电快速脉冲群试验的空间辐射场强特性研究

杨志超，王 望，曲秋莳

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.宁夏回族自治区无线电管理委员会，银川750002；3.北京交通职业技术学院，北京102200）

电快速脉冲群试验的空间辐射场强特性研究

杨志超1，王 望2，曲秋莳3

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.宁夏回族自治区无线电管理委员会，银川750002；3.北京交通职业技术学院，北京102200）

由于电快速瞬变脉冲群试验时域上的多变性和频域上的宽带特性，经常会引起设备的误动、拒动和延迟动作。根据IEC 61000-4-4 2012推荐的数学表达式，在时域和频域上分析了电快速瞬变脉冲群干扰机理。针对其由于高频效应所带来的辐射特性，首次采用基于光纤传输的瞬态电磁场测量系统对电快速脉冲群试验辐射场强进行了测试评估。在容性耦合夹水平面0～200 cm和垂直方向0～50 cm（在坐标为50 cm处和100 cm处）做出其辐射场强分布，可为今后的试验布置提供一定参考。

电快速脉冲群；干扰机理；辐射特性；场强分布

电快速瞬变EFT/B（electrical fast transient burst）脉冲群试验的主要目的是验证电力、电子设备在开关动作工况下的抗扰度特性。实际中如切断感性负载和继电器触电弹跳等工况都会引起设备的误动作和失灵。EFT/B试验的作用机理是对电路节电容充电过程。脉冲重复频率越高，电路节电容电荷积累的效应就越强，设备受扰的风险就越大。变电站继电保护设备的动作过程是产生脉冲群骚扰的主要来源，进而影响到与其互联或邻近的设备［1～3］。

当在实验室进行EFT/B试验时，经常会出现诸如显示屏闪烁、鼠标失灵等现象。大部分工程师都以先从传导干扰解决方法入手切断线缆耦合路径的方式试图解决问题，但是这种方法并不是全部奏效，尤其是在一些外壳为塑料和绝缘体的材料上表现的尤为突出，而在实际应用中随着电路工作频率的提高，脉冲群骚扰产生的频率也逐渐提高。为此相关标准正考虑提高脉冲群的重复频率。

以往的脉冲群试验研究多数以电路理论出发，通过对耦合去耦网络和信号发生器的讨论，重点关注其在传导干扰方面的特性。实际上由于其高频特性所带来的辐射效应也是导致试验失败的一个重要方面。但是在信号测量方面，由于传统的频域测量的局限性使得测量设备不能够很好地捕获完整的频域波形［4，5］。本文借助基于光纤传输的瞬态电场测量系统，能够在时域上较好地获得其波形特征，再通过FFT获得其频域特性，能够在时域和频域上较好地分析信号特征。

1 电快速脉冲群的信号分析

IEC 61000-4-4 2012中推荐的电快速脉冲群的较理想数学表达式［6］为

式中：k为相关系数，k=1.27；Vp为开路电压；τ1=3.5 ns，τ2=55.6 ns，表示与时间有关的波形系数［9］。

从式（1）、式（2）可以看出，电快速脉冲群波形的上升时间（10%～90%Vp）主要由τ1决定，中值持续时间（上升时50%Vp到下降50%Vp的时间）由τ2决定。τ1、τ2由大量的统计结果而获得。

从式（1）、式（2）可以看出，与浪涌信号相比电快速脉冲群信号的上升时间和持续时间都比较短，因此浪涌信号是能量摧毁信号旨在考察设备瞬态保护器件的可靠性，而电快速脉冲群信号其转折频率f约为带宽可达近百MHz的宽频信号主要考查系统的响应速度。

从信号与系统分析的角度来看，一个周期为T的信号可以看成单个脉冲重复单元与周期为T的冲击序列［10］δT（t）的卷积和，即

2 kV EFT/B干扰信号在脉冲群试验过程中可看作重复频率为5 kHz或100 kHz的周期信号，可将其等效成一个单脉冲信号fsinglepulse和周期为T=1/f的冲击序列的卷积和，即

因此电快速瞬变脉冲群可以看作中值持续时间为50 ns的单个脉冲单元与周期为T=1/f的连续脉冲序列的卷积和。其中f为5 kHz或100 kHz，整个脉冲群信号由75个脉冲组成，不考虑脉冲群周期300 ms，电快速瞬变脉冲群时、频域特性波形和归一化幅频响应特性分别如图1和图2所示。

图1 EFT/B脉冲群时、频域特性（f=5 kHz）Fig.1 Waveforms and normalized spectrum of EFT/B（f=5 kHz）

从图1、图2中可以看出，两信号频谱外包络线基本相同。对于时域重复周期比较小的100 kHz脉冲群，其频域上相邻谱线间隔较大，频谱密度稀疏但各次谐波的模值较大；而对于重复周期较长的5 kHz脉冲群，其谱线间隔较小，频谱密度密集但各次谐波的模值较小。可以得出随着脉冲群重复频率的提高，信号的谐波频率间隔变大，但各次谐波的幅度提高。因此100 kHz的脉冲群的试验对EUT的考核相对更严酷。

图2 EFT/B脉冲群时、频域特性（f=100 kHz）Fig.2 Waveforms and normalized spectrum of EFT/B（f=100 kHz）

2 电快速脉冲群的辐射特性分析

如上信号分析过程中电快速脉冲群的高频含量丰富，所以很多情况下在进行电快速脉冲群试验时其辐射特性不可忽略。由于其脉冲幅值很高所以其形成的瞬态场的场强也很高，常用的超宽带天线对其进行测量比较困难，可采用高动态范围的基于光纤传输电场测量系统对其进行测量，其工作原理如图3所示。

图3 辐射测量工作原理Fig.3 Principle of radiation transient field measurement system

为保证测量系统的高频响应满足测试要求，将其测量的辐射特性波形与其经过标准校准夹具的测量波形做归一化对比如图4所示，实际测试平台如图5所示。标准校准电路测出的波形即可认为是理想波形，将传感器测出的波形与其对比，从图4中可以看出，两个测试波形在上升沿有较好的吻合度，可以认为传感器测得的波形在整个频域上满足要求。

从图4中可以看出瞬态测量系统的测试结果和经过校准电路的测试结果在上升时间上能够较好的吻合。将脉冲群发生器的输出调整为2 kV后将场强探头放置在耦合夹的正中央，根据E=U/d，d=10 cm，计算得出其场强值为20 kV，测量场强的峰值为19 805 V/m。

图4 归一化频谱对比Fig.4 Comparison of normalized voltage spectrum

图5 实验测试平台Fig.5 Test setup

为更好地测量脉冲群发生过程中其周围的空间辐射特性，将容性放置在近似无限大的理想导体平面上，将场传感器放置在容性耦合夹边缘的中点处记为0点，在水平方向上以10 cm为步进延伸到200 cm，且在50 cm处和100 cm处，在垂直高度上以5 cm为步进设置监测点，其示意如图6所示。测量结果分别如表1、表2、图7和图8所示。

图6 监测点示意Fig.6 Diagram of monitoring sites

表1 沿y轴的最大场强分布Tab.1 The max field strength at direction y V/m

图7 沿y轴的最大场强分布示意Fig.7 Distribution of max field strength at direction y

图8 沿z轴的最大场强分布示意Fig.8 Distribution of max field strength at direction z

表2 沿z轴的最大场强分布Tab.2 The max field strength at direction z V/m

3 结语

电快速脉冲群由于其上升时间和中值持续时间较短，多以时域上的多变性来干扰其他设备。虽然其脉冲幅值较高，但是其持续时间较短，累积能量相对较小，所以不会对设备造成损坏。但是由于其高频分量较高且脉冲群重复频率较快，造成对待测设备中线路结电容频繁充放电，进而引起待测设备误动、拒动等现象出现。另外由于高频分量较为丰富其干扰特性不仅体现在传导干扰方面，由耦合夹具带来的辐射骚扰特性表现的亦尤为突出。从测量结果来看，在距离耦合夹边缘50 cm处的峰值场强可达400 V/m；在距离耦合夹边缘100 cm处的峰值场强仍能达到近40 V/m。因此在EFT/B试验过程中，与EUT相连的辅助设备不应离EUT太近，以保证辅助设备免受辐射干扰引起误动而影响对测试结果的误判。

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［10］吴大正等.信号与线性系统分析［M］.北京：高等教育出版社,2001．

Research on Radiated Characteristic of Electrical Fast Transient Burst Experiment

YANG Zhichao1,WANG Wang2,QU Qiushi3
（1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;2.The Ningxia Hui Autonomous Region Radio Management Committee,Yinchuan 750002,China;3.Beijing Jiaotong Vocational Technical College,Beijing 102200,China）

The electrical fast transient burst（EFT/B）may cause the malfunction of EUT due to the transient character in time domain and wideband character in frequency domain.According to the mathematical expression recommended by IEC 61000-4-4 2012，this paper analyzed the interference mechanism of EFT/B both in time and frequency domain first.The radiated field strength was initially evaluated by the transient electromagnetic field measurement system based on optical fiber transmission.The distribution of the maximum field strength is presented along the plane of clamp in horizon direction（0～200 cm）and vertical direction（0～50 cm）at the point 50 cm and 100 cm.The measurement results are analyzed and some distorted waveforms and data were eliminated.The distribution of the field can be referenced during the test.

EFT/B;interference mechanism;radiated characteristic;field strength distribution

杨志超

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.3.86

：TM 77

：A

杨志超（1987-），男，硕士，工程师，研究方向：主要从事电力电子系统电磁兼容与电磁环境方面的研究，E-mail：yangzhi chao@epri.sgcc.com.cn。

2016-11-15

王望（1987-），男，硕士，工程师，研究方向：通信系统的电磁兼容技术，E-mail：38578124@qq.com。

曲秋莳（1987-），女，硕士，讲师，研究方向：主要电气自动化方面的教学与研究工作，E-mail：1397124539@qq.com。