電磁騷擾信號(hào)的基本分析

蘇敬芳,于彥麗,郗艷梅

(1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校 電力工程系,河北 滄州 061001;2.保定市天河電子技術(shù)有限公司,河北 保定 071051)

1 電磁騷擾產(chǎn)生原因

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,越來越多的電子電路和電氣設(shè)備應(yīng)用于電力、通信、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域和國防領(lǐng)域。電子、電氣設(shè)備正常工作時(shí),往往會(huì)產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量,影響其它設(shè)備、系統(tǒng)和生物體,導(dǎo)致電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,造成了“電磁污染”,形成電磁騷擾。電磁騷擾指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號(hào)或傳播媒介自身的變化。隨著電力需求的增長,電力傳送越來越高壓化。高壓往往會(huì)發(fā)生局部放電,向空間發(fā)射電磁波。這種電磁波對中波廣播信號(hào)和VHF頻帶的電視信號(hào)影響最大。

電磁騷擾有可能使電氣、電子設(shè)備和系統(tǒng)的工作性能偏離預(yù)期的指標(biāo)或使工作性能出現(xiàn)不希望的偏差,即工作性能發(fā)生了“降級(jí)”,甚至還可能使電氣、電子設(shè)備和系統(tǒng)失靈,或?qū)е聣勖s短,或使電氣、電子設(shè)備和系統(tǒng)的效能發(fā)生不允許的永久性下降。嚴(yán)重時(shí)還可能摧毀電氣、電子設(shè)備和系統(tǒng),而且還將影響人體健康。[1]許多電子硬件包含著具有天線能力的元件,例如電纜、印制電路板的印制線、內(nèi)部連接導(dǎo)線和機(jī)械結(jié)構(gòu)。這些元件可以以電場、磁場或電磁場方式傳輸能量并耦合到線路中。

據(jù)測算電磁騷擾最多的場有高速數(shù)字信號(hào)線路、開關(guān)電路、脈沖發(fā)生電路和大功率控制電路等在極短的時(shí)間內(nèi)電壓電流急速變化的場合,所含有電感和電容的電路通斷的場合。另外,磁場、電場、電荷等電量急速變化時(shí),同樣產(chǎn)生電磁騷擾。

2 電感電路電磁騷擾

開關(guān)動(dòng)作的電路中,電壓 /電流的增大或衰減時(shí)間 t越短,則噪聲的帶寬越寬;急速變化的電壓 U及電流 I的幅值越大,則噪聲的幅度越大。特別是在電感性負(fù)載的電路中,電路從通轉(zhuǎn)換成斷的瞬間,容易產(chǎn)生斷續(xù)的電磁騷擾。

如圖 1所示,直流電壓 US在 L和R串聯(lián)的負(fù)載上產(chǎn)生電流 i時(shí),開關(guān) S從通轉(zhuǎn)換成斷的瞬間,在 L兩端產(chǎn)生比US大數(shù)十倍,有時(shí)上百倍的極性相反的尖峰電壓(稱為電感反沖電壓)。

其中 US=12 V,R=100Ω,L=5 mH,C0=100 pF,當(dāng)L兩端有寄生電容 C0時(shí),當(dāng)C0=100 pF時(shí),產(chǎn)生約-848 V,225 kHz的振蕩;當(dāng)C0可以忽略時(shí),將達(dá)到-6000 V;寄生電容越大,電感兩端的電壓越低,振蕩頻率也越低。實(shí)際電路中,即使在電感 L兩端連接電容器,因?yàn)殡娙萜饕€電感的影響,不會(huì)得到電容器的最佳效果,衰減振動(dòng)波形的下降部分變大,剩下高頻部分。電容器必須是耐高壓的,否則有可能被破壞。

3 變電站電磁騷擾

3.1 變電站電磁騷擾的起因

變電站的電磁環(huán)境雖然復(fù)雜,但產(chǎn)生電磁騷擾的主要起因可歸納為[2]:高壓隔離開關(guān)和斷路器的操作;雷擊線路、構(gòu)架;系統(tǒng)短路故障;工頻電流的作用;局部放電(電暈、沿面放電);二次回路中的開關(guān)操作;靜電放電;無線電發(fā)射機(jī)(對講機(jī));電源本身的電壓波動(dòng)、暫降、短時(shí)中斷、頻率變化及諧波等。

由于電容、電感均為儲(chǔ)能元件,當(dāng)開關(guān)操作使其狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。而開關(guān)操作母線上接有其它電氣設(shè)備,構(gòu)成了復(fù)雜的振蕩網(wǎng)絡(luò),決定了暫態(tài)振蕩電壓波形包含多種頻率分量的衰減振蕩波。這一暫態(tài)過程可通過母線上連接的 TA、TV及 CV T等直接耦合到二次回路中。因此,在二次回路中可出現(xiàn)大量快速衰減振蕩的脈沖。

3.2 變電站電磁騷擾基本分析

變電站瞬態(tài)電磁騷擾主要由雷擊、故障和開關(guān)操作引起,在變電站測量可以得到各種瞬態(tài)電磁干擾量。對應(yīng)不同操作形式的瞬態(tài)電磁量具有不同的干擾特征。分析瞬態(tài)干擾的時(shí)域特征可以獲得干擾源的強(qiáng)度、極性特征和干擾持續(xù)期等信息。而分析瞬態(tài)干擾的頻域特征可以為二次設(shè)備的屏蔽和濾波設(shè)計(jì)提供參考。另外,瞬態(tài)干擾的時(shí)域特征和頻域特征也是設(shè)計(jì)抗擾度試驗(yàn)的重要依據(jù)。所謂信號(hào)分析就是在時(shí)間域或變換域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析處理的過程。信號(hào)分析最直接的方法就是在時(shí)域內(nèi)對信號(hào)進(jìn)行分析,其突出特點(diǎn)是方法簡單、物理概念明確。然而對于某些在時(shí)域很難分析、或特征不明顯的信號(hào),需要進(jìn)行某種變換,典型的方法是Fourier變換,即在變換域進(jìn)行分析[3]。

信號(hào)分析的類型可歸納為:①時(shí)域波形的分析,例如對時(shí)域信號(hào)波形的時(shí)間、幅值、周期以及相關(guān)等分析;②頻域分析,例如對確定性信號(hào)的頻譜分析,對隨機(jī)信號(hào)的功率譜分析,以及對系統(tǒng)的頻響分析和相干分析等;③倒頻域分析,主要有功率倒頻譜和復(fù)倒頻譜等等。與連續(xù)波形相比,瞬態(tài)電磁騷擾具有復(fù)雜的時(shí)域和頻域特征。瞬態(tài)電磁騷擾的時(shí)域特征參數(shù)包括微脈沖的上升時(shí)間、上升速率、持續(xù)時(shí)間、能量和極性等;宏脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間、微脈沖數(shù)量和變化規(guī)律。分析時(shí)域特征將能獲取騷擾幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律。瞬態(tài)電磁騷擾的頻域特征參數(shù)包括微脈沖的頻帶范圍和主頻分布等,分析頻域特征能為二次設(shè)備的屏蔽和濾波提供依據(jù)。

對某換流站一次開關(guān)進(jìn)行操作和分析,其時(shí)頻域圖可見圖 2、圖 3。

針對時(shí)域和頻域圖形,根據(jù)其定義對圖形做進(jìn)一步分析,可得到特征參數(shù)如下。

時(shí)域特征參數(shù):上升時(shí)間為0.14μ s;持續(xù)時(shí)間為18μ s;峰峰值為54 V。

頻域特征參數(shù):頻帶范圍為5M Hz;主頻分布為293 kHz,732 kHz,977 kHz,1.02 MHz。

4 結(jié)束語

文中通過對一些電磁騷擾的分析,得到其特征參數(shù),為以后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)打下基礎(chǔ)。隨著測量數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累和特征分析結(jié)果的豐富將能夠獲得各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征。

[1]路宏敏.工程電磁兼容 [M].陜西:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[2]鄔 雄,等.500kV南昌變電站保護(hù)小室屏蔽效能研究報(bào)告 [R].武漢:武漢高壓研究所,1999.

[3]張 曄.信號(hào)時(shí)頻分析及應(yīng)用 [M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.