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，在線監(jiān)測技術(shù)得以快速發(fā)展，越來越受到人們的重視，應(yīng)用范圍越來越廣，應(yīng)用領(lǐng)域包括智能家居、電動汽車、智能變電站、電力系統(tǒng)等，其中避雷器在線監(jiān)測技術(shù)是近年來研究的熱點之一。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)運行的穩(wěn)定性和安全性，因此，對避雷器工況進行在線監(jiān)測顯得十分必要。

線路用避雷器在線監(jiān)測裝置一般被安裝于露天戶外，它屬于弱電二次設(shè)備，周圍電磁環(huán)境復(fù)雜，其電磁兼容問題日益突出，直接影響在線監(jiān)測裝置的正常運行，甚至對在線監(jiān)測裝置造成破壞，使其不能工作。因此，本文對線路用避雷器在線監(jiān)測裝置展開電磁兼容試驗技術(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。

目前市場上避雷器用在線監(jiān)測裝置研發(fā)生產(chǎn)的廠家較多，外觀結(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為樣品進行電磁兼容試驗的分析和電磁兼容性能的考核。

1 監(jiān)測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的雷電、宇宙噪聲等。人為干擾源包括廣播信號、手機信號、電視信號、藍牙信號、WiFi信號、高壓架空輸電線路、軌道交通等。

線路用避雷器在線監(jiān)測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輸電線路正常工作產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)工頻電磁場；②輸電線路短路產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場；③自然界雷電產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場；④自然界存在的廣播、電視、通信、雷達和導(dǎo)航等無線電電磁場；⑤檢修時工作人員所攜帶靜電荷產(chǎn)生的靜電放電瞬態(tài)電磁場。

從以上分析可知，線路避雷器在線監(jiān)測裝置所處的電磁環(huán)境極為惡劣，正常運行中會受到各種電磁干擾，可能影響其正常運行與通信，甚至對其造成損壞，使其不能正常工作。因此，對線路避雷器在線監(jiān)測裝置展開電磁兼容研究已十分迫切。

2 監(jiān)測裝置的構(gòu)成

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

本次電磁兼容試驗所用的是交流遠傳型太陽能板供電的監(jiān)測器，適用于無間隙型和有間隙型線路避雷器。該在線監(jiān)測裝置由3部分構(gòu)成，分別為監(jiān)測器、信號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 在線監(jiān)測裝置構(gòu)成示意圖

2.1 監(jiān)測器

采用穿芯電流互感器及穿芯計數(shù)線圈的形式將采集的信號通過電纜傳輸給信號綜合處理裝置。監(jiān)測器機殼采用屏蔽殼體，并進行接地處理。

2.2 信號綜合處理裝置

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

2.3 供電部分

供電采用太陽能電池板和模塊電池實現(xiàn)，將太陽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 試驗項目的分析

3.1 干擾機理分析

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)中進行傳播，進而通過設(shè)備的機殼縫隙、設(shè)備機殼、設(shè)備所連接線纜等部位耦合至設(shè)備的內(nèi)部，造成對設(shè)備的干擾。

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

3.2 試驗項目

根據(jù)有關(guān)文獻對試驗端口的定義，將在線監(jiān)測裝置試驗端口分為信號端口、機殼端口和接地端口。同時，根據(jù)國家電磁兼容標準，確定相應(yīng)的試驗項目，見表1。

4 試驗要求

4.1 合格判據(jù)

在線監(jiān)測裝置在所有項目的試驗期間及試驗后均能夠正常工作，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 試驗項目具體要求

具體的試驗項目要求見表2（略）。

表1 試驗項目一覽表

5 試驗方法及過程

5.1 試驗回路

為了充分對在線監(jiān)測裝置電磁兼容特性進行驗證，本次搭建的試驗回路如圖2所示。監(jiān)測部分的3個監(jiān)測器將采集到的信號經(jīng)線纜傳輸至信號處理裝置，處理后的信號經(jīng)通信天線無線傳輸至模擬服務(wù)器進行數(shù)據(jù)接收、處理和顯示。

圖2 試驗回路連接示意圖

5.2 工作狀態(tài)

在線監(jiān)測裝置具有超低功耗、低功耗、正常和大功率4種工作模式，因為在其工程應(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)，試驗過程中的在線監(jiān)測裝置工作在低功耗模式。同時，為了讓干擾信號能充分干擾在線監(jiān)測裝置，試驗期間在線監(jiān)測裝置和服務(wù)器通信頻率為每秒1次，通信信息內(nèi)容均為“這是測試!!”。

5.3 試驗過程

1）傳導(dǎo)抗擾度試驗

在進行傳導(dǎo)抗擾度類試驗時，信號源產(chǎn)品符合試驗要求的信號，經(jīng)耦合裝置將干擾信號耦合至被測物（equipment under testing, EUT）內(nèi)部，以考核在線監(jiān)測裝置是否能正常工作。試驗過程中的試驗布置和試驗方法均滿足GB/T 17626.4—2018、GB/T 17626.5—2008等標準要求，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布置如圖3所示。

圖3 電快速脈沖群抗擾度試驗布置

2）輻射抗擾度試驗

在進行輻射抗擾度類試驗時，試驗布置和試驗方法均滿足GB/T 17626.3—2016和、GB/T 17626.8—2016等標準要求，試品工作在前文5.2節(jié)要求的狀態(tài)，信號源（或含功率放大器）產(chǎn)生的信號經(jīng)發(fā)射天線產(chǎn)生滿足試驗要求的電場或磁場強度，試驗期間EUT距發(fā)射天線一定距離或被置于線圈內(nèi)部，考核處于此強度中的在線監(jiān)測裝置各項指標是否正常。其中輻射抗擾度試驗布置如圖4所示。

圖4 輻射抗擾度試驗布置圖

6 試驗結(jié)果及整改措施

依據(jù)前文4.2節(jié)試驗項目的要求和第5節(jié)的試驗方法，完成所有項目的試驗。除了電快速脈沖群抗擾度試驗外，其余試驗項目試驗結(jié)果都滿足判據(jù)的要求。

在電快速脈沖群抗擾度試驗期間，出現(xiàn)“??這是測試!!”等亂碼和誤碼的現(xiàn)象，具體通信監(jiān)測結(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)測結(jié)果

6.1 問題分析

電快速脈沖群抗擾度試驗是通過耦合夾把干擾能量注入EUT信號線上，進而進入EUT內(nèi)部影響其工作性能的。干擾信號為共模信號，對于下一步整改只需考慮從信號線纜、接口等方面進行整改。

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

圖6 電快速瞬變單個脈沖波形

6.2 整改措施

1）屏蔽線纜

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，可以分為線纜屏蔽和機殼屏蔽。因為脈沖群干擾能量主要通過傳導(dǎo)耦合形式進入被試品內(nèi)部，所以采取屏蔽線纜可有效隔離干擾能量。

對于避雷器和線監(jiān)測裝置之間的互聯(lián)信號線纜，改用帶屏蔽層的多芯線纜，同時，線纜屏蔽層與線纜接頭處采用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

共模電感對于差模信號呈現(xiàn)出的很小阻抗幾乎不起作用，但對共模信號呈現(xiàn)出的高阻抗具有抑制作用。它是一個四端口器件，由兩個材質(zhì)、尺寸和匝數(shù)都相同的線圈，對稱地繞制在同一個鐵氧體磁心上制作而成。

因為脈沖群干擾涉及頻帶較寬，所以選擇兩級共模電感進行串聯(lián)濾波，初級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)驗選用諧振頻率為9MHz、電感為56◆H的錳鋅共模電感；同理，次級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)電非線性、響應(yīng)速度快的特點。一般由硅通過擴散工藝而形成PN結(jié)，當其兩端出現(xiàn)瞬時過壓脈沖時，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，以達到泄放干擾的目的。

信號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）主機的內(nèi)阻為50◆，輸出峰值電壓為4kV時，峰值電流為80A，故根據(jù)工程經(jīng)驗，選用箝位電壓為10V、功率為200W的TVS管，因還要通過正負脈沖的考核，所以選取雙向TVS管。

（3）共模電容的選取

電容在高頻時呈現(xiàn)低阻抗，在低頻時呈現(xiàn)高阻抗，利用電容這種阻抗特性，使高頻干擾信號通過電容泄放至大地。根據(jù)工程經(jīng)驗和電容的阻抗特性曲線，選取諧振頻率工作在180MHz（60MHz頻點三次諧波）左右的電容進行高頻濾波，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 試驗驗證

采用上述措施整改過后，對在線監(jiān)測裝置的信號端口進行EFT驗證試驗，試驗電壓為±4kV，頻率為100kHz，試驗時間為1min，試驗結(jié)果符合判據(jù)要求。整改后的通信監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

7 結(jié)論

本文分析了線路用在線監(jiān)測裝置所處的嚴酷電磁環(huán)境，結(jié)合實際研發(fā)出樣機，根據(jù)最嚴酷等級具體的試驗要求，搭建了完整的試驗回路，并用研發(fā)樣機完成了首次電磁兼容試驗；在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)電快速脈沖群試驗結(jié)果不滿足試驗要求，又提出了一個整改設(shè)計方法，并對此整改重新進行了試驗，試驗結(jié)果滿足要求，效果良好。

圖8 整改后的通信監(jiān)測結(jié)果

在線監(jiān)測裝置電磁兼容試驗從具體內(nèi)容到后期的整改措施，對其設(shè)計和實施均具有重要的指導(dǎo)意義。同時，對后期設(shè)備的具體設(shè)計、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)。