电磁骚扰信号的基本分析

苏敬芳,于彦丽,郗艳梅

(1.河北工程技术高等专科学校 电力工程系,河北 沧州 061001;2.保定市天河电子技术有限公司,河北 保定 071051)

1 电磁骚扰产生原因

随着科学技术的高速发展,越来越多的电子电路和电气设备应用于电力、通信、运输等工业领域和国防领域。电子、电气设备正常工作时,往往会产生一些有用或无用的电磁能量,影响其它设备、系统和生物体,导致电磁环境日趋复杂,造成了“电磁污染”,形成电磁骚扰。电磁骚扰指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。随着电力需求的增长,电力传送越来越高压化。高压往往会发生局部放电,向空间发射电磁波。这种电磁波对中波广播信号和VHF频带的电视信号影响最大。

电磁骚扰有可能使电气、电子设备和系统的工作性能偏离预期的指标或使工作性能出现不希望的偏差,即工作性能发生了“降级”,甚至还可能使电气、电子设备和系统失灵,或导致寿命缩短,或使电气、电子设备和系统的效能发生不允许的永久性下降。严重时还可能摧毁电气、电子设备和系统,而且还将影响人体健康。[1]许多电子硬件包含着具有天线能力的元件,例如电缆、印制电路板的印制线、内部连接导线和机械结构。这些元件可以以电场、磁场或电磁场方式传输能量并耦合到线路中。

据测算电磁骚扰最多的场有高速数字信号线路、开关电路、脉冲发生电路和大功率控制电路等在极短的时间内电压电流急速变化的场合,所含有电感和电容的电路通断的场合。另外,磁场、电场、电荷等电量急速变化时,同样产生电磁骚扰。

2 电感电路电磁骚扰

开关动作的电路中,电压 /电流的增大或衰减时间 t越短,则噪声的带宽越宽;急速变化的电压 U及电流 I的幅值越大,则噪声的幅度越大。特别是在电感性负载的电路中,电路从通转换成断的瞬间,容易产生断续的电磁骚扰。

如图 1所示,直流电压 US在 L和R串联的负载上产生电流 i时,开关 S从通转换成断的瞬间,在 L两端产生比US大数十倍,有时上百倍的极性相反的尖峰电压(称为电感反冲电压)。

其中 US=12 V,R=100Ω,L=5 mH,C0=100 pF,当L两端有寄生电容 C0时,当C0=100 pF时,产生约-848 V,225 kHz的振荡;当C0可以忽略时,将达到-6000 V;寄生电容越大,电感两端的电压越低,振荡频率也越低。实际电路中,即使在电感 L两端连接电容器,因为电容器引线电感的影响,不会得到电容器的最佳效果,衰减振动波形的下降部分变大,剩下高频部分。电容器必须是耐高压的,否则有可能被破坏。

3 变电站电磁骚扰

3.1 变电站电磁骚扰的起因

变电站的电磁环境虽然复杂,但产生电磁骚扰的主要起因可归纳为[2]:高压隔离开关和断路器的操作;雷击线路、构架;系统短路故障;工频电流的作用;局部放电(电晕、沿面放电);二次回路中的开关操作;静电放电;无线电发射机(对讲机);电源本身的电压波动、暂降、短时中断、频率变化及谐波等。

由于电容、电感均为储能元件,当开关操作使其状态发生变化时会产生暂态过电压。而开关操作母线上接有其它电气设备,构成了复杂的振荡网络,决定了暂态振荡电压波形包含多种频率分量的衰减振荡波。这一暂态过程可通过母线上连接的 TA、TV及 CV T等直接耦合到二次回路中。因此,在二次回路中可出现大量快速衰减振荡的脉冲。

3.2 变电站电磁骚扰基本分析

变电站瞬态电磁骚扰主要由雷击、故障和开关操作引起,在变电站测量可以得到各种瞬态电磁干扰量。对应不同操作形式的瞬态电磁量具有不同的干扰特征。分析瞬态干扰的时域特征可以获得干扰源的强度、极性特征和干扰持续期等信息。而分析瞬态干扰的频域特征可以为二次设备的屏蔽和滤波设计提供参考。另外,瞬态干扰的时域特征和频域特征也是设计抗扰度试验的重要依据。所谓信号分析就是在时间域或变换域对信号进行分析处理的过程。信号分析最直接的方法就是在时域内对信号进行分析,其突出特点是方法简单、物理概念明确。然而对于某些在时域很难分析、或特征不明显的信号,需要进行某种变换,典型的方法是Fourier变换,即在变换域进行分析[3]。

信号分析的类型可归纳为:①时域波形的分析,例如对时域信号波形的时间、幅值、周期以及相关等分析;②频域分析,例如对确定性信号的频谱分析,对随机信号的功率谱分析,以及对系统的频响分析和相干分析等;③倒频域分析,主要有功率倒频谱和复倒频谱等等。与连续波形相比,瞬态电磁骚扰具有复杂的时域和频域特征。瞬态电磁骚扰的时域特征参数包括微脉冲的上升时间、上升速率、持续时间、能量和极性等;宏脉冲的脉冲持续时间、微脉冲数量和变化规律。分析时域特征将能获取骚扰幅值随时间的变化规律。瞬态电磁骚扰的频域特征参数包括微脉冲的频带范围和主频分布等,分析频域特征能为二次设备的屏蔽和滤波提供依据。

对某换流站一次开关进行操作和分析,其时频域图可见图 2、图 3。

针对时域和频域图形,根据其定义对图形做进一步分析,可得到特征参数如下。

时域特征参数:上升时间为0.14μ s;持续时间为18μ s;峰峰值为54 V。

频域特征参数:频带范围为5M Hz;主频分布为293 kHz,732 kHz,977 kHz,1.02 MHz。

4 结束语

文中通过对一些电磁骚扰的分析,得到其特征参数,为以后统计数据打下基础。随着测量数据的进一步积累和特征分析结果的丰富将能够获得各类数据的统计特征。

[1]路宏敏.工程电磁兼容 [M].陕西:西安电子科技大学出版社,2004.

[2]邬 雄,等.500kV南昌变电站保护小室屏蔽效能研究报告 [R].武汉:武汉高压研究所,1999.

[3]张 晔.信号时频分析及应用 [M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.