高压电气设备一体化试验装置研究

国网吉林省电力有限公司长春供电公司 翟永杰 高 晗

电磁干扰问题是影响高压电气设备的一体化试验装置检测误差的重要影响因素，随着电气设备设计复杂度不断增加，使得一些电气设备出现电磁干扰的强度与频率逐渐增加，这使得一体化试验装置的检测效果会受到极大的影响。为此，本文将针对该问题进行深入研究，明确造成该现象的主要机理问题，以期为相关单位或人员提供帮助。

1 装置干扰状况分析

电磁兼容问题是现阶段高于电气设备便携式一体化试验装置设计面临的一大难题。国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）对其定义为：电气设备或系统在所处的电磁环境下可以正常工作，同时并不能够对其它设备或系统造成干扰[1]。对此，研究电磁干扰对一体化试验装置的抑制作用需要深入了解其出现的前提，即明确电磁干扰的来源并分析出高压电气装置电磁干扰的状况。另外，若电磁干扰存在一定的归类性则还需要对其装置的工作电磁干扰频率进行分析，从而确定检定电气设备本身的频率与变化特征，以此完成对电磁干扰的滤波设计，获得真实有效的电磁干扰抑制效果数据[2]。

1.1 电磁干扰的来源

高压电气设备的电磁干扰途径如图1所示。根据电磁干扰的类型对其进行划分，可将高压电气设备的电磁干扰分为电压回路干扰、电流回路干扰、工作电源线路干扰、接地线干扰以及脉冲接收回路干扰等[3]。

图1 体化检测装置的干扰途径

对高压电气设备的线路干扰进行分析时，需要分别使用定量和定性两种针对性较强的分析模式，同时对上述五种位置下不同的电磁干扰信息进行检测时，需要积极利用示波器设备做好数据记录[4]。在仿真模拟获取电磁干扰数据实验中，可通过干扰信号发生器的方式实现对瞬变脉冲群发出的电信号进行捕捉，此时需要实验人员注意电流和电压的提供大小，并以此为步长逐步增加功率的输入。上述提到干扰信号发生器所发出干扰信号的电压幅度与频率分别为4.5kV 和6kHz，所有测量电流均需要采用示波器作为接收信号源，并在示波器下形成电压与脉冲接收的回路波形。例如，由示波器收集并记录的检测设备电压回路上的干扰信号（纸质版）如图2所示。该检测数据是对输出回路检测而获取的干扰脉冲信号，其信号的宽度与幅度分别为80ns 和6V。为能够更加准确的探究出高压电气设备电磁干扰信号的特征数据，需要在模拟电磁干扰信号发生器中安装去耦装置，同时在其结构的角度对线路上的干扰信号进行分析时，应当分别使用上述所提的定量和定性两种分析模式，并在融合检测上述所提五种位置下的电磁干扰信息时，仍需要将示波器设备所记录的数据进行整理分析，以期为之后的一体化试验装置干扰问题及数据分析提供帮助[5]。

图2 —体化试验装置检测电压输出回路的干扰信号

1.2 电流回路上的干扰信号

在检测设备的电路回路上设计互感器设备作为中间环节完成连接，其检测数据结果如图3所示。

图3 一体化试验装置在电流输出回路下检测时的干扰信号

由上图数据能够得出，干扰信号被流经至监测器件的线路上时会出现电容和寄生电感等不稳定电气产生，虽然已经将互感器作为中间环节装置进行中和，但进行连接的电流输出回路上仍存在较强的电磁干扰信号。由此可证明，在高压电气设备出现某些故障后在产生寄生电感与杂散电容，在两者的相互作用下会使电磁干扰信号掺杂于电流的回路当中，进而会使加装互感器装置的线路仍会受到较大电磁信号的干扰。

1.3 脉冲接收回路上的干扰信号

高压电气设备一体化试验装置的脉冲接收回路属于信号接口的一种，以上述研究能够确立在同等计量单元作用下高压电气设备的输入电压与电流信号会出现一定程度的发生变化，并会以一种脉冲信号的形式向试验装置传递。在上述抗电磁干扰的实验中发现，高压电气设备故障时产生的电磁干扰信号其影响力能够迫使脉冲单元发生变化，经过分析后发现影响方式主要可分为两种：第一种即在设备传输线路的辅助下电磁干扰信号会以一种被动耦合的情况融入到脉冲线路中，进而会对脉冲接收所接收的信号产生影响；第二种方式为电磁干扰信号本就存在于线路内部在脉冲输出的回路上不断形成新的耦合[6]。一体化试验装置的脉冲接收回路接收到的干扰信号如图4所示，其电磁干扰信号的宽度与幅值分别为80ns、2V。

图4 —体化试验装置脉冲回路接受到的电磁干扰信号

2 一体化试验装置的受干扰情况研究

2.1 对瞬变脉冲群干扰实验真实情况的分析

以相关电磁干扰指标和国标《GB/T 17626.4》和《GB/T 17215.211》为基准对上述干扰数据进行分析。在国际标准中对一体化试验装置的瞬变脉冲群抗扰度实验参数进行过约束，并在上述标准中明确针对高压交流电电气设备故障测量的通用要求，详细约束条件如表1所示。

表1 针对一体化试验装置干扰脉冲群的特性约束

以上表中记录的脉冲特性约束条件为基础完成对检测装置的脉冲频谱图绘制，如图4所示。由图5中记录的数据可知，其试验下的电磁干扰脉冲群带宽较大，基本集中在35MHz 一下。35MHz～110MHz阶段出现明显下降，即在110MHz 状态下其干扰脉冲群的幅值会降至73%。处于450MHz～1000MHz之间的频率条件下其电磁干扰信号会迅速降低，在1000MHz 处时电磁干扰信号会降至0%。

图5 干扰脉冲群的频谱特性图

当明确高压电气设备故障时产生的干扰脉冲群信号特性机理后，还需要考虑如何解决存在检测信号中耦合干扰脉冲群信号问题。以国标《GB/T 17626.4》和《GB/T 17215.211》中规定的相关测试要求标准为基础，对该问题进行试验验证，相关测试要求标准数据汇总与下表2所示。通过情况下，高压电气设备的电磁干扰信号波长是会对辐射干扰信号产生直接影响，因此实验中的电磁干扰信号波长长度应当不得超过干扰频率波长的1/5，若超出此范围便会造成干扰强度降低影响实验结果的情况。若从电磁干扰信号的波长与设备导线长度之间的关系来看，如果二者间属于相等关系，那么便会出现天线效应，由导线将干扰信息传播会对实验设备产造成较大的影响。

表2 传导干扰信号特性要求

图6 60MHz 频率点的辐射场信号倍频

图7 70MHz 频率点的辐射场信号频谱

从上述抗电磁干扰的实验结果来看，影响一体化试验装置间的连接导线长度可以确定在0.5-2m之间，过长或过短都会在射频传导抗干扰试验中出现干扰信号逃逸的现象。在对高压电气设备一体化试验装置进行抗干扰的辐射场实际测量时，应当以100、85、65、7、1和0.3为标准进行检测，假设试验电压为10V，导线距离为5cm 和20cm，测试结果汇总与下表3中所示。

表3 不同频率辐射场强测试结果（单位/MHz）

由上表中检测结果数据可知，在1MHz 且导线距离5cm 时会出现最大的电磁干扰信号场强，其幅值约为83.3V/m。对测试结果进行分析，电磁干扰信号对一体化试验装置的影响产生的场强可以达到855V/m，并且存在较宽的频谱产生，从信号的分布情况角度上出发，其干扰信号处在几十至几百兆赫兹间的情况较为集中。

3 基于滤波技术的抗电磁干扰措施

滤波技术可以利用压缩信号来阻断电磁干扰传播途径，是提高高压电气设备抗电磁干扰性能的有效措施和方法。此外，借助滤波器能够进一步滤除电磁干扰信号，减少干扰频谱与信号频带之间的差异。从结构方面来看，滤波器主要由电阻、电容、电感等装置组成，将其接入到电气设备传输线中，可以抑制异常频率的产生，以达到阻断电磁干扰的目的。

滤波器网络属性为二端口网络，不同频率网络信号进入滤波器后，会出现不同程度的衰减，在评价电磁干扰性能时，滤波器损耗是极为重要的参数，其损耗公式为：

L(dB)=20lg(U1/U2)

式中：U1为未经过滤波器的电压；U2为经过滤波器的电压。

由于滤波器特性会受到信号变化所产生的影响，因此其损耗曲线也会随之改变。以滤波器频率特性为划分标准，可以将滤波器划分为高通和低通两种类型滤波器；按照衰减变化程度，还可以将滤波器划分为带阻和带通滤波器。上述四种类型滤波器中，低通滤波器有着广泛的应用，并且在高压电气设备抗电磁干扰中发挥着重要作用，图8为滤波器频率特性曲线。

图8 低通滤波器特性曲线

以滤波器工作原理为划分依据，可以将滤波器划分为吸收式和反射式滤波器。其中反射式滤波器主要由电容和电感组成，利用串联阻抗连接滤波器阻带，该滤波器在低并联阻抗中有着较强的优势，可以有效解决负载阻抗和噪音源阻抗；吸收式滤波器主要由不同类型和功能的耗能设备组成，可以吸收滤波器阻带中的噪音，同时也能够将能量转化为电能，使其成为滤波器设备热损耗，该类型滤波器具有良好的滤波效果，能够有效阻断电磁干扰传播途径。

综上所述，高压电气设备一体化试验装置会受到设备故障发出的电磁信号干扰，而出现检测信号缺失、回路数据受干扰和记录数据不完善等情况。通过深入分析高压电气设备出现电磁干扰信号的机理，探究出一体化试验装置在回路线路为5cm 处时会出现最强的电磁信号干扰，并且能够直接影响一体化试验装置的电磁干扰信号主要集中在27Hz 至560Hz 之间。