高頻輻射對(duì)數(shù)字功率電表計(jì)量的影響

王 昕，畢志周，趙艷峰，張 杰

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，昆明 650217)

目前部分不法分子利用高科技智能化的大功率高頻輻射技術(shù)對(duì)數(shù)字式功率電能表的計(jì)量芯片進(jìn)行干擾，使計(jì)量表計(jì)不能正常工作。這種竊電方法隱蔽性強(qiáng)(在表箱外發(fā)射大功率信號(hào)就能達(dá)到干擾表計(jì)計(jì)量的目的，不需動(dòng)電力設(shè)備和計(jì)量裝置的任何部分)，在現(xiàn)場(chǎng)也不留任何痕跡，使用電稽查人員即使在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)竊電，也無(wú)法定性，只能更換電能表，且電能量追補(bǔ)困難重重。

高科技竊電對(duì)供電企業(yè)所造成危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)竊電方式，因此，應(yīng)進(jìn)一步加大反竊電措施:(1)建立健全各用戶(hù)計(jì)量裝置的運(yùn)行檔案，加強(qiáng)鉛封和封印鉗的管理及完善用戶(hù)簽證;(2)針對(duì)用電負(fù)荷波動(dòng)比較大的用戶(hù)安裝網(wǎng)絡(luò)表，實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析負(fù)荷變化曲線;(3)采用高磁不銹鋼內(nèi)部加裝高科技材料特殊制成的雙層屏蔽網(wǎng)，有效地屏蔽大功率高頻輻射信號(hào)對(duì)電表計(jì)量元器件的沖擊［2－3］。

1 高頻干擾原理分析

電磁輻射是看不見(jiàn)，摸不著的，雖然在電力系統(tǒng)中高頻電磁輻射干擾不是很普遍，但也不容忽視，很多時(shí)候輻射的能量雖小，但對(duì)電力系統(tǒng)中敏感度較高的二次設(shè)備(如一些計(jì)量裝置)會(huì)產(chǎn)生極大的干擾［4］。

精密測(cè)量電路中的許多不穩(wěn)定問(wèn)題都可以歸結(jié)到高頻干擾，對(duì)于具有差分放大作用的儀表放大器卻是比較常見(jiàn)的，因?yàn)閮x表放大器的兩個(gè)輸入端對(duì)地輸入阻抗很高，因此容易受到低功率RF 干擾。在儀表放大器中很重要的一個(gè)因素是共模抑制隨頻率增加而減小(從很低的頻率開(kāi)始減小)，即失真隨頻率的增加而增大。這樣不僅僅是不抑制高頻共模信號(hào)，而且使高頻共模信號(hào)失真，產(chǎn)生失調(diào)［5，8］。

無(wú)線電工程師對(duì)于這種幾根長(zhǎng)導(dǎo)線有一個(gè)專(zhuān)有名詞，稱(chēng)之為“天線”，它是電波的換能器件，用以發(fā)射和接收電波，它的工作有點(diǎn)像音響里的揚(yáng)聲器和話筒，它把在電路里流動(dòng)的高頻電流通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過(guò)任何導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電子隨著高頻電流振動(dòng)，在導(dǎo)體外面空間會(huì)感應(yīng)激發(fā)電磁波。從設(shè)備到其電子設(shè)備之間的這種長(zhǎng)饋線按照同樣的表現(xiàn)行為也會(huì)起到一個(gè)天線的作用，即使我們不希望它起到天線的作用也是如此。如果設(shè)備的外殼接地就有問(wèn)題了，因?yàn)樵诟哳l情況下外殼的電抗和饋線使整個(gè)系統(tǒng)起到一個(gè)天線的作用，而且天線接受的任何高頻信號(hào)(電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))都將出現(xiàn)在阻抗上。形成共模干擾的原因很多，總結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn):

①電網(wǎng)串入共模干擾電壓;

②輻射干擾(如雷電、設(shè)備電弧、附近無(wú)線電臺(tái)、大功率輻射源)在信號(hào)線上感應(yīng)出共模干擾;(原理就是交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的電流，兩個(gè)回路阻抗不同等原因造成電流大小不同)

③接地電壓不一樣，也就是地電位差引入共模干擾;

④設(shè)備內(nèi)部電線對(duì)電源線的影響。

工作原理如圖1所示。

圖1 共模干擾原理圖

圖1 中的“電子設(shè)備”表示用戶(hù)側(cè)的設(shè)備裝置(即干擾信號(hào)源)，而“天線”可以看成是被干擾的設(shè)備(即計(jì)量表計(jì))，對(duì)于上述高頻信號(hào)最可能的影響位置是在表計(jì)的進(jìn)出線端子，精密低頻放大器很少與大的高頻信號(hào)耦合，所以輸出結(jié)果會(huì)表現(xiàn)出常見(jiàn)的可調(diào)整失調(diào)誤差［7］。

有些情況下共模電壓較大，特別是在一些采用隔離性能較差的配電箱里面，變壓器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的甚至高達(dá)130V 以上，共模電壓通過(guò)不對(duì)稱(chēng)電路可轉(zhuǎn)化成差模電壓，直接影響測(cè)量信號(hào)，同時(shí)造成采樣元器件的損壞，這種共模干擾有可能是直流的也有可能是交流的［6］。工作原理如圖2所示。

圖2 差模干擾原理圖

圖2 中ICM2近似等于ICM1，而Z1不等于Z2，Up=ICM2×ZCM2，UQ=ICM1×ZCM1;

所以Up≠UQ，從而轉(zhuǎn)換為差模電壓UPQ，也就是說(shuō)，共模干擾不直接影響設(shè)備，而是通過(guò)轉(zhuǎn)換為差模電壓來(lái)影響計(jì)量設(shè)備等。

2 試驗(yàn)分析

本次曲靖供電公司查獲的用戶(hù)帶有天線“裝置”的正、背面控制面板如圖3所示。

圖3 送樣“裝置”正、反面控制面板圖

該送樣“裝置”產(chǎn)生的高頻輻射電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1 kV/m～5 kV/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值為1 A/m～5 A/m，而目前云南電力試驗(yàn)研究院采用的高頻電磁場(chǎng)抗擾度型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為:

①試驗(yàn)設(shè)備:高頻電磁場(chǎng)發(fā)生器、GTEM 室;

②試驗(yàn)方法及條件:試驗(yàn)頻端:80 MHz～1 000 MHz;

(a)試驗(yàn)時(shí)電流線路無(wú)電流，電壓線路加參比電壓，試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng):E=20 V/m;

(b)線路加基本電流Ib，電壓線路加參比電壓，cosφ=1.0，試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng):E=10 V/m

③試驗(yàn)判定:儀表在高頻電磁場(chǎng)輻射干擾試驗(yàn)中計(jì)量誤差改變量(以在常溫標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為基準(zhǔn))應(yīng)在表1 極限內(nèi)，試驗(yàn)過(guò)程中儀表功能應(yīng)正常;試驗(yàn)后，儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變(單片機(jī)的復(fù)位，更不允“死機(jī)”等等不正?，F(xiàn)象)，計(jì)度器示值不應(yīng)出現(xiàn)變化。

表1 儀表在高頻電磁場(chǎng)輻射干擾試驗(yàn)中計(jì)量誤差允許值

本次試驗(yàn)選用寧波三星電氣股份有限公司生產(chǎn)的DTSD188S 型三相四線電子式多功能電能表(電壓:3×220 V/380 V，電流:3×1.5(6)A，編號(hào):10039927，有功等級(jí)為1.0，有功常數(shù)為5 000 imp/(kW·h)進(jìn)行試驗(yàn)室驗(yàn)證分析。

(1)當(dāng)驗(yàn)證表計(jì)(DTSD188S 型三相四線電子式多功能電能表)在送樣“裝置”處于不工作情況下測(cè)量誤差穩(wěn)定，測(cè)量誤差符合JJG 596—1999《電子式電能表檢定規(guī)程》的要求。

(2)當(dāng)驗(yàn)證表計(jì)(DTSD188S 型三相四線電子式多功能電能表)在送樣“裝置”處于工作情況下測(cè)量誤差及功率變化與上述試驗(yàn)相同(測(cè)量誤差向負(fù)方向變化，測(cè)量功率減少，導(dǎo)致電能表少計(jì)電量)，隨著“裝置”輸出功率的不斷增大，表計(jì)受干擾程度也越大。

在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下驗(yàn)證電能表有功測(cè)量誤差如表2所示，誤差曲線變化如圖4所示。

表2 驗(yàn)證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的測(cè)量誤差

圖4 驗(yàn)證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的誤差變化曲線圖

送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下驗(yàn)證電能表的功率如表3所示，功率曲線變化如圖5所示。

表3 驗(yàn)證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的測(cè)量功率

圖5 驗(yàn)證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的測(cè)量功率變化曲線圖

如果將高頻信號(hào)發(fā)射裝置的發(fā)射頻率調(diào)至6 W以上，測(cè)試臺(tái)體將復(fù)位甚至無(wú)動(dòng)作(死機(jī))，無(wú)法校驗(yàn)誤差與功率。在信號(hào)發(fā)射裝置的發(fā)射頻率調(diào)至6 W 時(shí)，對(duì)誤差的影響較大，但是功率變化不明顯，但從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看功率示值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。此次測(cè)試所用的臺(tái)體為海鹽電力儀表廠的三相標(biāo)準(zhǔn)表裝置，等級(jí)0.05 級(jí)，型號(hào):HY9352d－06。

驗(yàn)證測(cè)試試驗(yàn)中如果設(shè)備輸出功率在10 W 以?xún)?nèi)的時(shí)候表計(jì)計(jì)量模塊工作正常，能夠正常通訊，但采樣端的采樣功率有一定的下降，可導(dǎo)致表計(jì)計(jì)量誤差偏負(fù);而當(dāng)設(shè)備輸出功率大于10 W 時(shí)，計(jì)量表計(jì)輸入采樣功率明顯降低，計(jì)量芯片不出脈沖，導(dǎo)致表計(jì)不走字，且內(nèi)部數(shù)據(jù)總線錯(cuò)亂，RS485 無(wú)法正常通信，而且同在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的負(fù)控終端所進(jìn)行的無(wú)線通信也受到干擾，導(dǎo)致通信失敗。

3 結(jié)論

根據(jù)上述現(xiàn)象，同時(shí)結(jié)合相關(guān)理論可以推斷:表計(jì)處于用戶(hù)高頻信號(hào)發(fā)射裝置的高頻輻射干擾環(huán)境中時(shí)，因內(nèi)部接地使得其表計(jì)本身演變成類(lèi)似天線的載體，當(dāng)輻射源輸出高頻輻射功率的增強(qiáng)，表計(jì)進(jìn)出線端阻抗增加，同時(shí)向外輻射能量，可能導(dǎo)致回路電流降低，對(duì)電子式電能表的CPU 進(jìn)行干擾，使電表不能正常工作;同時(shí)高頻輻射信號(hào)本身是離散個(gè)不同頻率信號(hào)，在無(wú)線通信系統(tǒng)中極易產(chǎn)生同頻干擾，即高頻輻射源的載頻與負(fù)控終端的無(wú)線模塊通信信號(hào)的載頻相同，并對(duì)接收同頻道有用信號(hào)的無(wú)線模塊造成干擾，使得終端通信成功率下降。

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