基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法与流程

1.本发明属于电磁兼容技术领域，具体涉及基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法。


背景技术：

2.随着电气与电子技术的高速发展与广泛应用，各工业设备、系统使用的电磁信号具有功率大、频谱宽、密度高的特点，构成了极其复杂的电磁环境。基于国标、国军标的标准电磁兼容测试方法已经不能完全满足当前大功率、高电压、大电流的发电、变电、用电设备及系统的外场电磁兼容测试需求。
3.目前常见的电网传到干扰信号测试方法主要有两种，其一是在被测电路中接入线路阻抗稳定网络(lisn)并在lisn输出端测量干扰信号电压，另一种是在被测电路中接入穿心电容并通过电流探头测量干扰信号电流。这两种测量方法在被测电路中接入lisn或穿心电容，会导致电路阻抗特性发生明显变化，测试数据不能真实反映该电路在正常工作状态下的电网传导干扰与电磁状态。
4.此外，在复杂系统的外场电磁兼容测试中，试验现场不只有一个设备会产生电磁干扰传导发射及辐射发射，试验现场的空间电磁环境较为复杂。其他电路上的电磁干扰可能通过线间耦合进入被测电路，同时设备产生的空间电磁发射可能会在被测电路上感应出干扰电流，而当前电网传导干扰测试方法均不能有效分辨该被测电缆上的测量信号对应的干扰为两端设备产生的电网传导干扰或空间电磁干扰，对复杂系统的外场电磁兼容测试数据不能真实、准确的反映当前被测电路、系统的电磁状态。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法，可以准确获得电网传导干扰特性。
6.基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法，包括：
7.对于连接两个设备的被测电缆，在被测电缆上靠近任一个设备的位置设置定向感应探测器，定向感应探测器的d侧靠近该设备，定向感应探测器的四个条带电极的d端接匹配电阻后接地，u端输出各自的感应电压信号；被测电缆位于定向感应探测器的感应金属套管中心，且与感应金属套管同轴；
8.获得定向感应探测器的四条条带电极u端输出的感应电压信号：va、vb、vc和vd，则根据如下公式获得偏心电流相对于被测电缆中心轴的偏心坐标(x，y)：
[0009][0010]
其中，r为感应金属套管半径，kd为一阶，kd＝2sin(φ/2)/(φ/2)，φ表示条带电极
相对于套管中心轴的张角；
[0011]
则空间电磁干扰源方向为从电缆中心轴指向偏心坐标(x，y)的方向。
[0012]
进一步的，空间电磁干扰源耦合至电缆的干扰电流幅值为：
[0013][0014]
其中，ξ(x,y)为与偏心坐标有关的幅值修正因子，通过实验标定获得；z0(ω)为系统等效传输阻抗。
[0015]
进一步的，在空间电磁干扰覆盖空间中布置三条方向线性无关的被测电缆；分别计算每条被测电缆的偏心坐标，被测电缆中心轴与偏心坐标(x，y)确定一个平面，三条被测电缆确定的三个平面的交点位置即为空间电磁干扰源的位置。
[0016]
本发明具有如下有益效果：
[0017]
1、本发明针对外场环境非标准电磁兼容测试中无法分辨空间电磁干扰影响的难题，设计了一种基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号测量与来源识别方法，能实现电磁兼容外场测试中对空间电磁干扰来源的识别与定位。
[0018]
2、本发明可以以不破坏电网结构方式实现对外场环境下电网传导干扰测试，从而准确获得电网传导干扰特性，不影响被测电路的阻抗特性，能够真实反映其电磁发射结果。
附图说明
[0019]
图1是本发明的定向感应探测器的剖面正视图；
[0020]
图2是本发明的定向感应探测器的剖面侧视图；
[0021]
图3是本发明的测量信号处理流程；
[0022]
图4是本发明的测量连接示意图；
[0023]
图5是本发明的空间电磁干扰源定位方法示意图。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0025]
本发明提供一种基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号测量与来源识别方法。定向感应探测器此前被广泛应用于粒子加速器中对束流位置进行非拦截式在线测量，在粒子加速器领域，该装置被称为束流位置监测器(bpm)，通过四个电极感应到的电信号计算加速器真空管中粒子束团的位置信息。束流位置监测器(bpm)由两对对称布局的感应电极构成，按感应电极形式可以分为条带式、纽扣式、感应腔式bpm，其中只有条带式束流位置监测器具有定向耦合性。
[0026]
所述定向感应探测器的剖面正视图如图1所示，所述定向感应探测器的剖面侧视图如图2所示：
[0027]
定向感应探测器中的四个条带电极沿感应金属套管轴向对称附于套管内壁，条带电极的长度为l,相对于套管中心轴的张角为φ，电极厚度为t，特性阻抗为z(通常为50ω)。每个定向感应探测器分为u侧与d侧；每条条带电极具有两端，其中靠近定向感应探测器u侧的一端称为u端，靠近定向感应探测器d侧的一端称为d端。
[0028]
条带电极的d端通过条带电极-同匹配电阻转换接口连接匹配负载，在u端通过条
带电极-同轴电缆转换接口连接阻抗为匹配电阻的同轴电缆。被测电缆从感应金属套管中心穿过，并通过夹具固定在套管中心并使被测电缆在套管中与套管管壁平行。
[0029]
当发生空间电磁干扰时，空间电磁场会耦合至被测电缆上并在被测电缆上感应出干扰电流；该干扰电流沿被测电缆可以进入两端的设备，对设备造成干扰。本发明通过在靠近两端设备的位置的电缆上设置定向感应探测器，以实现对干扰电流的探测和空间电磁干扰的识别与定位。
[0030]
当被测电缆中的干扰电流i(t)流从定向感应探测器u侧进入流向d侧时，会在金属感应套管上产生感应电信号i(t)，则在一个电极的u端感应到的壁电流为i(t)
·
(φ/2π)，该电流分两路，其中一路在同轴电缆上产生大小为i(t)
·z·
(φ/4π)的感应电压，另一路会经条带电极传至d端，电信号在电极上的传播速度为vi，则在d端的感应电压为i(t-l/vi)
·z·
(φ/4π)。当电信号到达d端时，电信号在电缆中的传播速度为vi，则电极d端感应电流为-i(t-l/vi)
·
(φ/2π)。
[0031]
当被测电缆中的干扰电流i(t)流从定向感应探测器d侧进入流向u侧时，该电流分两路，其中一路在d端的匹配电阻上产生的感应电压为-i(t-l/vi)
·z·
(φ/4π)，另一路会经条带电极传至u端，其感应电压为-i(t-l/v
i-l/vi)
·z·
(φ/4π)。所以定向感应探测器中每个电极的上游端与下游端的感应电压分别为：
[0032][0033]
由于电流在电缆与电极中的速度基本一致，即vi≈vi，因此式(1)可以简化为：
[0034][0035]
即从定向感应探测器u侧流向d侧的电网传导干扰电信号几乎只能在条带电极的u端测量到感应电压vu，而d端几乎没有信号输出。因此，本发明将定向感应探测器的u端朝向被测电缆中干扰电流来源方向，d端朝向本侧的设备。
[0036]
由于空间电磁干扰源通常是在被测电缆的一侧，则产生的电流为偏心电流，偏心方向指向空间电磁干扰源的偏心电流。偏心电流从u侧流入定向感应探测器时在四个条带电极上感应出与偏心程度及偏心方向有关的电信号，忽略三次及以上高阶项后，四个电极感应的电压信号可以表示为：
[0037][0038]
其中，v为电流无偏心时的感应电压，r为感应金属套管半径，其中，kd和kq分别为一阶和二阶系数，kd＝2sin(φ/2)/(φ/2)，kq＝2(sinφ)/φ，(x,y)为偏心电流以被测电缆中心为原点、以条带电极a-c为x轴、以条带电极b-d为y轴的偏心坐标，从电缆中心指向该偏心坐标的向量即为空间电磁干扰源相对该被测电缆方向。
[0039]
对va、vb、vc、vd分别除以v后取对数：
[0040][0041]
对公式(4)右侧进行泰勒展开并忽略三次及以上高阶项后可以得到：
[0042][0043]
将公式(5)中第一、三行相减及第二、四行相减，可以得到：
[0044]
[0045][0046]
在本发明提供的方法中，计算机利用四个条带电极的感应电压数值通过公式(7)可以计算偏心电流的偏心坐标(x,y)；则空间电磁干扰源方向为从电缆中心轴指向偏心坐标(x,y)的方向。
[0047]
此外，计算机利用四个条带电极的感应电压数值通过公式(8)可以计算电缆中空间电磁电磁干扰源耦合至电缆的干扰电流幅值：
[0048][0049]
其中，ξ(x,y)为与偏心坐标有关的幅值修正因子，z0(ω)为系统等效传输阻抗，通常为50ω。通过详细的标定，可以得到幅值修正因子的具体数值与输出信号-电缆电信号的校正曲线。
[0050]
电信号的测量流程图如图3所示，定向感应探测器中四个条带电极的u端与数字信号采集卡的四通道模拟信号输入口连接，数字信号采集卡数字信号采集卡与数字信号处理器连接，并将输入模拟信号转换为数字信号后传输给数字信号处理器进行数据处理以提取有效时域数据。数字信号处理器与计算机连接，并将处理后的时域数据传递给计算机以进行频域分析、偏心位置计算与波形显示。
[0051]
在常规外场电磁兼容测试中，测试连接图如图4所示，两个定向感应探测器被反向安装于被测电缆两端。被测电缆设置在感应金属套管中心，且与感应金属套管同轴。其中定向感应探测器1靠近设备1，且定向感应探测器1的d侧靠近设备1；定向感应探测器2靠近设备2，且定向感应探测器2的d侧靠近设备2。
[0052]
当发生单点干扰源引起的空间电磁干扰时，空间电磁场会耦合至被测电缆上并在被测电缆上感应出偏心方向指向空间电磁干扰源的偏心电流，该偏心电流会从感应点经被测电缆分别流向设备1与设备2，定向感应探测器1与定向感应探测器2都会输出与偏心程度及偏心方向相关的感应电信号，并分别通过两个数字信号采集卡与两个数字信号处理器将处理后的数据传输给计算机，此时计算机识别并读取定向感应探测器1与定向感应探测器2的数据，当识别出定向感应探测器四个条带电极的输出信号存在差异时，判断此时受到空间电磁干扰，利用其中一个定向感应探测器的电压数据，通过公式(7)计算空间电磁干扰源相对该被测电缆方向，然后再根据公式(8)计算干扰信号幅值。
[0053]
当需要对空间电磁干扰源进行定位时，测试方法如图5所示，在空间电磁干扰覆盖空间中布置三条方向线性无关的被测电缆(即三条电缆两两均不在一个平面上)。通过对电缆偏心电流的测量可以分别计算空间电磁干扰源相对三条被测电缆方向，则空间干扰源位于被测电缆中心轴与偏心坐标(x,y)构成的平面上，三条被测电缆确定了三个平面，由于三条被测电缆方向线性无关，则三个平面的交点位置即为空间电磁干扰源的位置。
[0054]
下面以条带电极的长度为260mm、在套管中的张角为45
°
、电极厚度为2mm、特性阻抗为50ω、感应套管半径为30mm的定向感应探测器对空间电磁干扰源进行测量与识别为例作详细阐述：
[0055]
按图4的方法连接测试系统，当一个单点干扰源引起的空间电磁干扰在被测电缆感应出一个幅值为1a、频率为1mhz、偏心坐标为(2mm,1mm)的偏心电流时，kd＝1.949，kq＝1.801，v＝0.1337mv，定向感应探测器四个条带电极感应电压分别为：
[0056][0057]
数字信号采集卡读取定向感应探测器1及定向感应探测器2的输出模拟信号后转换为数字信号，并传输给数字信号处理器进行数据处理，数字信号处理器将处理后的数据传递给计算机，由于此时定向感应探测器四个条带的输出信号存在差异，因此可以判断此时受到了空间电磁干扰。计算机通过公式(7)的运算，偏心坐标为：
[0058][0059]
同时，通过公式(8)的运算，假设幅值修正因子为93.458，则产生的感应偏心电流为：
[0060][0061]
因此本发明所述方法能实现空间电磁干扰信号识别、定位及耦合干扰电流的测量。
[0062]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法，其特征在于：对于连接两个设备的被测电缆，在被测电缆上靠近任一个设备的位置设置定向感应探测器，定向感应探测器的d侧靠近该设备，定向感应探测器的四个条带电极的d端接匹配电阻后接地，u端输出各自的感应电压信号；被测电缆位于定向感应探测器的感应金属套管中心，且与感应金属套管同轴；获得定向感应探测器的四条条带电极u端输出的感应电压信号：v
a
、v
b
、v
c
和v
d
，则根据如下公式获得偏心电流相对于被测电缆中心轴的偏心坐标(x，y)：其中，r为感应金属套管半径，k
d
为一阶，k
d
＝2sin(φ/2)/(φ/2)，φ表示条带电极相对于套管中心轴的张角；则空间电磁干扰源方向为从电缆中心轴指向偏心坐标(x，y)的方向。2.如权利要求1所述的基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法，其特征在于，空间电磁干扰源耦合至电缆的干扰电流幅值为：其中，ξ(x,y)为与偏心坐标有关的幅值修正因子，通过实验标定获得；z0(ω)为系统等效传输阻抗。3.如权利要求1或2所述的基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法，其特征在于，在空间电磁干扰覆盖空间中布置三条方向线性无关的被测电缆；分别计算每条被测电缆的偏心坐标，被测电缆中心轴与偏心坐标(x，y)确定一个平面，三条被测电缆确定的三个平面的交点位置即为空间电磁干扰源的位置。

技术总结
本发明的目的是提供一种基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号识别与定位方法，可以准确获得电网传导干扰特性；本发明针对外场环境非标准电磁兼容测试中无法分辨空间电磁干扰影响的难题，设计了一种基于偏心电流测量的空间电磁干扰信号测量与来源识别方法，能实现电磁兼容外场测试中对空间电磁干扰来源的识别与定位；本发明可以以不破坏电网结构方式实现对外场环境下电网传导干扰测试，从而准确获得电网传导干扰特性，不影响被测电路的阻抗特性，能够真实反映其电磁发射结果。能够真实反映其电磁发射结果。能够真实反映其电磁发射结果。


技术研发人员：涂修德 刘钢 杨华荣 周畅
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一九研究所
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/11