阅读说明：本技术 模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台 (Electromagnetic field test platform for simulating power grid incident disturbance ) 是由 贺家慧 张露 童歆 李进扬 邵华锋 张致 吴彤 王永勤 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台,包括电源模块、综合控制及显示模块、相位控制模块、工频电场发生模块、工频磁场发生模块、冲击磁场发生模块、波形测量模块；电源模块为模拟发生平台提供大功率电源；综合控制及显示模块集中控制工频电场、工频磁场、冲击磁场的发生以及输出电压值、电流值及相位等参数显示；相位控制模块控制冲击磁场发生模块输出冲击磁场与工频磁场和工频电磁场以任意叠加相位输出；波形测量模块实现工频高压、工频电流及冲击电流波形同步测量。本发明可模拟工频电场、工频磁场及冲击磁场的同时输出,且冲击磁场与工频电磁场能以任意相位叠加,满足在线监测装置或带电检测仪器在实验室校验时的电磁场环境需求。(The invention provides an electromagnetic field test platform for simulating power grid incident disturbance, which comprises a power supply module, a comprehensive control and display module, a phase control module, a power frequency electric field generation module, a power frequency magnetic field generation module, an impact magnetic field generation module and a waveform measurement module, wherein the comprehensive control and display module is connected with the phase control module; the power supply module provides a high-power supply for the simulation generation platform; the comprehensive control and display module is used for intensively controlling the generation of a power frequency electric field, a power frequency magnetic field and an impact magnetic field and displaying parameters such as an output voltage value, a current value, a phase and the like; the phase control module controls the impact magnetic field generation module to output the impact magnetic field, the power frequency magnetic field and the power frequency electromagnetic field in any superimposed phase; the waveform measuring module realizes the synchronous measurement of power frequency high voltage, power frequency current and impact current waveform. The invention can simulate the simultaneous output of a power frequency electric field, a power frequency magnetic field and an impact magnetic field, and the impact magnetic field and the power frequency electric field can be superposed in any phase, thereby meeting the electromagnetic field environment requirement of an online monitoring device or a charged detection instrument during laboratory calibration.)

模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台

技术领域

本发明涉及电气设备状态检测仪器装置的检测与校准技术领域，具体是一种模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台。

背景技术

运行中的输电线路和变电站内存在工频电场、工频磁场、冲击干扰、无线电干扰、噪声干扰等。目前大量使用的带电检测仪器，在带电状态下对电气设备的运行参量进行检测，在使用中极易受到各类电磁干扰造成数据不稳定等问题；而变电站内广泛安装的在线监测装置，长时间运行在复杂的电磁环境下，其性能会下降甚至丧失，无法发挥应有的监测和预警效果。因此，在带电检测仪器和在线监测装置投入使用前、使用过程中，需对这些仪器的性能进行全面检验，而在电磁干扰环境下检验和评价仪器装置的可靠性和准确性，可以甄别带电检测仪器和在线监测装置的性能优劣，避免不可靠、不准确的检测仪器和监测装置投入使用，是电力行业重要的检验项目之一。

工频电场、工频磁场是输变电现场稳定存在的主要干扰源，便于测量采集和实验室内模拟。CN201810516630.2公布了一种用于模拟变电站现场的工频电磁场发生平台，在实验室内模拟产生了等效于变电站现场的工频电场、工频磁场环境。

本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：输电线路、变电站现场常有雷击过电压、操作过电压发生，会导致避雷器动作，泄放冲击电流，从而在电气设备上造成暂态的电磁过程；此外，开关、刀闸正常的分合闸过程中，也伴随暂态电流的变化，进而产生脉冲性的电磁扰动。这些突发性的、暂态性的电网事件过程，在输电线路周围和变电站内产生瞬间的、脉冲大电流，伴随产生的冲击脉冲磁场，叠加在稳定的工频电场、磁场的环境下，对输电线路和变电站内安装的在线监测装置造成瞬态冲击，极大的干扰信号会影响在线监测装置和带电检测仪器的测量性能，甚至损坏其传感器或采样单元。因此，模拟电网事件性扰动产生冲击磁场，对客观、全面考核在线监测装置和带电检测仪器具有重要的现实意义。由于冲击脉冲磁场有突发性和随机性，在实验室内对其进行模拟时，要求冲击磁场能以任意相位差叠加在工频电磁场上。目前国内外尚未见到关于此方面的研究报道。

发明内容

本发明提供一种模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台，可实现工频电场、工频磁场及冲击磁场同时输出，电场强度与磁场强度均连续可调，工频电场强度最大100kV/m，工频磁场强度最大1mT，冲击磁场强度最大1mT，且冲击磁场与工频电磁场能以任意相位叠加，完全满足模拟现场工频电磁场及冲击脉冲磁场的试验需求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台，包括电源模块、综合控制及显示模块、相位控制模块、工频电场发生模块、工频磁场发生模块、冲击磁场发生模块、波形测量模块；

电源模块输出端与综合控制及显示模块和相位控制模块的电源输入端连接，用于为整个电网事件性扰动电磁特征参量模拟发生平台提供电源；

综合控制及显示模块分别与工频电场发生模块、工频磁场发生模块、冲击磁场发生模块连接，用于集中控制工频电场、工频磁场、冲击磁场的发生与关断，同时显示模拟发生平台输出的电压值、电流值及相位；综合控制及显示模块还与相位控制模块连接，用于发送综合控制及显示模块所设置的冲击磁场与工频电磁场的叠加相位差至相位控制模块；

相位控制模块输出端与冲击磁场发生模块开关信号输入端连接，用于控制开关信号输入端，实现冲击磁场与工频电磁场以任意相位差叠加输出；

工频电场发生模块用于产生工频电场，其输出的工频高压接至波形测量模块的第一测量通道输入端；工频磁场发生模块用于产生工频磁场，其输出的工频电流接至波形测量模块的第二测量通道输入端；冲击磁场发生模块用于产生高频冲击磁场，其输出的冲击电流接至波形测量模块的第三测量通道输入端；

波形测量模块用于同步测量工频高压、工频电流及冲击电流波形，验证冲击磁场与工频电磁场是否按预定的相位差叠加输出。

进一步的，所述相位控制模块包括依次级联的电压信号取样调理模块、锁相倍频模块、微控制器延时模块；

电压信号取样调理模块用于对工频电磁场激励源电压进行信号取样调理后，输入到锁相倍频模块进行相位跟踪锁定及倍频处理，再输入到微控制器延时模块，微控制器延时模块通过控制冲击电流相对工频电磁场激励源电压信号的延时脉冲数来调节冲击磁场的相位，当调节冲击磁场的相位达到综合控制及显示模块预设相位时，微控制器延时模块输出开关信号，控制冲击磁场发生模块中的放电输出模块导通，冲击电流输出，从而产生与工频电磁场以预设相位差叠加的冲击磁场。

进一步的，所述冲击磁场发生模块包括依次连接的升压及整流充电模块、放电输出模块、冲击电流线圈装置；升压及整流充电模块用于对冲击磁场激励源电压进行升压、整流以及为高压储能电容充电，高压储能电容两端电压接至放电输出模块的电压输入端，放电输出模块的开关信号输入端与相位控制模块输出端连接，放电输出模块由相位控制模块输出的开关信号控制开断，放电输出模块的输出端串联接入冲击电流线圈装置，以形成完整的冲击电流回路。

进一步的，放电输出模块包括三极管Q1、限流电阻R1、晶闸管T1，相位控制模块输出的开关信号作为控制放电输出模块的输入信号Vi连接至三极管Q1的基极b，升压及整流充电模块输出的电压作为电源+Vcc串联限流电阻R1连接至三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接至地电位；晶闸管T1的控制极G连接至正电源+Vcc；晶闸管T1的阳极A端和阴极K端串联于冲击磁场放电输出回路中。

进一步的，当输入信号Vi为低电平时，三极管Q1不导通，晶闸管T1的控制极G无触发电流，晶闸管T1不导通，无冲击电流产生；当输入信号Vi为高电平时，三极管Q1导通，晶闸管T1的控制极G有触发电流，晶闸管T1导通，冲击电流产生。

进一步的，冲击电流线圈装置固定于工频磁场线圈内侧，并垂直等距放置于工频电场发生模块左右两侧，以形成有效区域的冲击磁场。

进一步的，所述冲击电流线圈装置包括进线铜排、冲击电流线圈、出线铜排；冲击电流经冲击波输出正端连接的进线铜排流入冲击电流线圈，冲击电流流过左右两个冲击电流线圈后，经出线铜排流出，回至冲击波输出负端，形成完整的冲击电流回路。

进一步的，进线铜排和出线铜排材质均为宽度40mm、厚度5mm的紫铜排，并经90°折弯处理以方便接线。

进一步的，冲击电流线圈为铜排载流回路，每4根铜排组成一匝线圈，线圈匝数为3匝，线圈间距为100mm～150mm，线圈边长为1200mm～1700mm，线圈材质为宽度40mm、厚度5mm的紫铜排，满足10kA冲击电流的载流要求。

进一步的，所述冲击电流线圈装置还包括第一尼龙夹件和第二尼龙夹件，第一尼龙夹件用于将冲击电流线圈和工频磁场线圈同时固定卡紧，配合使用第二尼龙夹件将其进一步卡紧；第一尼龙夹件和第二尼龙夹件材质均为厚度30mm、宽度100mm的尼龙。

本发明具有下列优点和积极效果：

1)本发明提供了一种模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台，可为在线监测装置和带电检测仪器在实验室内的检验提供接近输变电现场真实工况的复杂电磁场干扰环境，能满足工频电场、工频磁场及冲击磁场的同时输出；

2)本发明设计的工频电场、工频磁场及冲击磁场范围较宽，完全满足实验室在线监测装置和带电检测仪器的校验需求；其中，工频电场发生模块可输出(0～100)kV的工频高压，实现(0～100)kV/m电场强度范围的工频电场连续输出；工频磁场发生模块可输出(0～1)kA的工频电流，实现(0～1)mT磁场强度范围的工频磁场连续输出；冲击磁场发生模块可输出(0～10)kA、8/20uS的高频冲击电流，实现(0～1)mT高频冲击磁场强度的冲击磁场输出；

3)本发明可实现冲击磁场与工频电磁场以任意相位叠加，确保了实验室环境下模拟现场运行变电站电磁场相位的真实性；

4)本发明考虑了工频电场试验、工频磁场试验及冲击磁场试验一体的兼容性，各发生模块在结构及综合控制上集成为一体，既保证了工频电场、工频磁场及冲击磁场同时输出的叠加性，又保证了各发生模块单独输出的独立性。

附图说明

图1是本发明提供的一种模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台其中一个实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中相位控制模块的电路原理框图；

图3是本发明实施例中冲击磁场发生模块的电路原理框图；

图4是本发明冲击磁场发生模块中放电输出模块的电路图；

图5是本发明实施例中冲击电流线圈装置的结构示意图。

图中附图标记分述如下：

1-电源模块、2-综合控制及显示模块、3-相位控制模块；4-工频电场发生模块、5-工频磁场发生模块、6-冲击磁场发生模块、7-波形测量模块；3.1-电压信号取样调理模块、3.2-锁相倍频模块、3.3-微控制器延时模块；Vi-放电输出模块输入信号；+Vcc-晶闸管开关电路电源；Q1-三极管、R1-限流电阻、T1-晶闸管；6.1-升压及整流充电模块、6.2-放电输出模块、6.3-冲击电流线圈装置；5.1-工频磁场线圈、6.3.1-进线铜牌、6.3.2-冲击电流线圈、6.3.3-出线铜牌、6.3.4-第一尼龙夹件、6.3.5-第二尼龙夹件。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台其中一个实施例的结构示意图，所述模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台包括电源模块1、综合控制及显示模块2、相位控制模块3、工频电场发生模块4、工频磁场发生模块5、冲击磁场发生模块6、波形测量模块7。

电源模块1的输出端与综合控制及显示模块2和相位控制模块3的电源输入端连接，为整个电网事件性扰动电磁特征参量模拟发生平台提供大功率电源。

综合控制及显示模块2分别与工频电场发生模块4、工频磁场发生模块5、冲击磁场发生模块6连接，用于集中控制工频电场、工频磁场、冲击磁场的发生与关断，同时显示模拟发生平台输出的电压值、电流值及相位；综合控制及显示模块2还与相位控制模块3连接，用于发送综合控制及显示模块2所设置的冲击磁场与工频电磁场叠加相位值至相位控制模块3。

相位控制模块3输出端与冲击磁场发生模块6的开关信号输入端连接，用于根据综合控制及显示模块2设置的冲击磁场与工频电磁场叠加相位值，控制冲击磁场发生模块6输出冲击磁场与工频电磁场以任意叠加相位输出。

工频电场发生模块4，用于产生工频电场，其输出的工频高压接至波形测量模块7的第一测量通道输入端；工频磁场发生模块5，用于产生工频磁场，其输出的工频电流接至波形测量模块7的第二测量通道输入端；冲击磁场发生模块6用于产生高频冲击磁场，其输出的冲击电流接至波形测量模块7的第三测量通道输入端；

波形测量模块7用于同步测量工频高压、工频电流及冲击电流波形，验证冲击磁场与工频电磁场叠加相位输出功能。

本发明的具体实施方法是：

将被试在线监测装置或带电检测仪器放置于模拟电网事件性扰动的电磁场试验平台上，试验人员在综合控制及显示模块2的操作台处进行电压、电流及相位等参数设置及调控，控制工频高压发生、工频大电流发生及冲击磁场升压整流及充电动作发生，工频电场发生模块4产生工频电场，工频磁场发生模5块产生工频磁场；当冲击磁场发生模块6的高压储能电容两端电压升至设定电压时，暂不放电，等待相位控制模块3调节冲击磁场与工频电磁场间的叠加相位达到预设相位时，相位控制模块3控制冲击磁场发生模块6的冲击磁场放电回路开始放电，产生冲击磁场，叠加在工频电场、工频磁场上，共同在试验区域内产生复杂的电磁环境；同时，工频电场高压波形、工频磁场大电流波形及冲击磁场高频冲击电流波形输入至波形测量模块进行同步测量，以检验冲击磁场与工频电磁场叠加相位是否按照预设值输出。

本发明中各功能块结构具体介绍如下：

1、电源模块1

电源模块1为220V工频市电，用于为整个电网事件性扰动电磁特征参量模拟发生平台提供大功率电源。考虑到工频电场发生模块4、工频磁场发生模块5、冲击磁场发生模块6的输出功率不同，各模块电源线截面积不同，具体为：工频电场发生模块4采用采用截面积6mm²电源线从220V工频市电插座获取小功率电源；工频磁场发生模块5和冲击磁场发生模块6均采用截面积35mm²的专用升流器大功率输入电源线从220V工频市电插座获取大功率电源。

2、综合控制及显示模块2

综合控制及显示模块2是一个集工频高压发生控制系统、工频大电流发生控制系统及冲击磁场冲击电流发生控制系统于一体的综合控制及显示操作台，用于集中控制工频电场、工频磁场、冲击磁场的发生与关断，同时显示模拟发生平台输出的电场高压值、工频磁场大电流值、冲击磁场大电流值等参数；同时，综合控制及显示模块2配置输出电流过电流保护装置，一旦过流输出，自动断开输出电压，防止意外放电，保证试验安全。综合控制及显示模块2的操作台上可根据试验需求手动预设期望的与工频电磁场叠加输出的冲击磁场相位值，并配合相位控制模块3实现预设相位的冲击磁场在工频电磁场上叠加输出。

3、相位控制模块3

如图2所示，相位控制模块3包括依次级联的电压信号取样调理模块3.1、锁相倍频模块3.2、微控制器延时模块3.3。

电压信号取样调理模块3.1用于对工频电磁场激励源电压进行信号取样调理后，输入到锁相倍频模块3.2进行相位跟踪锁定及倍频处理，再输入到微控制器延时模块3.3，微控制器延时模块3.3通过控制冲击电流相对工频电磁场激励源电压信号的延时脉冲数来调节冲击磁场的相位，当调节冲击磁场的相位达到综合控制及显示模块2预设相位时，微控制器延时模块3.3输出高电平，作为相位控制模块3的开关信号输入冲击磁场发生模块6的开关信号输出端，进而控制冲击磁场发生模块6中的放电输出模块6.2(如图3所示)导通，冲击电流输出，从而产生与工频电磁场以预设相位叠加的冲击磁场。例如，锁相倍频模块3.2将50Hz倍频1000倍到50kHz，20ms内的脉冲数为1000个，1个脉冲对应时间为20μs，对应相位为0.36°，从设置的叠加相位可以换算对应的脉冲数。

4、工频电磁场发生模块

工频电场发生模块4包括控制台、升流器或工频大电流发生器、工频磁场线圈，其中控制台控制升流器或工频大电流发生器输出电流，电流通过工频磁场线圈，在线圈周围的试验区域产生磁场。

工频电场发生模块4与工频磁场发生模块5均通过程控调压方式实现工频电场、磁场的连续输出，其中，工频高压连续输出范围为(0～100)kV，从而实现(0～100)kV/m电场强度范围的工频电场连续输出；工频电流连续输出范围为(0～1)kA，从而实现(0～1)mT磁场强度范围的工频磁场连续输出。

5、冲击磁场发生模块6

如图3所示，冲击磁场发生模块6包括依次连接的升压及整流充电模块6.1、放电输出模块6.2、冲击电流线圈装置6.3；升压及整流充电模块6.1用于对冲击磁场激励源电压进行升压、整流以及为高压储能电容充电，高压储能电容两端电压接至放电输出模块6.2的电压输入端，放电输出模块6.2的开关信号输入端与相位控制模块3的微控制器延时模块3.3的输出端连接，放电输出模块6.2由微控制器延时模块3.3输出的开关信号控制开断，放电输出模块6.2的输出端串联接入冲击电流线圈装置6.3，以形成完整的冲击电流回路。

其中，如图4所示，所述放电输出模块6.2包括三极管Q1、限流电阻R1、晶闸管T1，由微控制器延时模块3.3输出的开关信号作为输入信号Vi连接至三极管Q1的基极b，升压及整流充电模块6.1输出的电压作为电源+Vcc串联限流电阻R1连接至三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接至地电位；晶闸管T1的控制极G连接至正电源+Vcc；晶闸管T1的阳极A端和阴极K端串联于冲击磁场放电输出回路中。当输入信号Vi为低电平时，三极管Q1不导通，晶闸管T1的控制极G无触发电流，晶闸管T1不导通，无冲击电流产生；当输入信号Vi为高电平时，三极管Q1导通，晶闸管T1的控制极G有触发电流，晶闸管T1导通，冲击电流产生。

具体实施时，相位控制模块3从过零点开始，对倍频脉冲进行计数，到达设置的计数值，发送控制脉冲即开关信号控制晶闸管T1导通，进行放电，冲击电流输出到线圈内，从而在试验区域产生冲击磁场。

三极管Q1型号为9013型NPN三极管；限流电阻R1阻值为10k；电源+Vcc为+5V；考虑到冲击磁场放电回路冲击波电压高至20kV，因此，选用4个5kV/10kA的晶闸管串联分压，4个串联的晶闸管总体等效于图3中的T1，且4个串联的晶闸管控制极连接在一起，等效于图3中的T1的控制极G，由晶闸管开关电路来控制晶闸管的控制极G是否有触发电流产生，从而控制晶闸管T1是否导通，实现冲击磁场电流回路的开关控制功能。

冲击电流线圈装置6.3固定于工频磁场发生模块5中工频磁场线圈5.1内侧，并垂直等距放置于工频电场发生模块4左右两侧，以形成有效区域的冲击磁场。

如图5所示，所述冲击电流线圈装置6.3包括：进线铜排6.3.1、冲击电流线圈6.3.2、出线铜排6.3.3、第一尼龙夹件6.3.4、第二尼龙夹件6.3.5；放电输出模块6.2输出的冲击电流的冲击波输出正端经进线铜排6.3.1流入冲击电流线圈6.3.2，冲击电流流过左右两个冲击电流线圈6.3.2后，经出线铜排6.3.3流出，回至冲击波输出负端，形成完整的冲击电流回路。

进线铜排6.3.1和出线铜排6.3.3材质均为宽度40mm、厚度5mm的紫铜排，并经90°折弯处理以方便接线；

冲击电流线圈6.3.2为铜排载流回路，每4根铜排组成一匝线圈，线圈匝数为3匝，线圈间距为100mm～150mm，线圈边长为1200mm～1700mm，线圈材质为宽度40mm、厚度5mm的紫铜排，满足10kA冲击电流载流要求；

第一尼龙夹件6.3.4将冲击电流线圈6.3.2和工频磁场线圈5.1同时固定卡紧，考虑到工频磁场线圈5.1铜管线径较粗，配合使用第二尼龙夹件6.3.5将其进一步卡紧；通过在工频磁场线圈5.1和冲击电流线圈6.3.2的四边中心处对称安装第一尼龙夹件6.3.4与第二尼龙夹件6.3.5，确保模拟发生平台整体线圈稳固性良好；第一尼龙夹件6.3.4和第二尼龙夹件6.3.4材质均为厚度30mm、宽度100mm的尼龙。

冲击磁场发生模块6具体实施过程为：依据GBT 17626.8-2006电磁兼容试验和测量技术，脉冲磁场抗扰度试验中提供的冲击电流产生电路设计放电回路电容、电感、阻抗等参数；升压变高压整流后，对高压储能电容进行充电，当高压储能电容两端电压到达设定值后，同时，当相位控制模块3调节冲击磁场的相位达到预设相位时，导通放电回路晶闸管，控制放电回路放电，实现8/20μs冲击电流输出，将输出冲击电流注入冲击电流线圈装置6.3，产生试验所需冲击磁场。

6、波形测量模块7

如图1所示，波形测量模块7有3个输入通道，分别输入工频电场高压波形、工频磁场大电流波形及冲击磁场高频冲击电流波形；波形测量模块7具体实施过程为：首先对工频电场高压、工频磁场大电流及冲击磁场高频冲击电流原始信号进行采集，高压可经过电阻分压器进行信号取样，大电流可经过分流器进行信号取样，然后将取样信号调理成示波器能接收的信号，最后送至示波器的三个输入端进行波形同步测量，一方面可直观观测工频电场高压、工频磁场大电流及冲击磁场高频冲击电流三路信号的波形及幅值，另一个方面可读取以上三路信号相位信息，以检验冲击磁场与工频电磁场是否按预设的相位差叠加输出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。