楊志超，王 望，曲秋蒔

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.寧夏回族自治區(qū)無線電管理委員會，銀川750002；3.北京交通職業(yè)技術學院，北京102200）

電快速脈沖群試驗的空間輻射場強特性研究

楊志超1，王 望2，曲秋蒔3

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.寧夏回族自治區(qū)無線電管理委員會，銀川750002；3.北京交通職業(yè)技術學院，北京102200）

由于電快速瞬變脈沖群試驗時域上的多變性和頻域上的寬帶特性，經(jīng)常會引起設備的誤動、拒動和延遲動作。根據(jù)IEC 61000-4-4 2012推薦的數(shù)學表達式，在時域和頻域上分析了電快速瞬變脈沖群干擾機理。針對其由于高頻效應所帶來的輻射特性，首次采用基于光纖傳輸?shù)乃矐B(tài)電磁場測量系統(tǒng)對電快速脈沖群試驗輻射場強進行了測試評估。在容性耦合夾水平面0～200 cm和垂直方向0～50 cm（在坐標為50 cm處和100 cm處）做出其輻射場強分布，可為今后的試驗布置提供一定參考。

電快速脈沖群；干擾機理；輻射特性；場強分布

電快速瞬變EFT/B（electrical fast transient burst）脈沖群試驗的主要目的是驗證電力、電子設備在開關動作工況下的抗擾度特性。實際中如切斷感性負載和繼電器觸電彈跳等工況都會引起設備的誤動作和失靈。EFT/B試驗的作用機理是對電路節(jié)電容充電過程。脈沖重復頻率越高，電路節(jié)電容電荷積累的效應就越強，設備受擾的風險就越大。變電站繼電保護設備的動作過程是產(chǎn)生脈沖群騷擾的主要來源，進而影響到與其互聯(lián)或鄰近的設備［1～3］。

當在實驗室進行EFT/B試驗時，經(jīng)常會出現(xiàn)諸如顯示屏閃爍、鼠標失靈等現(xiàn)象。大部分工程師都以先從傳導干擾解決方法入手切斷線纜耦合路徑的方式試圖解決問題，但是這種方法并不是全部奏效，尤其是在一些外殼為塑料和絕緣體的材料上表現(xiàn)的尤為突出，而在實際應用中隨著電路工作頻率的提高，脈沖群騷擾產(chǎn)生的頻率也逐漸提高。為此相關標準正考慮提高脈沖群的重復頻率。

以往的脈沖群試驗研究多數(shù)以電路理論出發(fā)，通過對耦合去耦網(wǎng)絡和信號發(fā)生器的討論，重點關注其在傳導干擾方面的特性。實際上由于其高頻特性所帶來的輻射效應也是導致試驗失敗的一個重要方面。但是在信號測量方面，由于傳統(tǒng)的頻域測量的局限性使得測量設備不能夠很好地捕獲完整的頻域波形［4，5］。本文借助基于光纖傳輸?shù)乃矐B(tài)電場測量系統(tǒng)，能夠在時域上較好地獲得其波形特征，再通過FFT獲得其頻域特性，能夠在時域和頻域上較好地分析信號特征。

1 電快速脈沖群的信號分析

IEC 61000-4-4 2012中推薦的電快速脈沖群的較理想數(shù)學表達式［6］為

式中：k為相關系數(shù)，k=1.27；Vp為開路電壓；τ1=3.5 ns，τ2=55.6 ns，表示與時間有關的波形系數(shù)［9］。

從式（1）、式（2）可以看出，電快速脈沖群波形的上升時間（10%～90%Vp）主要由τ1決定，中值持續(xù)時間（上升時50%Vp到下降50%Vp的時間）由τ2決定。τ1、τ2由大量的統(tǒng)計結果而獲得。

從式（1）、式（2）可以看出，與浪涌信號相比電快速脈沖群信號的上升時間和持續(xù)時間都比較短，因此浪涌信號是能量摧毀信號旨在考察設備瞬態(tài)保護器件的可靠性，而電快速脈沖群信號其轉折頻率f約為帶寬可達近百MHz的寬頻信號主要考查系統(tǒng)的響應速度。

從信號與系統(tǒng)分析的角度來看，一個周期為T的信號可以看成單個脈沖重復單元與周期為T的沖擊序列［10］δT（t）的卷積和，即

2 kV EFT/B干擾信號在脈沖群試驗過程中可看作重復頻率為5 kHz或100 kHz的周期信號，可將其等效成一個單脈沖信號fsinglepulse和周期為T=1/f的沖擊序列的卷積和，即

因此電快速瞬變脈沖群可以看作中值持續(xù)時間為50 ns的單個脈沖單元與周期為T=1/f的連續(xù)脈沖序列的卷積和。其中f為5 kHz或100 kHz，整個脈沖群信號由75個脈沖組成，不考慮脈沖群周期300 ms，電快速瞬變脈沖群時、頻域特性波形和歸一化幅頻響應特性分別如圖1和圖2所示。

圖1 EFT/B脈沖群時、頻域特性（f=5 kHz）Fig.1 Waveforms and normalized spectrum of EFT/B（f=5 kHz）

從圖1、圖2中可以看出，兩信號頻譜外包絡線基本相同。對于時域重復周期比較小的100 kHz脈沖群，其頻域上相鄰譜線間隔較大，頻譜密度稀疏但各次諧波的模值較大；而對于重復周期較長的5 kHz脈沖群，其譜線間隔較小，頻譜密度密集但各次諧波的模值較小?？梢缘贸鲭S著脈沖群重復頻率的提高，信號的諧波頻率間隔變大，但各次諧波的幅度提高。因此100 kHz的脈沖群的試驗對EUT的考核相對更嚴酷。

圖2 EFT/B脈沖群時、頻域特性（f=100 kHz）Fig.2 Waveforms and normalized spectrum of EFT/B（f=100 kHz）

2 電快速脈沖群的輻射特性分析

如上信號分析過程中電快速脈沖群的高頻含量豐富，所以很多情況下在進行電快速脈沖群試驗時其輻射特性不可忽略。由于其脈沖幅值很高所以其形成的瞬態(tài)場的場強也很高，常用的超寬帶天線對其進行測量比較困難，可采用高動態(tài)范圍的基于光纖傳輸電場測量系統(tǒng)對其進行測量，其工作原理如圖3所示。

圖3 輻射測量工作原理Fig.3 Principle of radiation transient field measurement system

為保證測量系統(tǒng)的高頻響應滿足測試要求，將其測量的輻射特性波形與其經(jīng)過標準校準夾具的測量波形做歸一化對比如圖4所示，實際測試平臺如圖5所示。標準校準電路測出的波形即可認為是理想波形，將傳感器測出的波形與其對比，從圖4中可以看出，兩個測試波形在上升沿有較好的吻合度，可以認為傳感器測得的波形在整個頻域上滿足要求。

從圖4中可以看出瞬態(tài)測量系統(tǒng)的測試結果和經(jīng)過校準電路的測試結果在上升時間上能夠較好的吻合。將脈沖群發(fā)生器的輸出調(diào)整為2 kV后將場強探頭放置在耦合夾的正中央，根據(jù)E=U/d，d=10 cm，計算得出其場強值為20 kV，測量場強的峰值為19 805 V/m。

圖4 歸一化頻譜對比Fig.4 Comparison of normalized voltage spectrum

圖5 實驗測試平臺Fig.5 Test setup

為更好地測量脈沖群發(fā)生過程中其周圍的空間輻射特性，將容性放置在近似無限大的理想導體平面上，將場傳感器放置在容性耦合夾邊緣的中點處記為0點，在水平方向上以10 cm為步進延伸到200 cm，且在50 cm處和100 cm處，在垂直高度上以5 cm為步進設置監(jiān)測點，其示意如圖6所示。測量結果分別如表1、表2、圖7和圖8所示。

圖6 監(jiān)測點示意Fig.6 Diagram of monitoring sites

表1 沿y軸的最大場強分布Tab.1 The max field strength at direction y V/m

圖7 沿y軸的最大場強分布示意Fig.7 Distribution of max field strength at direction y

圖8 沿z軸的最大場強分布示意Fig.8 Distribution of max field strength at direction z

表2 沿z軸的最大場強分布Tab.2 The max field strength at direction z V/m

3 結語

電快速脈沖群由于其上升時間和中值持續(xù)時間較短，多以時域上的多變性來干擾其他設備。雖然其脈沖幅值較高，但是其持續(xù)時間較短，累積能量相對較小，所以不會對設備造成損壞。但是由于其高頻分量較高且脈沖群重復頻率較快，造成對待測設備中線路結電容頻繁充放電，進而引起待測設備誤動、拒動等現(xiàn)象出現(xiàn)。另外由于高頻分量較為豐富其干擾特性不僅體現(xiàn)在傳導干擾方面，由耦合夾具帶來的輻射騷擾特性表現(xiàn)的亦尤為突出。從測量結果來看，在距離耦合夾邊緣50 cm處的峰值場強可達400 V/m；在距離耦合夾邊緣100 cm處的峰值場強仍能達到近40 V/m。因此在EFT/B試驗過程中，與EUT相連的輔助設備不應離EUT太近，以保證輔助設備免受輻射干擾引起誤動而影響對測試結果的誤判。

［1］沙斐．電磁兼容與測量講義［M］．北京：北京交通大學, 2009.

［2］周媛奉.脈沖群抗擾度試驗方法探討［J］.電源技術應用, 2014（3）：524. Zhou Yuanfeng.Discussion on Electrical fast transient burst experiment［J］.Power Supply Technologies and Applications,2014（3）：524.

［3］程利軍,鄧慧瓊.微機保護抗電快速瞬變脈沖群干擾研究［J］.電力自動化設備,2002,22（6）：1-4. Cheng Lijun,Deng Huiqiong.Research on electrical fast transient/burst immunity for numerical protection［J］.Electric Power Automation Equipment,2002,22（6）：1-4.

［4］張曉東.電快速瞬變-脈沖群抗擾度試驗及對策［J］.江蘇電機工程,2012,31（4）：27-29. Zhang Xiaodong.EFT/B Immunity test and countermeasure［J］.Jiangsu Electrical Engineering,2012,31（4）：27-29.

［5］曹恒,王琪,張金鎖,袁惠民.電快速瞬變脈沖群試驗方法研究［J］.振動、測試與診斷,2006,26（4）：278-281. Cao Heng,Wang Qi,Zhang Jinsuo,Yuan Huimin.Research on EFT/B Experiment［J］.Journal of Vibration,Measurement &Diagnosis,2006,26（4）：278-281.

［6］IEC 61000-4-4-2012,Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 4-4：Testing and measurement techniques-Electrical fast transient/burst immunity test.

［7］Musolino F,Fiori F.Modeling the IEC 61000-4-4 EFT injection clamp［J］．IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility,2008,50（4）：869-875．

［8］Kunkel H,Klezar S,Electric Fast Transients（EFT）：The revision of IEC 61000-4-4［C］.8th International Conference on Electromagnetic Interference and Compatibility.Madras,India,2003.

［9］Institute of Electrical and Electronics Engineers．IEEE C62.41-1999 IEEE recommended practice on surge voltage in low-voltage AC power circuits［S］.New York：IEEE, 1991．

［10］吳大正等.信號與線性系統(tǒng)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

楊志超

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.3.86

：TM 77

：A

楊志超（1987-），男，碩士，工程師，研究方向：主要從事電力電子系統(tǒng)電磁兼容與電磁環(huán)境方面的研究，E-mail：yangzhi chao@epri.sgcc.com.cn。

2016-11-15

王望（1987-），男，碩士，工程師，研究方向：通信系統(tǒng)的電磁兼容技術，E-mail：38578124@qq.com。

曲秋蒔（1987-），女，碩士，講師，研究方向：主要電氣自動化方面的教學與研究工作，E-mail：1397124539@qq.com。