统在试验强度为3 V/m及5 V/m时均正常工作,具有一定的抗辐射干扰能力,能够满足实际使用需求。未达到10 V/m的水平,主要是因为屏蔽外壳上有按键孔、接口等孔隙,所以屏蔽效果有限。
3.4 其他试验静电放电电流具有很高的幅度和很短的上升沿,会产生强度大、频谱宽的电磁场来干扰设备[15]。为了保护设备免受人体对物体或2个物体接近所引起的静电高压放电导致的设备故障甚至损坏,需要通过静电放电抗扰度试验来评估设备遭受静电放电时的性能。试验中,接触放电电压为±4 kV时,液晶屏有轻微闪烁,其他一切工作正常;空气放电电压为±4 kV时,系统工作一切正常。试验结果表明,电场测量系统能够承受一定程度的静电放电,满足设计需求。
电快速瞬变脉冲群抗扰度试验主要是检验由切换瞬态过程引起的瞬态脉冲群对在同一电路中工作的电场测量系统的干扰状况。电快速瞬变脉冲群持续时间为15 ms,脉冲群间隔为300 ms,单个脉冲持续时间为50 ns,脉冲上升沿5 ns,脉冲重复率为5 kHz或100 kHz[16]。电快速瞬变脉冲群一般不会造成设备损坏,但脉冲群对装置中半导体器件结电容充电到一定程度时,便会引起装置的误动作[17]。使用耦合夹对信号连接线施加±1 kV试验电压时,两端良好接地的屏蔽信号连接线为干扰提供了迅速泄放的通道,因此系统基本不受影响,可以正常工作。
电场测量系统在工作时,工作环境中的磁场可能影响系统的正常工作。常见的磁场有工频磁场、脉冲磁场及阻尼震荡磁场。工频磁场是由导体中的工频电流产生的[18]。脉冲磁场是由雷击建筑物和其他金属架构以及由在低压、中压和高压电力系统中故障的起始暂态产生的[19]。阻尼震荡磁场是由隔离刀闸切合高压母线时产生的[20]。电场测量系统在30 A/m的稳定工频磁场试验、1 000 A/m的短时工频磁场试验、100 A/m的阻尼磁场试验及1 000 A/m脉冲磁场试验中均正常工作,达到了较高的磁场类抗干扰水平。
4 结束语电场测量系统工作在复杂的电磁环境中,为保证电场测量系统不受外界干扰影响、正常工作的同时不对邻近设备产生干扰,进行了电磁兼容设计。文中从电场测量系统的使用需求出发,对系统中易受电磁干扰影响的部分进行了分析研究后,进行了屏蔽、接地、隔离及EMI滤波等电磁兼容性设计。在进行实际应用之后,通过传导发射试验、辐射发射试验、辐射抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验及磁场类抗扰度试验等一系列电磁兼容性试验验证了电场测量系统的电磁兼容设计的有效性。 经过电磁兼容设计后的电场测量设备既不易受外界电磁干扰影响,又不会对邻近设备产生较大干扰,可以满足实际使用中的电磁兼容性需求。
[1] | 刘振亚. 加快建设坚强国家电网 促进中国能源可持续发展[J]. 中国电力, 2006, 39(9): I-III. |
[2] | 吕应明, 袁海文, 陆家榆, 等. 直流输电线路下地面合成电场的无线同步测量系统研究[J]. 电网技术, 2012, 36(1): 189-194. |
[3] | 王小凤, 周浩. ±800kV特高压直流输电线路的电磁环境研究[J]. 高压电器, 2007, 43(2): 109-112. |
[4] | 刘振亚. 特高压直流输电工程电磁环境[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009: 8-12. |
[5] | 吕文红, 郭银景, 唐富华, 等. 电磁兼容原理及应用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008: 58-72. |
[6] | CUI Yong, WANG Qiusheng, YUAN Haiwen, et al. Relative localization in wireless sensor networks for measurement of electric fields under HVDC transmission lines[J]. Sensors, 2015, 15(2): 3540-3564. |
[7] | CUI Yong, LV Jianxun, YUAN Haiwen, et al. Development of a wireless sensor network for distributed measurement of total electric field under HVDC transmission lines[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2014,14(2): 740-764. |
[8] | CUI Yong, YUAN Haiwen, LU Jiayu, et al. Impact of ion current on the total electric field measurement under HVDC transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(10): 2459-2464. |
[9] | 蔡仁刚. 电磁兼容原理、设计和预测技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1997: 45-56. |
[10] | 周志敏, 纪爱华. 电磁兼容技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007: 55-58. |
[11] | 何金良. 电磁兼容概论[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 79-85. |
[12] | 郑军奇. 电子产品设计EMC风险评估[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008: 112-119. |
[13] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.GB/T 4824-2004, 工业、科学和医疗(ISM)射频设备 电磁骚扰特性 限值和测量方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004. |
[14] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 17626.3-2006, 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007. |
[15] | 李秀峰, 邱扬, 丁高. 静电放电及其防护设计[J]. 国外电子测量设计, 2006, 25(2): 9-12. |
[16] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 17626.4-2008, 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009. |
[17] | 张晓东. 电快速瞬变/脉冲群抗扰度试验及对策[J]. 江苏电机工程, 2012, 31(4): 27-29. |
[18] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 17626.8-2006, 电磁兼容 试验和测量技术 工频磁场抗扰度试验[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007. |
[19] | 国家质量技术监督局. GB/T 17626.9-1998, 电磁兼容 试验和测量技术 脉冲磁场抗扰度试验[S]. 北京: 中国标准出版社, 1998. |
[20] | 国家质量技术监督局. GB/T 17626.10-1998, 电磁兼容 试验和测量技术 阻尼振荡磁场抗扰度试验[S]. 北京: 中国标准出版社, 1998. |