隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和通信技術(shù)水平的提高，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)得以快速發(fā)展，越來(lái)越受到人們的重視，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，應(yīng)用領(lǐng)域包括智能家居、電動(dòng)汽車(chē)、智能變電站、電力系統(tǒng)等，其中避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。電力系統(tǒng)中的避雷器自身工況將直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，因此，對(duì)避雷器工況進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)顯得十分必要。

線(xiàn)路用避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置一般被安裝于露天戶(hù)外，它屬于弱電二次設(shè)備，周?chē)姶怒h(huán)境復(fù)雜，其電磁兼容問(wèn)題日益突出，直接影響在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的正常運(yùn)行，甚至對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置造成破壞，使其不能工作。因此，本文對(duì)線(xiàn)路用避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置展開(kāi)電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)研究，以期提高其在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和安全性。

目前市場(chǎng)上避雷器用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)生產(chǎn)的廠(chǎng)家較多，外觀(guān)結(jié)構(gòu)形式、工作原理、通信方式、供電方式等不盡相同，本文以某單位的樣機(jī)為樣品進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)的分析和電磁兼容性能的考核。

1 監(jiān)測(cè)裝置電磁干擾源的分析

可將電磁干擾源分為自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源包括日常生活中所見(jiàn)的雷電、宇宙噪聲等。人為干擾源包括廣播信號(hào)、手機(jī)信號(hào)、電視信號(hào)、藍(lán)牙信號(hào)、WiFi信號(hào)、高壓架空輸電線(xiàn)路、軌道交通等。

線(xiàn)路用避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置被安裝于避雷器的接地端，與避雷器相串聯(lián)，尾部與輸電線(xiàn)路鐵塔相搭接。

其所在位置的電磁干擾源大致包括：①輸電線(xiàn)路正常工作產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)工頻電磁場(chǎng)；②輸電線(xiàn)路短路產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)；③自然界雷電產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)；④自然界存在的廣播、電視、通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等無(wú)線(xiàn)電電磁場(chǎng)；⑤檢修時(shí)工作人員所攜帶靜電荷產(chǎn)生的靜電放電瞬態(tài)電磁場(chǎng)。

從以上分析可知，線(xiàn)路避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置所處的電磁環(huán)境極為惡劣，正常運(yùn)行中會(huì)受到各種電磁干擾，可能影響其正常運(yùn)行與通信，甚至對(duì)其造成損壞，使其不能正常工作。因此，對(duì)線(xiàn)路避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置展開(kāi)電磁兼容研究已十分迫切。

2 監(jiān)測(cè)裝置的構(gòu)成

對(duì)線(xiàn)路用避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置基本上可以劃分為以下4種：①按照輸電線(xiàn)路的類(lèi)型分為交流型和直流型；②按照線(xiàn)路避雷器的類(lèi)型分為無(wú)間隙型和有間隙型；③按照數(shù)據(jù)通信方式的類(lèi)型分為遠(yuǎn)傳型和非遠(yuǎn)傳型；④按照供電方式的類(lèi)型分為鋰電池供電、太陽(yáng)能板供電和耦合感應(yīng)取電。

本次電磁兼容試驗(yàn)所用的是交流遠(yuǎn)傳型太陽(yáng)能板供電的監(jiān)測(cè)器，適用于無(wú)間隙型和有間隙型線(xiàn)路避雷器。該在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置由3部分構(gòu)成，分別為監(jiān)測(cè)器、信號(hào)綜合處理裝置和供電部分，其示意圖如圖1所示，其工作原理及結(jié)構(gòu)分別如下。

圖1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)成示意圖

2.1 監(jiān)測(cè)器

采用穿芯電流互感器及穿芯計(jì)數(shù)線(xiàn)圈的形式將采集的信號(hào)通過(guò)電纜傳輸給信號(hào)綜合處理裝置。監(jiān)測(cè)器機(jī)殼采用屏蔽殼體，并進(jìn)行接地處理。

2.2 信號(hào)綜合處理裝置

將全電流信號(hào)及雷電流信號(hào)傳輸至高速A/D處理，中央處理器在得到A/D處理數(shù)據(jù)且經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波等算法處理后，將數(shù)字信號(hào)通過(guò)433M通信芯片和天線(xiàn)傳輸?shù)浇邮昭b置（可用模擬服務(wù)器接收裝置替代）。信號(hào)綜合處理裝置的機(jī)殼采用屏蔽殼體，并進(jìn)行接地處理。

2.3 供電部分

供電采用太陽(yáng)能電池板和模塊電池實(shí)現(xiàn)，將太陽(yáng)能電池板放置于屏蔽殼體之上，將電池模塊放置于屏蔽殼體內(nèi)部。

3 試驗(yàn)項(xiàng)目的分析

3.1 干擾機(jī)理分析

可將電磁干擾按干擾路徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)經(jīng)傳輸電路（包括共阻抗、共電源等耦合方式）耦合至設(shè)備內(nèi)部，對(duì)設(shè)備造成干擾。輻射干擾是指干擾能量以電磁波的形式在介質(zhì)中進(jìn)行傳播，進(jìn)而通過(guò)設(shè)備的機(jī)殼縫隙、設(shè)備機(jī)殼、設(shè)備所連接線(xiàn)纜等部位耦合至設(shè)備的內(nèi)部，造成對(duì)設(shè)備的干擾。

然而，在設(shè)備使用現(xiàn)場(chǎng)，一個(gè)設(shè)備受到電磁干擾，既可能是由多個(gè)干擾源通過(guò)不同的耦合路徑干擾所致，也可能是由同一個(gè)干擾源通過(guò)不同的耦合路徑所致，還可能二者同時(shí)存在，因此，對(duì)于出現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題，需要具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析，因地制宜，采取不同的措施進(jìn)行處理。

3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)試驗(yàn)端口的定義，將在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置試驗(yàn)端口分為信號(hào)端口、機(jī)殼端口和接地端口。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，確定相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目，見(jiàn)表1。

4 試驗(yàn)要求

4.1 合格判據(jù)

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置在所有項(xiàng)目的試驗(yàn)期間及試驗(yàn)后均能夠正常工作，與模擬服務(wù)器之間的通信正常，不能出現(xiàn)通信中斷、誤碼和亂碼等現(xiàn)象。

4.2 試驗(yàn)項(xiàng)目具體要求

具體的試驗(yàn)項(xiàng)目要求見(jiàn)表2（略）。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目一覽表

5 試驗(yàn)方法及過(guò)程

5.1 試驗(yàn)回路

為了充分對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置電磁兼容特性進(jìn)行驗(yàn)證，本次搭建的試驗(yàn)回路如圖2所示。監(jiān)測(cè)部分的3個(gè)監(jiān)測(cè)器將采集到的信號(hào)經(jīng)線(xiàn)纜傳輸至信號(hào)處理裝置，處理后的信號(hào)經(jīng)通信天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸至模擬服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理和顯示。

圖2 試驗(yàn)回路連接示意圖

5.2 工作狀態(tài)

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置具有超低功耗、低功耗、正常和大功率4種工作模式，因?yàn)樵谄涔こ虘?yīng)用中大部分采用低功耗模式，所以為了模擬其正常工況下的工作狀態(tài)，試驗(yàn)過(guò)程中的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置工作在低功耗模式。同時(shí)，為了讓干擾信號(hào)能充分干擾在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，試驗(yàn)期間在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置和服務(wù)器通信頻率為每秒1次，通信信息內(nèi)容均為“這是測(cè)試!!”。

5.3 試驗(yàn)過(guò)程

1）傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)

在進(jìn)行傳導(dǎo)抗擾度類(lèi)試驗(yàn)時(shí)，信號(hào)源產(chǎn)品符合試驗(yàn)要求的信號(hào)，經(jīng)耦合裝置將干擾信號(hào)耦合至被測(cè)物（equipment under testing, EUT）內(nèi)部，以考核在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置是否能正常工作。試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)布置和試驗(yàn)方法均滿(mǎn)足GB/T 17626.4—2018、GB/T 17626.5—2008等標(biāo)準(zhǔn)要求，試品工作在前文5.2節(jié)要求的狀態(tài)。其中電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)布置

2）輻射抗擾度試驗(yàn)

在進(jìn)行輻射抗擾度類(lèi)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)布置和試驗(yàn)方法均滿(mǎn)足GB/T 17626.3—2016和、GB/T 17626.8—2016等標(biāo)準(zhǔn)要求，試品工作在前文5.2節(jié)要求的狀態(tài)，信號(hào)源（或含功率放大器）產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)產(chǎn)生滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度，試驗(yàn)期間EUT距發(fā)射天線(xiàn)一定距離或被置于線(xiàn)圈內(nèi)部，考核處于此強(qiáng)度中的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置各項(xiàng)指標(biāo)是否正常。其中輻射抗擾度試驗(yàn)布置如圖4所示。

圖4 輻射抗擾度試驗(yàn)布置圖

6 試驗(yàn)結(jié)果及整改措施

依據(jù)前文4.2節(jié)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求和第5節(jié)的試驗(yàn)方法，完成所有項(xiàng)目的試驗(yàn)。除了電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)外，其余試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果都滿(mǎn)足判據(jù)的要求。

在電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)期間，出現(xiàn)“??這是測(cè)試!!”等亂碼和誤碼的現(xiàn)象，具體通信監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 出現(xiàn)亂碼和誤碼現(xiàn)象的通信監(jiān)測(cè)結(jié)果

6.1 問(wèn)題分析

電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)是通過(guò)耦合夾把干擾能量注入EUT信號(hào)線(xiàn)上，進(jìn)而進(jìn)入EUT內(nèi)部影響其工作性能的。干擾信號(hào)為共模信號(hào)，對(duì)于下一步整改只需考慮從信號(hào)線(xiàn)纜、接口等方面進(jìn)行整改。

其中注入的波形上升時(shí)間為5ns（頻率可達(dá)到60MHz）， 持續(xù)時(shí)間為50ns，脈沖群周期為300ms，持續(xù)時(shí)間為0.75ms（頻率為100kHz）。單個(gè)脈沖能量較低，但頻率范圍較寬，脈沖重復(fù)率較高，干擾能量較為集中。電快速瞬變單個(gè)波形如圖6所示。

圖6 電快速瞬變單個(gè)脈沖波形

6.2 整改措施

1）屏蔽線(xiàn)纜

屏蔽是電磁兼容整改的措施之一。按照被試試品的結(jié)構(gòu)形式，可以分為線(xiàn)纜屏蔽和機(jī)殼屏蔽。因?yàn)槊}沖群干擾能量主要通過(guò)傳導(dǎo)耦合形式進(jìn)入被試品內(nèi)部，所以采取屏蔽線(xiàn)纜可有效隔離干擾能量。

對(duì)于避雷器和線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置之間的互聯(lián)信號(hào)線(xiàn)纜，改用帶屏蔽層的多芯線(xiàn)纜，同時(shí)，線(xiàn)纜屏蔽層與線(xiàn)纜接頭處采用360°環(huán)接，以保證屏蔽層屏蔽效果良好。

2）抗干擾器件

（1）共模電感的選取

共模電感對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)出的很小阻抗幾乎不起作用，但對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)出的高阻抗具有抑制作用。它是一個(gè)四端口器件，由兩個(gè)材質(zhì)、尺寸和匝數(shù)都相同的線(xiàn)圈，對(duì)稱(chēng)地繞制在同一個(gè)鐵氧體磁心上制作而成。

因?yàn)槊}沖群干擾涉及頻帶較寬，所以選擇兩級(jí)共模電感進(jìn)行串聯(lián)濾波，初級(jí)電感選用錳鋅鐵氧體共模電感，它的磁導(dǎo)率高，頻率范圍窄，頻段范圍一般小于10MHz，這里根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選用諧振頻率為9MHz、電感為56◆H的錳鋅共模電感；同理，次級(jí)電感選用頻率范圍寬、磁導(dǎo)率低的鎳鋅鐵氧體共模電感，電感為6.8◆H，諧振頻率為60MHz，目的是覆蓋整個(gè)干擾頻段。

（2）TVS管的選取

TVS二極管是一種瞬變電壓抑制二極管，具有導(dǎo)電非線(xiàn)性、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。一般由硅通過(guò)擴(kuò)散工藝而形成PN結(jié)，當(dāng)其兩端出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，能將自身的高阻抗瞬間轉(zhuǎn)化為低阻抗，允許干擾電流通過(guò)，以達(dá)到泄放干擾的目的。

信號(hào)端口的正常工作電壓為直流5V，最大安全電壓為直流12V，電快速瞬變（electrical fast transient, EFT）主機(jī)的內(nèi)阻為50◆，輸出峰值電壓為4kV時(shí)，峰值電流為80A，故根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選用箝位電壓為10V、功率為200W的TVS管，因還要通過(guò)正負(fù)脈沖的考核，所以選取雙向TVS管。

（3）共模電容的選取

電容在高頻時(shí)呈現(xiàn)低阻抗，在低頻時(shí)呈現(xiàn)高阻抗，利用電容這種阻抗特性，使高頻干擾信號(hào)通過(guò)電容泄放至大地。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和電容的阻抗特性曲線(xiàn)，選取諧振頻率工作在180MHz（60MHz頻點(diǎn)三次諧波）左右的電容進(jìn)行高頻濾波，其電容值為4.7◆F，直流額定工作電壓為5V。

整改原理圖如圖7所示。

圖7 整改原理圖

6.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用上述措施整改過(guò)后，對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)端口進(jìn)行EFT驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為±4kV，頻率為100kHz，試驗(yàn)時(shí)間為1min，試驗(yàn)結(jié)果符合判據(jù)要求。整改后的通信監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

7 結(jié)論

本文分析了線(xiàn)路用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置所處的嚴(yán)酷電磁環(huán)境，結(jié)合實(shí)際研發(fā)出樣機(jī)，根據(jù)最嚴(yán)酷等級(jí)具體的試驗(yàn)要求，搭建了完整的試驗(yàn)回路，并用研發(fā)樣機(jī)完成了首次電磁兼容試驗(yàn)；在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電快速脈沖群試驗(yàn)結(jié)果不滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，又提出了一個(gè)整改設(shè)計(jì)方法，并對(duì)此整改重新進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足要求，效果良好。

圖8 整改后的通信監(jiān)測(cè)結(jié)果

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置電磁兼容試驗(yàn)從具體內(nèi)容到后期的整改措施，對(duì)其設(shè)計(jì)和實(shí)施均具有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)，對(duì)后期設(shè)備的具體設(shè)計(jì)、制造和安裝也有一定的指導(dǎo)作用，為工程的列裝奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。