2024, Vol. 50文章信息
- 完朋朋, 吴细秀, 杨涛, 文博, 侯博文, 龙国华
- WAN Pengpeng, WU Xixiu, YANG Tao, WEN Bo, HOU Bowen, LONG Guohua
- 特快速空间辐射暂态电磁场测量装置研究
- Research on extra fast space radiation transient electromagnetic field measurement device
- 中国测试, 2024, 50(7): 115-123
- CHINA MEASUREMENT & TEST, 2024, 50(7): 115-123
- http://dx.doi.org/10.11857/j.issn.1674-5124.2022040143
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文章历史
- 收稿日期: 2022-04-21
- 收到修改稿日期: 2022-06-23
2. 贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002;
3. 国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096
2. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China;
3. Electric Power Research Institute State Grid Jiangxi Electric Power Co., Ltd., Nanchang 330096, China
气体绝缘变电站（gas insulated substation，GIS）设备放置紧凑，开关操作时会产生高频放电现象，该放电现象最终以快速瞬变电脉冲群的形式存在于GIS外部空间[1-3]。这种特快速高频辐射电磁场既能够直接辐射到非屏蔽电缆的芯线上，也可以通过二次设备的散热孔、显示板等干扰二次设备[4-7]，严重时甚至会引起继电保护装置误动作[8-9]。工程实践统计发现，智能变电站中一半以上的智能组件都是因电磁干扰导致的故障[10]。因此，开展GIS隔离开关辐射电场、磁场测量试验，分析开关操作时电场、磁场波形，是研究GIS变电站空间瞬态电磁辐射特性最有效、最直接的方式。
虽然国内外对变电站电磁辐射研究较多，但针对超高级变电站的特快速高频辐射电磁场的测量设备很少。国外学者测量对象多为AIS变电站，并且测量的电压等级不高，很少涉及到超高压和特高压等级。特快速暂态电磁场测量装置难以开发，主要是因为：1）采样速率高、存储深度高。特快速暂态过电压（very fast transient over-voltage，VFTO）波前时间为纳秒级，若采样时间间隔取10 ns，采样率为100 MHz，此时数据精度较低；若采样点时间间隔取1 ns，数据量过于庞大难以存储。2）数据传输速度快，同步测量难实现。开关操作时产生的高频辐射电磁场与VFTO同生同灭，由于SF6击穿时间极短，为纳秒级，难以捕捉。因此如何同时准确捕捉到VFTO及其辐射电场、磁场信号是整个装置的重点，并且将采集到的大量数据进行传输和分析，也是装置要解决的难点。
因此，本文通过同步触发的方式，实现了辐射电场、磁场及VFTO波形的同步测量，设计了一套测量系统，将采集的数据进行压缩，随后上传至上位机进行处理。以550 kV GIS试验平台为例进行了测量，得到550 kV GIS开关操作时产生的空间瞬态电场磁场辐射特性。
1 特快速高频辐射电磁场测量系统设计 1.1 辐射电场、磁场测量系统设计测量系统硬件总体设计框架如图1所示。传感器采集到空间辐射电场、磁场后，经阻抗匹配器输入采集设备，先由模拟电路对信号滤波去噪，再进行A/D转换，待模拟信号转换为数字信号后，通过USB接口将数据传输到上位机，采集设备的采样频率、采样时间等参数也是通过USB接口进行调整的。
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| 图 1 硬件总体设计框架 |
其中FPGA采用Xilinx公司Spartan系列的XC3S400，该芯片有400×103的系统门，等量逻辑单元数8064，分布式RAM位数56 kb，16个专用乘法器，４个数字时钟管理模块。
ADC芯片采用LTC2294，是一款12位80 MS/s的低功耗双3 V A/D转换器，适用于数字化高频、宽动态范围信号，允许两个通道共享数字输出总线。
1.2 电场、磁场信号采集 1.2.1 电场传感器电场天线是一种能量转换装置，能够将电磁波的能量转变成高频电流。当存在外电场时，天线会产生感应电动势，在导体表面产生一个电流并流过接收机。天线接收高频电场的能力强，具备较高的响应速度，测量范围广。本文选择双锥天线对辐射电场进行测量，参数如表1所示，天线示意图如图2所示。
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| 图 2 双锥天线示意图 |
根据球坐标系的麦克斯韦方程可求得电场强度为：
| $ {E_{{\theta }}} = \frac{{{\eta _{\text{0}}}{b_{\text{1}}}{\rm e}_{}^{ - {\text{j}}{k_{\text{0}}}r}}}{{2\pi {k_{\text{0}}}r}}\left[1 - \frac{{\text{j}}}{{{k_{\text{0}}}r}} + \left(\frac{{\text{j}}}{{{k_{\text{0}}}r}}\right)_{}^2\right]{\text{sin}}\theta $ | (1) |
其中η0和b1计算公式为：
| $ {\eta _{\text{0}}} = \sqrt {{{{\mu _{\text{0}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\mu _{\text{0}}}} {{\varepsilon _{\text{0}}}}}} \right. } {{\varepsilon _{\text{0}}}}}} $ | (2) |
| $ {b_{\text{1}}} = {\text{j}}\frac{{k_{\text{0}}^2}}{2}{I_{\text{0}}}{l_{\text{0}}} $ | (3) |
式中：η0——空间波阻抗，Ω；
μ0——磁导率，H/m；
ε0——介电常数，F/m；
I0和l0——等效电偶极子的电流（A）和长度（m）；
k0——比例常数。
1.2.2 磁场传感器磁场天线：磁场测量通常是基于磁荷进行的，但自然界中并不存在单独的磁荷，所以在磁场的研究中，常引入假想的磁流和磁荷作为等效源，且满足对偶原理。用来测量磁场的天线是电小环天线，参数如表2所示，图3为天线示意图。
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| 图 3 电小环天线示意图 |
当天线的尺寸与被测电场、磁场波长相比可以忽略时，称为电小天线。小圆环的远场辐射场中任意一点P的磁场H表达式为：
| $ H_{{\theta }} = \frac{{\pi IS}}{{r{\lambda ^2}}}{\text{sin}}\theta $ | (4) |
式中：I——偶极子上的滞后电流，A；
S——小圆环的面积，m2；
λ——自由传播空间中的波长，m。
天线的互易定理表明，当天线处于发射模式时，天线端口施加激励U1，天线在远场辐射能量R1；当天线工作于接收模式时，天线端口对辐射电磁波做出响应，假设远场辐射能量为R2，天线端口响应为U2，根据天线互易定理，满足如下关系：
| $ \frac{{U_{\text{1}}}}{{R_{\text{1}}}} = \frac{{R_{\text{2}}}}{{U_{\text{2}}}} $ | (5) |
通过天线的接收电流和接收电动势，进一步得到天线端口电压。
1.2.3 电场、磁场信号采集系统图4为数据采集及处理框图，图中数据采集带宽为200 MHz，其他部分参数如表3所示。
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| 图 4 数据采集及处理 |
电场传感器和磁场传感器阻抗为50 Ω，数据采集设备输入阻抗为1 MΩ，在保证最大传输功率同时防止传输线上产生反射波，在输入端增加一个50 Ω~1 MΩ阻抗匹配器。
1.3 同步触发电路由于SF6击穿时间极短，因此要同时准确地捕获其辐射电场和磁场信号，需进行同步电路设计。开关在操作过程中会产生空间辐射信号[11-12]，将该辐射信号用于采集系统的触发，就可实现VFTO、电场信号与磁场信号的同步采集，具体原理见图5。
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| 图 5 同步触发信号获取原理 |
通过直导天线接收GIS隔离开关操作时的电磁波。电阻R1、R2用于调整电磁波接收电路灵敏度，电阻R1的阻值较大时，接收电路的灵敏度降低；当电阻R2的阻值较大时，接收电路的灵敏度升高。电感L用于选取其中较高频段的电磁波，频率越高，电感的电抗越大，电阻R2和电感L上分得的电压U也越大。电压U同时也是三极管基极B和发射极E之间电压，当电压U达到设定值，就可以使三极管导通。三极管导通时，电光转换电路驱动多个发光二极管产生光信号，通过光纤将信号传送到光电转换电路，待光信号转换成电信号后，作为数据采集设备的触发信号。
1.4 软件分析系统设计上位机系统采用Labview进行编程，前面板如图6所示。软件系统主要由5个模块组成，分别为采集设备的驱动模块、信号捕捉模块、波形显示模块、数据存储模块和数据处理模块[13]。
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| 图 6 波形显示界面 |
1）采集设备驱动模块：通过驱动文件，调用相应的子程序，实现对采集设备的供电以及上位机与采集设备之间的通信，从而达到对采集设备的控制以及获取采集的数据。
2）信号捕捉模块：主要通过对采集设备的触发通道、触发条件以及分辨率、时基等参数进行设置，确保采集设备能够在保证采样率条件下捕捉到完整的暂态辐射电场、磁场信号。
3）波形显示模块：同步显示捕捉到的电场天线和磁场天线端口电压波形，能够让操作者大体掌握该次隔离开关操作产生的电场、磁场波形特征。
4）数据存储模块：对数据进行即时存储，为后续数据处理提供历史数据。
5）数据处理模块：主要包括两个功能，一是对采集到的端口电压波形进行处理，将其转换成实际的电场、磁场波形；二是对转换后的波形进行FFT或小波分析，得到辐射电场、磁场的时频谱。
测量装置如图7所示，可直接触屏操作，也可外接鼠标键盘，采用双通道可实现VFTO与电场、VFTO与磁场、电场与磁场同时测量。
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| 图 7 电场、磁场测量装置样机 |
1.5 电场、磁场测量信号还原
根据天线理论可知，处于电场、磁场中的天线会产生感应电流，在与示波器或其他采集设备相连时，能够测得天线因被测电场、磁场而形成的端口电压。以电场天线为例，被测电场场强与天线端口电压之间的关系如下：
| $ E = V \times {\text{AF}} $ | (6) |
将式（6）用dB进行表示，式中乘号变为加号，公式如下：
| $ E = V + {\text{AF}} $ | (7) |
式中：E——被测电场场强，dBV/m；
V——电场天线端口电压，dBV；
AF——电场天线的天线系数，dB/m。
对于阻抗为50 Ω的天线，天线系数AF计算公式如下：
| $ {\mathrm{AF}} = 20{\mathrm{lg}}f - {{G}} - 29.78 $ | (8) |
式中：f——频率，MHz；
G——天线增益，dBi。
电场天线增益G与频率f关系如图8所示。
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| 图 8 双锥天线增益图 |
根据式（8）可计算出不同频率对应的天线系数，如图9所示。
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| 图 9 双锥天线系数图 |
同理可由磁场天线增益图（图10）及磁场天线系数计算公式得到磁场天线系数图（图11）。
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| 图 10 磁场天线增益图 |
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| 图 11 磁场天线系数图 |
得到天线系数后，天线在不同频率下增益不同，故先对端口电压做快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT），在频域代入天线系数计算公式，通过反FFT，从频域还原到时域，就能得到实际的电场波形。磁场数据处理方式与电场数据相同。
2 550 kV GIS现场测试及结果分析550 kV GIS试验平台如图12所示。试验平台根据IEC 62271—102标准建立，四面墙体及天棚采用屏蔽波形板，可防止测试受到外界电磁环境的干扰，为现场试验提供了良好的屏蔽环境[14-15]。
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| 图 12 试验平台 |
测量时将天线放于待测点，如图12（b）红圈，装置放于控制室，触发方式设置为外触发，设定好采样率、采样时间、采样通道、保存路径后等参数即可进行测量。测量装置及传感器如图13所示。
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| 图 13 测量装置及传感器 |
2.1 辐射电场、磁场波形分析 2.1.1 电场、磁场时域波形
采集到的数据为天线的端口电压，与实际电场、磁场数据只在幅值上有区别，对于整体波形趋势及频率信息并无影响。完整电磁辐射波形数据量极大，且存在不规则断续过程，不宜统一处理，故对辐射电场、磁场的波形特征分析就端口电压展开，在后续单次脉冲的分析中转换成实际的电场、磁场波形。
1）电场波形
由图14可得，分闸、合闸电场波形均由数十个脉冲组成，分闸时持续时间约为110 ms，合闸时间约60 ms。分闸过程中电场波形幅值整体呈上升趋势，脉冲分布越来越稀疏；合闸过程则相反。
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| 图 14 VFTO与电场波形 |
分别选取5次分合闸VFTO与电场测量数据，记录其持续时间、脉冲个数及最大值，如表4所示。
| 参数 | 动作类型 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 持续时间/ms | 分闸 | 92.3 | 143.7 | 104.6 | 122.0 | 90.6 | 110.6 |
| 合闸 | 59.7 | 66.6 | 64.2 | 80.5 | 81.5 | 70.5 | |
| 脉冲个数 | 分闸 | 45 | 40 | 58 | 46 | 46 | 47 |
| 合闸 | 37 | 41 | 44 | 45 | 51 | 43 | |
| 最大值/V | 分闸 | 50.4 | 48.0 | 50.6 | 50.7 | 37.5 | 47.4 |
| 合闸 | 45.3 | 38.7 | 27.8 | 49.2 | 50.6 | 42.3 |
通过对多组数据对比分析发现，不同次测量的电场持续时间不完全相同，体现出了电场辐射的随机性。分闸时电场波形持续时间更久，幅值更高。
2）磁场波形
磁场规律与电场规律基本一致，分闸时脉冲幅值越来越大，脉冲分布越来越稀疏，合闸时幅值从大到小，脉冲分布逐渐密集，如图15所示。
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| 图 15 磁场波形 |
图中合闸时脉冲持续时间明显小于分闸时持续时间，同样取5组分合闸磁场数据进行分析，数据如表5所示。
| 参数 | 动作类型 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 持续时间/ms | 分闸 | 92.9 | 104.5 | 119.5 | 115.7 | 111.0 | 108.7 |
| 合闸 | 48.1 | 66.7 | 60.8 | 59.5 | 74.8 | 61.98 | |
| 脉冲个数 | 分闸 | 37 | 33 | 45 | 43 | 39 | 39 |
| 合闸 | 33 | 38 | 41 | 35 | 40 | 37 | |
| 最大值/V | 分闸 | 44.0 | 41.4 | 50.7 | 50.7 | 50.6 | 47.5 |
| 合闸 | 33.8 | 33.8 | 35.1 | 35.4 | 46.1 | 36.8 |
根据测量数据，合闸时的磁场信号持续时间较短，最长仅74.8 ms，而分闸时多数大于100 ms。分闸时磁场幅值明显大于合闸时。
2.1.2 电场、磁场单次脉冲1）电场单次脉冲
在典型分合闸电场波形中，分别选取单次脉冲转换成实际电场波形，如图16所示。
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| 图 16 电场单次脉冲 |
隔离开关分闸操作和合闸操作产生的辐射电场单次脉冲波形整体上相似，为高频振荡衰减波，前期振荡频率高，幅值变化大，后期振荡频率低，幅值变化小。分合闸单次脉冲持续时间相近约5 μs，选取的单次脉冲电场强度最高达2.4 kV/m，此电场强度的幅值仅为整个分合闸脉冲群中一个单脉冲的幅值。通过分析多个电场分合闸单次脉冲，电场强度最大可达3.5 kV/m，如表6所示。
分闸时电场幅值普遍大于合闸时电场幅值，电场强度约为3 kV/m，合闸电场强度波动较大，最大时可达3.2 kV/m，最小为1.3 kV/m。
2）磁场单次脉冲
由图17可知，磁场单次脉冲也是振荡衰减波，但磁场波形高频部分明显较电场波形少，波形衰减迅速，脉冲持续时间比电场脉冲持续时间略长，分闸时磁场最大值为170 A/m，合闸时130 A/m。
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| 图 17 磁场单次脉冲 |
取5次分合闸数据进行分析如表7所示。分闸时磁场强度平均为201 A/m，个别磁场强度可达220 A/m。合闸时磁场强度变化较大，偏差最大有90 A/m。
2.2 电场、磁场频域分析 2.2.1 电场频域分析
图18中，分闸时主频有11个，幅值较大的3个分别是8 MHz，46 MHz，58 MHz，其中8 MHz对应幅值为1500 V/m。
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| 图 18 电场单次脉冲频谱 |
从频谱图中可得，电场分闸时高频含量较多，且幅值大多都在500 V/m以上，统计多个电场波形主频数进行分析（表8）。
2.2.2 磁场频域分析
磁场频谱如图19所示。图中仅低频部分幅值较高，高频部分幅值较小，表现在时域图中振荡较少。
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| 图 19 磁场脉冲频谱 |
取多组隔离开关动作时磁场波形，作FFT进行频谱分析，主频统计如表9所示。
磁场主频数较电场主频数少，为2 MHz，5 MHz，61 MHz。磁场频率大于10 MHz后幅值多在600 A/m以下，且随着频率增加，幅值逐渐减小。
3 结束语本文利用研制的特快速高频辐射电磁场测量装置在550 kV GIS试验平台对开关操作产生的电磁辐射进行了测量，其特性如下：
1）隔离开关分闸时电场波形持续时间约110 ms，合闸时约为70 ms。磁场波形在合闸时，脉冲持续时间较短，分闸时普遍在100 ms以上。电场与磁场波形分合闸时持续时间基本一致。
2）在时域中分析单次电场、磁场脉冲时发现，电场、磁场波形均为高频振荡衰减波，单次脉冲持续时间相近。分闸时电场强度约为3 kV/m，合闸电场强度幅值略低。分闸时脉冲个数多于合闸时脉冲个数。频域结果显示，主要集中在8 MHz，46 MHz，58 MHz。
3）分闸时磁场强度稳定在200 A/m，合闸时磁场强度幅值在150 A/m左右。分闸时脉冲个数多于合闸。磁场主频数较少且幅值较低。
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