變電站空間電磁場(chǎng)對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)線纜耦合特性分析

李謙，張衛(wèi)東，楊志超，趙明敏，王沛，付勝軍，關(guān)程遠(yuǎn)

(1. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)，北京102206；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；3. 中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192)

0 引言

隨著“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，全面快速推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)成為了重要內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。智慧型變電站作為整個(gè)輸變電工程的樞紐，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于變電站中是必不可少的過(guò)程。由于變電站中電磁環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性要求較高，使得無(wú)線通信技術(shù)在變電站的實(shí)踐應(yīng)用還比較缺乏[1 - 4]。

目前，由于氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear, GIS)的優(yōu)勢(shì)[5]，其已在110 kV及以上等級(jí)變電站中得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)特高壓變電中也普遍采用了GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備。GIS隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)，由于開(kāi)關(guān)觸頭間的電弧擊穿和重燃，會(huì)形成特快速暫態(tài)過(guò)電壓(very fast transient over-voltage，VFTO)。VFTO傳播時(shí)在GIS外殼不連續(xù)和外引線接口時(shí)，由于折反射將導(dǎo)致瞬態(tài)外殼地電位升，并引發(fā)瞬態(tài)電流在外殼和外引線傳播，在空間激發(fā)強(qiáng)烈的瞬態(tài)電磁場(chǎng)[6 - 9]。變電站復(fù)雜的空間電磁場(chǎng)與匯聚節(jié)點(diǎn)的通信線和電源線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，使匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備會(huì)受到電磁干擾，影響通信質(zhì)量，造成誤碼、丟包現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)不能正?？煽康剡\(yùn)行。匯聚節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的中樞設(shè)備，一方面需要與智能傳感單元通過(guò)無(wú)線或有線的方式進(jìn)行通信，將智能傳感單元采集的信息進(jìn)行接收和匯總；另一方面需要把匯聚完成的信息通過(guò)有線的方式上傳至接入節(jié)點(diǎn)。它的可靠正常工作對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信起著至關(guān)重要的作用。

在電纜芯線感應(yīng)電流問(wèn)題實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究方面，華北電力大學(xué)開(kāi)展了特高壓GIS變電站中VFTO對(duì)二次電纜騷擾電壓以及GIS變電站開(kāi)關(guān)操作引起的瞬態(tài)電磁干擾對(duì)智能二次設(shè)備端口的騷擾電壓的實(shí)測(cè)工作[10 - 13]；清華大學(xué)開(kāi)展了暫態(tài)地電位升對(duì)二次電纜騷擾的模擬實(shí)驗(yàn)[9]。但是，缺少對(duì)于變電站新型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的騷擾電壓的測(cè)量研究。

在理論分析方面，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用多導(dǎo)體傳輸線理論[14]、Taylor“場(chǎng)-傳輸線模型[15]”、Agrawal“場(chǎng)-傳輸線模型”[16]、Rachidi“場(chǎng)-傳輸線模型”[17]、TRI模型[18]和TLSL模型[19]來(lái)分析場(chǎng)線耦合問(wèn)題；基于傳輸線模型的求解方法較為典型的有BLT方程[20]、格林函數(shù)法[21]、SPICE等效電路模型[22]以及傳輸線方程的FDTD[23 - 25]和矩量法等方法對(duì)變電站空間電磁場(chǎng)與傳統(tǒng)二次屏蔽電纜之間的耦合問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。但是針對(duì)新型的無(wú)線傳感設(shè)備匯聚節(jié)點(diǎn)線纜與變電站空間電磁場(chǎng)耦合模型的問(wèn)題缺少研究。

本文在分析空間電磁場(chǎng)與傳輸線耦合的前提下，基于幾座智慧型變電站的調(diào)研，實(shí)測(cè)了某110 kV智慧型變電站中GIS室和10 kV開(kāi)關(guān)室內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)通信線和電源線的穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流；利用CST仿真軟件建立了匯聚節(jié)點(diǎn)電源線、網(wǎng)線和同軸電纜線纜模型；建立了匯聚節(jié)點(diǎn)線纜瞬態(tài)情況下的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)耦合仿真模型，并進(jìn)行了3種線纜芯線感應(yīng)電壓的仿真計(jì)算和分析。本文旨在研究復(fù)雜空間電磁場(chǎng)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)互連線纜的耦合機(jī)理，對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠性問(wèn)題提出分析和建議，為推進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的大面積建設(shè)提供技術(shù)保障和參考。

1 耦合機(jī)理分析

針對(duì)設(shè)備敏感點(diǎn)和耦合路徑，本文對(duì)幾座智慧型變電站實(shí)地調(diào)研得知，不同的智慧型變電站無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)類(lèi)型也不一樣,所使用的匯聚節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型和數(shù)量也不同。但總的來(lái)說(shuō)，匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的類(lèi)型分為3種：屏蔽和非屏蔽的網(wǎng)線，同軸電纜和電源線。

匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備線纜與傳統(tǒng)的二次設(shè)備控制電纜大不相同。其一，匯聚節(jié)點(diǎn)多安裝在開(kāi)關(guān)室的智能組件柜中，與GIS設(shè)備距離較近。其二，匯聚節(jié)點(diǎn)為新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，線纜傳輸信號(hào)的電平較低，而二次電纜連接一次設(shè)備和二次設(shè)備，工作電平較高。其三，傳統(tǒng)二次設(shè)備的型號(hào)為鎧裝屏蔽KVVP型電纜，多布設(shè)在電纜溝中，而匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備線纜多為電子設(shè)備的通信線，與匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備同在開(kāi)關(guān)室的智能組件柜或開(kāi)關(guān)柜中。因此，匯聚節(jié)點(diǎn)及其線纜的抗擾能力遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的二次設(shè)備及其控制電纜。

空間電磁場(chǎng)與傳輸線的耦合如圖1所示。Taylor和Agrawal分別將外界激勵(lì)源等效為：包含電壓源和電流源、僅含分布電壓源兩種形式；Rachidi只考慮入射磁場(chǎng)分量導(dǎo)致的等效電流的作用。

圖1 空間電磁場(chǎng)與傳輸線的耦合Fig.1 Coupling of spatial electromagnetic field and transmission line

Taylor提出將第一、第二電報(bào)方程的激勵(lì)項(xiàng)等效為兩個(gè)與入射場(chǎng)有關(guān)的分布電壓源與分布電流源，雙線傳輸線的電報(bào)方程變成了全電壓公式。

(1)

(2)

由于所使用的網(wǎng)線沒(méi)有屏蔽層，所以網(wǎng)線芯線與大地組成了“芯線-地”傳輸線系統(tǒng)。如圖2所示，建立八芯網(wǎng)線的多導(dǎo)體傳輸線的耦合模型。

圖2 八芯網(wǎng)線的多導(dǎo)體傳輸線耦合模型Fig.2 Multi-conductor transmission line model of an eight-core network cable

變電站穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)空間電磁場(chǎng)會(huì)與匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信線和電源線耦合，由于網(wǎng)線和電源線沒(méi)有屏蔽層，空間電磁場(chǎng)直接在線纜的芯線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流；同軸電纜有屏蔽層，空間電磁場(chǎng)首先耦合到屏蔽層上，在屏蔽層導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，這部分感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流通過(guò)屏蔽層和電纜芯線之間的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納和轉(zhuǎn)移阻抗，進(jìn)一步在電纜芯線上產(chǎn)生新的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，從而對(duì)內(nèi)部芯線造成電磁騷擾，芯線中的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備端口注入設(shè)備內(nèi)部，進(jìn)而對(duì)匯聚節(jié)電設(shè)備的內(nèi)部集成電路造成電磁騷擾。

2 110 kV GIS智慧型變電站匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流實(shí)測(cè)

在110 kV GIS智慧型變電站中使用電流探頭和頻譜分析儀分別對(duì)10 kV開(kāi)關(guān)室中開(kāi)關(guān)柜和110 kV GIS室中在線監(jiān)測(cè)智能組件柜中匯聚節(jié)點(diǎn)的電源線和通信線進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)情況下感應(yīng)電流的測(cè)量。110 kV GIS智慧型變電站中匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流測(cè)量如圖3所示。實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 10 kV開(kāi)關(guān)室匯聚節(jié)點(diǎn)線纜穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流Fig.4 Steady-state induced currents of convergence node cable in a 10 kV switch room

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，10 kV開(kāi)關(guān)室中測(cè)得的匯聚節(jié)點(diǎn)線纜穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流在0～300 MHz的頻段內(nèi)，感應(yīng)電流頻譜在37.63 MHz、93.34 MHz、200 MHz、250 MHz頻率點(diǎn)處線纜的感應(yīng)電流強(qiáng)度值相對(duì)較大。110 kV GIS室中測(cè)得的匯聚節(jié)點(diǎn)線纜穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流在0～300 MHz的頻段內(nèi)，感應(yīng)電流頻譜在35.25 MHz、93.34 MHz、125.2 MHz、180.5 MHz、208.6 MHz、250 MHz、271.9 MHz頻率點(diǎn)處線纜的感應(yīng)電流強(qiáng)度值相對(duì)較大。由不同位置線纜的感應(yīng)電流頻譜的結(jié)果分析可知，110 kV GIS室中電磁騷擾相較于10 kV開(kāi)關(guān)室更加的復(fù)雜。

RS485線纜上的感應(yīng)電流較大，最高可達(dá)到58 dBμA，原因是RS485通信線在與匯聚節(jié)點(diǎn)連接處外套包裹被去除，易與空間電磁場(chǎng)發(fā)生耦合；在110 kV GIS室中，匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的感應(yīng)電流最高可達(dá)到65 dBμA，這是由于110 kV GIS室中的空間電磁場(chǎng)更加強(qiáng)烈；同軸電纜相較于其他線纜，其感應(yīng)電壓較小，原因是同軸電纜有屏蔽層，能夠在一定程度上減小空間電磁場(chǎng)的影響。因此，為了減少變電站中空間電磁場(chǎng)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)各線纜的耦合作用，一方面應(yīng)保證匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的完整性，避免線纜芯線直接暴露在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境中；另一方面，應(yīng)盡可能的使用有屏蔽作用的線纜。

3 匯聚節(jié)點(diǎn)線纜場(chǎng)線耦合模型的建立和仿真計(jì)算

在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境中，匯聚節(jié)點(diǎn)線纜會(huì)受到近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、穩(wěn)態(tài)空間電磁場(chǎng)和瞬態(tài)空間電磁場(chǎng)等多方面因素的影響。為了研究匯聚節(jié)點(diǎn)線纜在變電站瞬態(tài)空間電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流情況，本節(jié)以瞬態(tài)空間電場(chǎng)作為激勵(lì)信號(hào)，分別建立了匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)線和電源線遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)耦合仿真模型，計(jì)算了線纜芯線上的感應(yīng)電壓，從而得出遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)情況對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的影響規(guī)律。

3.1 匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)線和電源線遠(yuǎn)場(chǎng)耦合仿真

以場(chǎng)源為中心，半徑為1/6波長(zhǎng)(λ/2π)以外的空間范圍為遠(yuǎn)場(chǎng)。匯聚節(jié)點(diǎn)線纜處于遠(yuǎn)場(chǎng)空間范圍時(shí)，本文采用平面波來(lái)模擬遠(yuǎn)場(chǎng)源，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值為定值。

匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)線和電源線仿真模型在CST軟件包中建立，該軟件主要利用有限積分法。利用CST CABLE STUDIO與CST DS STDUIO聯(lián)合協(xié)同仿真功能可完成空間電磁場(chǎng)耦合到線纜的問(wèn)題，并計(jì)算得出線纜芯線上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。圖6為一套匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其線纜有3種類(lèi)型：與下一級(jí)服務(wù)器通信的超五類(lèi)以太網(wǎng)線、電源線、與外置天線連接的同軸線纜。其中本套匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備電源線型號(hào)為UL1007，同軸電纜的型號(hào)為RG58/U。

根據(jù)YD/T1019—2013標(biāo)準(zhǔn)[26]，在CST CABLE STUDIO中建立了超五類(lèi)網(wǎng)線的線纜模型；根據(jù)相同型號(hào)電源線和同軸電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了電源線和同軸電纜的線纜模型，如圖7所示。

圖7 匯聚節(jié)點(diǎn)線纜模型截面圖Fig.7 Convergence node cable model cross-section

其中建立的網(wǎng)線模型的標(biāo)稱(chēng)對(duì)數(shù)為2×4，4對(duì)線兩兩雙絞，芯線為銅導(dǎo)體，絕緣為聚乙烯材料，外護(hù)套為聚氯乙烯材料；同軸電纜模型的芯線為銅導(dǎo)體，絕緣層為聚乙烯材料，屏蔽層為銅線編織屏蔽方式，外絕緣層為聚氯乙烯；電源線模型芯線為銅材料，絕緣為聚氯乙烯材料，由兩根線纜組成。

根據(jù)已有的匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備，并參照調(diào)研的110 kV GIS智慧型變電站內(nèi)的匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的走向，在CST CABLE STUDIO中建立了匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的電磁輻照敏感度無(wú)源結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖8(a)所示，藍(lán)色連接線部分為線纜，中間紅色框部分為平面波，下方灰色框部分為匯聚節(jié)點(diǎn)和地面。

圖8 匯聚節(jié)點(diǎn)線纜遠(yuǎn)場(chǎng)耦合仿真模型Fig.8 Convergence node cable far-field coupling simulation model

設(shè)置平面波的入射方向與線纜方向垂直，電場(chǎng)方向與線纜平行，頻率范圍設(shè)置為0～300 MHz。然后基于傳輸線理論，軟件自動(dòng)對(duì)線纜線束進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并將每一個(gè)網(wǎng)格劃分為足夠多的段來(lái)計(jì)算傳輸線參量，生成用于場(chǎng)線協(xié)同仿真的等效電路模型，如圖8(c)所示。

同軸電纜和網(wǎng)線的特性阻抗分別為50 Ω和100 Ω，于是在電路模型中同軸線的芯線兩端都連接50 Ω的電阻，再接地，其屏蔽層直接接地；網(wǎng)線的芯線兩端都連接100 Ω的電阻，再接地。

在3種線纜的芯線兩端分別添加電壓探頭，其中P1-P16電壓探頭的仿真結(jié)果為網(wǎng)線芯線的共模感應(yīng)電壓，P17和P19電壓探頭的仿真結(jié)果為電源線芯線的共模電壓，P21和P23電壓探頭的仿真結(jié)果為同軸電纜芯線的共模電壓。

采用單向輻照模式，便于計(jì)算外界電磁場(chǎng)耦合到線纜上的感應(yīng)電壓等結(jié)果，不考慮線纜對(duì)外空間輻射場(chǎng)的影響。然后通過(guò)場(chǎng)路協(xié)同仿真計(jì)算得出在所施加激勵(lì)的平面波輻照下匯聚節(jié)點(diǎn)各線纜的時(shí)域響應(yīng)情況。由圖9可知，匯聚節(jié)點(diǎn)線纜在施加激勵(lì)的平面波輻照下匯聚節(jié)點(diǎn)線纜通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)激勵(lì)場(chǎng)線耦合得出的感應(yīng)電壓最大值分別為0.9 V、1.1 V和60 V。

圖9 匯聚節(jié)點(diǎn)線纜遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)線耦合芯線感應(yīng)電壓Fig.9 Convergence node cable far-field field line coupling core induced voltage

從時(shí)域仿真結(jié)果可以看出在遠(yuǎn)場(chǎng)的條件下電源線的感應(yīng)電壓幅值較大，而網(wǎng)線和同軸線的感應(yīng)電壓幅值較小。從電磁干擾源的角度分析，由于采用平面波激勵(lì)，能量較大，使得線纜的感應(yīng)電壓較大；從3種線纜自身的結(jié)構(gòu)特性分析，網(wǎng)線采用兩根芯線對(duì)絞的方式，同軸電纜有屏蔽層，都可以降低電磁波在芯線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓；而電源線既無(wú)屏蔽層也沒(méi)采用對(duì)絞的方式，從而芯線上的感應(yīng)電壓較大；從端接阻抗角度分析，網(wǎng)線和同軸線芯線的端接阻抗一致，而電源線芯線端接阻抗不一致，使得電源線芯線上的感應(yīng)電壓較大。

本套匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用12 V、2 A直流電源供電，匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)部集成電路采用常用的5 V TTL和5 V CMOS器件。5 V TTL和5 V CMOS器件的邏輯電平參數(shù)為表1和2。

表1 5 V TTL器件的邏輯電平參數(shù)Tab.1 Logic level parameters of 5 V TTL devicesV

注：UCC為供電電壓；UOH為輸出高電平；UOL為輸出低電平；UIH為輸入高電平；UIL為輸入低電平

表2 5 V CMOS器件的邏輯電平參數(shù)Tab.2 Logic level parameters of 5 V CMOS devicesV

由圖10噪聲容限的定義，5 V TTL器件的靜態(tài)噪聲容限在“1”、“0”時(shí)分別是“≥0.2 V和≤0.3 V”，5 V CMOS器件靜態(tài)噪聲容限在“1”、“0”時(shí)分別是“≥1.3 V和≤1 V”。當(dāng)感應(yīng)電壓Vint+VOL>VIL時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)字傳輸信號(hào)紊亂；當(dāng)感應(yīng)電壓Vint+VOL>Vcc時(shí)，將導(dǎo)致芯片燒毀。

圖10 邏輯電平與輸出狀態(tài)關(guān)系Fig.10 Logic level versus output state

由匯聚節(jié)點(diǎn)線纜遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)線耦合仿真的結(jié)果，網(wǎng)線芯線上的感應(yīng)電壓最大為0.9 V；同軸電纜芯線上的最大感應(yīng)電壓為1.1 V；電源線芯線上的最大感應(yīng)電壓為60 V。由于所施加激勵(lì)的平面波的能量較大，使得各線纜芯線上的感應(yīng)電壓均超過(guò)了器件的靜態(tài)噪聲容限，會(huì)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部的集成電路的正常工作造成影響。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)線和電源線近場(chǎng)耦合仿真

以場(chǎng)源為中心，半徑為1/6波長(zhǎng)(λ/2π)以內(nèi)的空間范圍為近場(chǎng)。匯聚節(jié)點(diǎn)線纜處于近場(chǎng)空間范圍時(shí)，本文采用偶極子天線來(lái)模擬近場(chǎng)源，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值不為定值，而是與偶極子天線的距離有關(guān)。

在CST中建立了匯聚節(jié)點(diǎn)線纜近場(chǎng)情況下場(chǎng)線耦合仿真模型，并進(jìn)行了場(chǎng)線協(xié)同仿真計(jì)算。用偶極子天線作為近場(chǎng)激勵(lì)源，將偶極子天線的離散端口設(shè)置為電壓形式。同樣地，在CST Cable Studio中建立了匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的電磁輻照敏感度無(wú)源結(jié)構(gòu)仿真模型，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后，得到線纜的二維傳輸線參數(shù)，然后得到匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的場(chǎng)線協(xié)同仿真的等效電路模型，如圖11所示。

圖11 匯聚節(jié)點(diǎn)線纜近場(chǎng)耦合仿真模型Fig.11 Convergence node cable near-field coupling simulation model

與遠(yuǎn)場(chǎng)激勵(lì)不同的是，需要在Transient時(shí)域仿真任務(wù)中激勵(lì)源設(shè)置為電壓形式，在CST DS STDUIO中來(lái)定義離散端口的激勵(lì)。

在完成近場(chǎng)激勵(lì)的設(shè)置后，進(jìn)行近場(chǎng)場(chǎng)線耦合仿真計(jì)算，生成匯聚節(jié)點(diǎn)芯線上的響應(yīng)。在匯聚節(jié)點(diǎn)線纜處設(shè)置電場(chǎng)探頭，經(jīng)仿真計(jì)算得到了線纜處的電場(chǎng)波形情況，對(duì)比圖11(b)和(c)可知，激勵(lì)信號(hào)的波形與線纜處電場(chǎng)的波形基本相似，且幅值有所衰減，線纜處的電場(chǎng)達(dá)到800 V/m，由此可以認(rèn)為利用偶極子天線來(lái)模擬近場(chǎng)源的方法是可行的。

其中P1-P16電壓探頭的仿真結(jié)果為網(wǎng)線芯線的共模感應(yīng)電壓，P17電壓探頭的仿真結(jié)果為同軸電纜芯線的共模電壓，P21和P23電壓探頭的仿真結(jié)果為電源線芯線的共模電壓。由近場(chǎng)情況下的仿真結(jié)果可知，在近場(chǎng)激勵(lì)的情況下，匯聚節(jié)點(diǎn)線纜處的電場(chǎng)幅值最大達(dá)到800 V/m。如圖12線纜感應(yīng)電壓仿真結(jié)果所示，在最大電場(chǎng)強(qiáng)度為800 V/m的情況下，匯聚節(jié)點(diǎn)網(wǎng)線芯線的感應(yīng)電壓最大值為1.4 V，同軸電纜芯線上的感應(yīng)電壓最大值為0.06 V，電源線芯線上的感應(yīng)電壓最大值為7 V。由器件的噪聲容限的概念可知，匯聚節(jié)點(diǎn)各線纜在近場(chǎng)激勵(lì)下，芯線上的感應(yīng)電壓的最大值也大于5 V TTL和5 V CMOS器件的靜態(tài)噪聲容限，會(huì)影響匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)部集成電路的正常工作狀態(tài)。

圖12 匯聚節(jié)點(diǎn)線纜近場(chǎng)場(chǎng)線耦合芯線感應(yīng)電壓Fig.12 Convergence node cable near-field field line coupling core induced voltage

4 結(jié)論

本文實(shí)測(cè)了某110 kV智慧型變電站匯聚節(jié)點(diǎn)電源線和通信線穩(wěn)態(tài)情況下的感應(yīng)電流，由不同位置線纜的感應(yīng)電流頻譜的結(jié)果分析可知，110 kV GIS室中電磁騷擾相較于10 kV開(kāi)關(guān)室的電磁騷擾更加復(fù)雜。測(cè)量結(jié)果表明RS485線纜上的感應(yīng)電流較大，最高可達(dá)58 dBμA，在110 kV GIS室中，匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的感應(yīng)電流最高可達(dá)65 dBμA；應(yīng)保證匯聚節(jié)點(diǎn)線纜的完整性，避免線纜芯線直接暴露在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境中；應(yīng)盡可能地使用帶有屏蔽結(jié)構(gòu)的線纜。

按照智慧型變電站匯聚節(jié)點(diǎn)線纜布局情況建立了匯聚節(jié)點(diǎn)線纜與瞬態(tài)空間電磁場(chǎng)的耦合模型；以瞬態(tài)空間電場(chǎng)作為激勵(lì)信號(hào)，分別仿真計(jì)算出匯聚節(jié)點(diǎn)線纜遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)耦合模型中各線纜芯線共模感應(yīng)電壓大小。由穩(wěn)態(tài)情況下實(shí)測(cè)的匯聚節(jié)點(diǎn)線纜感應(yīng)電流數(shù)據(jù)和瞬態(tài)空間電場(chǎng)激勵(lì)下仿真計(jì)算的匯聚節(jié)點(diǎn)線纜感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)分析可知：匯聚節(jié)點(diǎn)同軸電纜實(shí)測(cè)的感應(yīng)電流值和仿真計(jì)算的感應(yīng)電壓值最?。浑娫淳€實(shí)測(cè)的感應(yīng)電流值和仿真計(jì)算的感應(yīng)電壓值最大。

本文提出了用內(nèi)部電路器件的噪聲容限來(lái)判斷芯線感應(yīng)電壓對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)的干擾程度；由仿真結(jié)果可知空間瞬態(tài)電磁場(chǎng)會(huì)耦合進(jìn)入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)的通信線和電源線芯線上，較大的感應(yīng)電壓對(duì)其內(nèi)部TTL、CMOS等集成電路的正常工作造成影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成其內(nèi)部較小尺寸的集成電路損壞。