线路用避雷器在线监测装置电磁兼容试验研究
甘肃电器科学研究院、国家高低压电器质量监督检验中心、南阳高新区天成电气设备有限公司的研究人员胡申、史娜、宋昊、李凡、胡昂，在2020年第3期《电气技术》杂志上撰文，通过分析线路用在线监测装置的电磁环境，得出研究其电磁兼容试验重要性和必要性的结论。
结合具体的样机产品，分析样机的构成和干扰机理，提出具体的试验项目及试验要求，完成试验回路的搭建和具体试验。针对试验中出现的电快速脉冲群干扰问题，提出一种整改方法，即对信号线缆采取屏蔽线缆以及在信号端口增加TVS管、共模电感、共模电容的手段。试验结果证明，该方法能有效提高电快速脉冲群的抗干扰能力。
随着物联网技术的发展和通信技术水平的提高，在线监测技术得以快速发展，越来越受到人们的重视，应用范围越来越广，应用领域包括智能家居、电动汽车、智能变电站、电力系统等，其中避雷器在线监测技术是近年来研究的热点之一。电力系统中的避雷器自身工况将直接关系到电力系统运行的稳定性和安全性，因此，对避雷器工况进行在线监测显得十分必要。
线路用避雷器在线监测装置一般被安装于露天户外，它属于弱电二次设备，周围电磁环境复杂，其电磁兼容问题日益突出，直接影响在线监测装置的正常运行，甚至对在线监测装置造成破坏，使其不能工作。因此，本文对线路用避雷器在线监测装置展开电磁兼容试验技术研究，以期提高其在复杂电磁环境下工作的稳定性和安全性。
目前市场上避雷器用在线监测装置研发生产的厂家较多，外观结构形式、工作原理、通信方式、供电方式等不尽相同，本文以某单位的样机为样品进行电磁兼容试验的分析和电磁兼容性能的考核。
1 监测装置电磁干扰源的分析
可将电磁干扰源分为自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源包括日常生活中所见的雷电、宇宙噪声等。人为干扰源包括广播信号、手机信号、电视信号、蓝牙信号、WiFi信号、高压架空输电线路、轨道交通等。
线路用避雷器在线监测装置被安装于避雷器的接地端，与避雷器相串联，尾部与输电线路铁塔相搭接。
其所在位置的电磁干扰源大致包括：①输电线路正常工作产生的稳态工频电磁场；②输电线路短路产生的瞬态电磁场；③自然界雷电产生的瞬态电磁场；④自然界存在的广播、电视、通信、雷达和导航等无线电电磁场；⑤检修时工作人员所携带静电荷产生的静电放电瞬态电磁场。
从以上分析可知，线路避雷器在线监测装置所处的电磁环境极为恶劣，正常运行中会受到各种电磁干扰，可能影响其正常运行与通信，甚至对其造成损坏，使其不能正常工作。因此，对线路避雷器在线监测装置展开电磁兼容研究已十分迫切。
2 监测装置的构成
对线路用避雷器在线监测装置基本上可以划分为以下4种：①按照输电线路的类型分为交流型和直流型；②按照线路避雷器的类型分为无间隙型和有间隙型；③按照数据通信方式的类型分为远传型和非远传型；④按照供电方式的类型分为锂电池供电、太阳能板供电和耦合感应取电。
本次电磁兼容试验所用的是交流远传型太阳能板供电的监测器，适用于无间隙型和有间隙型线路避雷器。该在线监测装置由3部分构成，分别为监测器、信号综合处理装置和供电部分，其示意图如图1所示，其工作原理及结构分别如下。
图1 在线监测装置构成示意图
2.1 监测器
采用穿芯电流互感器及穿芯计数线圈的形式将采集的信号通过电缆传输给信号综合处理装置。监测器机壳采用屏蔽壳体，并进行接地处理。
2.2 信号综合处理装置
将全电流信号及雷电流信号传输至高速A/D处理，中央处理器在得到A/D处理数据且经过数字滤波等算法处理后，将数字信号通过433M通信芯片和天线传输到接收装置（可用模拟服务器接收装置替代）。信号综合处理装置的机壳采用屏蔽壳体，并进行接地处理。
2.3 供电部分
供电采用太阳能电池板和模块电池实现，将太阳能电池板放置于屏蔽壳体之上，将电池模块放置于屏蔽壳体内部。
3 试验项目的分析
3.1 干扰机理分析
可将电磁干扰按干扰路径分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指干扰源产生的干扰信号经传输电路（包括共阻抗、共电源等耦合方式）耦合至设备内部，对设备造成干扰。辐射干扰是指干扰能量以电磁波的形式在介质中进行传播，进而通过设备的机壳缝隙、设备机壳、设备所连接线缆等部位耦合至设备的内部，造成对设备的干扰。
然而，在设备使用现场，一个设备受到电磁干扰，既可能是由多个干扰源通过不同的耦合路径干扰所致，也可能是由同一个干扰源通过不同的耦合路径所致，还可能二者同时存在，因此，对于出现电磁干扰问题，需要具体问题进行具体分析，因地制宜，采取不同的措施进行处理。
3.2 试验项目
根据有关文献对试验端口的定义，将在线监测装置试验端口分为信号端口、机壳端口和接地端口。同时，根据国家电磁兼容标准，确定相应的试验项目，见表1。
4 试验要求
4.1 合格判据
在线监测装置在所有项目的试验期间及试验后均能够正常工作，与模拟服务器之间的通信正常，不能出现通信中断、误码和乱码等现象。
4.2 试验项目具体要求
具体的试验项目要求见表2（略）。
表1 试验项目一览表
5 试验方法及过程
5.1 试验回路
为了充分对在线监测装置电磁兼容特性进行验证，本次搭建的试验回路如图2所示。监测部分的3个监测器将采集到的信号经线缆传输至信号处理装置，处理后的信号经通信天线无线传输至模拟服务器进行数据接收、处理和显示。
图2 试验回路连接示意图
5.2 工作状态
在线监测装置具有超低功耗、低功耗、正常和大功率4种工作模式，因为在其工程应用中大部分采用低功耗模式，所以为了模拟其正常工况下的工作状态，试验过程中的在线监测装置工作在低功耗模式。同时，为了让干扰信号能充分干扰在线监测装置，试验期间在线监测装置和服务器通信频率为每秒1次，通信信息内容均为“这是测试!!”。
5.3 试验过程
1）传导抗扰度试验
在进行传导抗扰度类试验时，信号源产品符合试验要求的信号，经耦合装置将干扰信号耦合至被测物（equipment under testing, EUT）内部，以考核在线监测装置是否能正常工作。试验过程中的试验布置和试验方法均满足GB/T 17626.4—2018、GB/T 17626.5—2008等标准要求，试品工作在前文5.2节要求的状态。其中电快速脉冲群抗扰度试验布置如图3所示。
图3 电快速脉冲群抗扰度试验布置
2）辐射抗扰度试验
在进行辐射抗扰度类试验时，试验布置和试验方法均满足GB/T 17626.3—2016和、GB/T 17626.8—2016等标准要求，试品工作在前文5.2节要求的状态，信号源（或含功率放大器）产生的信号经发射天线产生满足试验要求的电场或磁场强度，试验期间EUT距发射天线一定距离或被置于线圈内部，考核处于此强度中的在线监测装置各项指标是否正常。其中辐射抗扰度试验布置如图4所示。
图4 辐射抗扰度试验布置图
6 试验结果及整改措施
依据前文4.2节试验项目的要求和第5节的试验方法，完成所有项目的试验。除了电快速脉冲群抗扰度试验外，其余试验项目试验结果都满足判据的要求。
在电快速脉冲群抗扰度试验期间，出现“??这是测试!!”等乱码和误码的现象，具体通信监测结果如图5所示。
图5 出现乱码和误码现象的通信监测结果
6.1 问题分析
电快速脉冲群抗扰度试验是通过耦合夹把干扰能量注入EUT信号线上，进而进入EUT内部影响其工作性能的。干扰信号为共模信号，对于下一步整改只需考虑从信号线缆、接口等方面进行整改。
其中注入的波形上升时间为5ns（频率可达到60MHz）， 持续时间为50ns，脉冲群周期为300ms，持续时间为0.75ms（频率为100kHz）。单个脉冲能量较低，但频率范围较宽，脉冲重复率较高，干扰能量较为集中。电快速瞬变单个波形如图6所示。
图6 电快速瞬变单个脉冲波形
6.2 整改措施
1）屏蔽线缆
屏蔽是电磁兼容整改的措施之一。按照被试试品的结构形式，可以分为线缆屏蔽和机壳屏蔽。因为脉冲群干扰能量主要通过传导耦合形式进入被试品内部，所以采取屏蔽线缆可有效隔离干扰能量。
对于避雷器和线监测装置之间的互联信号线缆，改用带屏蔽层的多芯线缆，同时，线缆屏蔽层与线缆接头处采用360°环接，以保证屏蔽层屏蔽效果良好。
2）抗干扰器件
（1）共模电感的选取
共模电感对于差模信号呈现出的很小阻抗几乎不起作用，但对共模信号呈现出的高阻抗具有抑制作用。它是一个四端口器件，由两个材质、尺寸和匝数都相同的线圈，对称地绕制在同一个铁氧体磁心上制作而成。
因为脉冲群干扰涉及频带较宽，所以选择两级共模电感进行串联滤波，初级电感选用锰锌铁氧体共模电感，它的磁导率高，频率范围窄，频段范围一般小于10MHz，这里根据工程经验选用谐振频率为9MHz、电感为56H的锰锌共模电感；同理，次级电感选用频率范围宽、磁导率低的镍锌铁氧体共模电感，电感为6.8H，谐振频率为60MHz，目的是覆盖整个干扰频段。
（2）TVS管的选取
TVS二级管是一种瞬变电压抑制二极管，具有导电非线性、响应速度快的特点。一般由硅通过扩散工艺而形成PN结，当其两端出现瞬时过压脉冲时，能将自身的高阻抗瞬间转化为低阻抗，允许干扰电流通过，以达到泄放干扰的目的。
信号端口的正常工作电压为直流5V，最大安全电压为直流12V，电快速瞬变（electrical fast transient, EFT）主机的内阻为50，输出峰值电压为4kV时，峰值电流为80A，故根据工程经验，选用箝位电压为10V、功率为200W的TVS管，因还要通过正负脉冲的考核，所以选取双向TVS管。
（3）共模电容的选取
电容在高频时呈现低阻抗，在低频时呈现高阻抗，利用电容这种阻抗特性，使高频干扰信号通过电容泄放至大地。根据工程经验和电容的阻抗特性曲线，选取谐振频率工作在180MHz（60MHz频点三次谐波）左右的电容进行高频滤波，其电容值为4.7F，直流额定工作电压为5V。
整改原理图如图7所示。
图7 整改原理图
6.3 试验验证
采用上述措施整改过后，对在线监测装置的信号端口进行EFT验证试验，试验电压为±4kV，频率为100kHz，试验时间为1min，试验结果符合判据要求。整改后的通信监测结果如图8所示。
7 结论
本文分析了线路用在线监测装置所处的严酷电磁环境，结合实际研发出样机，根据最严酷等级具体的试验要求，搭建了完整的试验回路，并用研发样机完成了首次电磁兼容试验；在试验过程中，发现电快速脉冲群试验结果不满足试验要求，又提出了一个整改设计方法，并对此整改重新进行了试验，试验结果满足要求，效果良好。
图8 整改后的通信监测结果
在线监测装置电磁兼容试验从具体内容到后期的整改措施，对其设计和实施均具有重要的指导意义。同时，对后期设备的具体设计、制造和安装也有一定的指导作用，为工程的列装奠定了技术基础。