CN116014695A - 电力二次设备强电磁脉冲防护装置及参数确定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置及参数确定方法和系统，所述防护装置包括四级滤波电路，一级滤波电路包括π形滤波电路和金属氧化物压敏电阻MOV，其中，π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，MOV用于在电磁脉冲使电路承受过电压时进行电压钳位；二级滤波电路是第一调谐LC电路，用于吸收MOV动作后的残压；三级滤波电路包括瞬变电压抑制二极管TVS和电感L，用于吸收电磁脉冲的高频能量；四级滤波电路是第二调谐LC电路，用于吸收三级滤波电路滤波后的残压。采用本发明所述强电磁脉冲防护装置，通过合理选择电路中元器件参数，可有效抑制电磁脉冲，而且批量生产造价低，在提高电磁脉冲防护效果的基础上，大大降低了成本。

Description

电力二次设备强电磁脉冲防护装置及参数确定方法和系统

技术领域

本发明涉及电磁干扰防护领域，并且更具体地，涉及一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置及参数确定方法和系统。

背景技术

电磁脉冲是电磁波的一种表现形式，它是一种瞬变电磁现象，时域上其波形一般具有陡峭的前沿，脉宽较窄，频域上则频谱范围较宽，它能在极短时间内，以电磁波的形式，将强大能量传至远处。电磁脉冲具有涵盖面积大、时间短暂及高能量与频率范围宽的特性，它以空间辐射传播形式，透过电磁波，可对电子、信息、电力、光电、微波等设施造成破坏，可使电子设备半导体绝缘层或集成电路烧毁，甚至设备失效或永久损坏。一般上升沿越陡，脉宽越宽(即能量高)的电磁脉冲，对电子设备的破坏力越大。

强电磁脉冲主要由雷电、电力系统高压开关操作、核武器爆炸和电磁脉冲武器产生。雷电电磁脉冲能量巨大，但上升沿相对较缓(一般为数微秒)，电力系统高压开关操作产生的电磁脉冲上升沿可达纳秒级，脉冲幅值一般不高，此两种电磁脉冲的防护研究较多，防护器件已应用于电力系统中，具有较好的效果，基本解决了电力系统设备受雷电和开关操作电磁脉冲影响的问题。核电磁脉冲实际很难遇到。电磁脉冲武器产生的电磁脉冲即具有陡峭的脉冲前沿(可达1纳秒1以下)，且幅值高达100kV/m以上，对电力系统二次设备破坏力更大，是和平条件下电力系统应重点防御的一种攻击方式。随着大容量、特高压电网的发展，变电站设计中逐渐采用结构紧凑的气体绝缘开关电器，运用综合自动化技术，将保护/控制设备下放至开关场中，上述措施的采用在提高了运行可靠性，节约了大量电缆、降低了工程造价和施工量的同时，也使得二次设备更容易受到强电磁骚扰的影响，特别是随着二次设备不断向数字化、集成化和高速化方向发展，它们对外界干扰的敏感度远大于传统的控制/保护设备，微机保护和自动化装置中的信号电缆和电源线，极易耦合空间瞬态电磁场，因此亟需开发一种适用于电力系统二次设备的强电磁脉冲防护装置，提升电力系统在电磁脉冲武器攻击下的可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中的电磁脉冲防护装置主要是针对雷电电磁脉冲，电力系统高压开关操作产生的脉冲，并没有考虑电磁脉冲武器产生的强电磁脉冲对电力系统二次设备的影响的问题，本发明提供一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置及参数确定方法和系统。

根据本发明的一方面，本发明提供一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置，所述装置包括四级滤波电路，其中：

一级滤波电路包括π形滤波电路和金属氧化物压敏电阻MOV，其中，π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，MOV用于在电磁脉冲使电路承受过电压时进行电压钳位；

二级滤波电路是第一调谐LC电路，用于吸收MOV动作后的残压；

三级滤波电路包括瞬变电压抑制二极管TVS和电感L，用于吸收电磁脉冲的高频能量；

四级滤波电路是第二调谐LC电路，用于吸收三级滤波电路滤波后的残压。

可选地，所述装置还包括四个屏蔽单元，用于对四级滤波电路分别进行封装，阻止电磁脉冲通过空间辐射影响下一级滤波电路的滤波效果。

可选地，所述π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，三级滤波电路用于吸收脉冲的高频能量，其中，所述次高频指0.5MHz-20MHz，高频指20MHz-1GHz。

可选地，所述第一调谐LC电路和所述第二调谐LC电路是电感和电容串联的电路。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定方法，所述方法包括：

步骤1，对强电磁脉冲防护装置中的元器件进行传输参数测试，通过元器件高频模型确定每个元器件的杂散参数；

步骤2，根据预先建立的考虑杂散参数的强电磁脉冲防护装置的电路仿真模型，基于设置的元器件技术经济性参数优化范围，计算元器件初始参数值C_i；

步骤3，通过电磁脉冲EMP试验，采用试验干扰源对根据元器件初始参数值构成的强电磁脉冲防护装置的防护效果进行第i次验证，测量验证结果Y_i；

步骤4，当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＜I时，基于所述元器件初始参数值C_i在设置的元器件技术经济性参数优化范围调整电路参数，得到元器件迭代参数值C_i+1，令i＝i+1，转至步骤3，当所述验证结果Y_i不小于结果阈值Y，且i≤I，或者当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＝I时，确定元器件最优参数值为C_i，其中，1≤i≤I，I是迭代次数阈值，i，I为自然数。

根据本发明的再一方面，本发明提供一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定系统，所述系统包括：

杂散参数模块，用于对强电磁脉冲防护装置中的元器件进行传输参数测试，通过元器件高频模型确定每个元器件的杂散参数；

初始参数模块，用于根据预先建立的考虑杂散参数的强电磁脉冲防护装置的电路仿真模型，基于设置的元器件技术经济性参数优化范围，计算元器件初始参数值C_i；

仿真验证模块，用于通过电磁脉冲EMP试验，采用试验干扰源对根据元器件初始参数值构成的强电磁脉冲防护装置的防护效果进行第i次验证，测量验证结果Y_i；

最优参数模块，用于当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＜I时，基于所述元器件初始参数值C_i在设置的元器件技术经济性参数优化范围调整电路参数，得到元器件迭代参数值C_i+1，令i＝i+1，转至仿真验证模块，当所述验证结果Y_i不小于结果阈值Y，且i≤I，或者当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＝I时，确定元器件最优参数值为C_i，其中，1≤i≤I，I是迭代次数阈值，i，I为自然数。

本发明技术方案提供的强电磁脉冲防护装置及参数确定方法和系统，其中，所述防护装置包括四级滤波电路，其中一级滤波电路包括π形滤波电路和金属氧化物压敏电阻MOV，其中，π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，MOV用于在电磁脉冲使电路承受过电压时进行电压钳位；二级滤波电路是第一调谐LC电路，用于吸收MOV动作后的残压；三级滤波电路包括瞬变电压抑制二极管TVS和电感L，用于吸收电磁脉冲的高频能量；四级滤波电路是第二调谐LC电路，用于吸收三级滤波电路滤波后的残压。采用本发明所述强电磁脉冲防护装置，通过合理选择电路中元器件参数，可有效抑制电磁脉冲，实际电磁脉冲电流抑制比可达10倍，批量生产造价低于2000元，在提高电磁脉冲防护效果的基础上，大大降低了成本。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的电力二次设备强电磁脉冲防护装置的结构示意图；

图2为根据本发明优选实施方式的电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定方法的流程图；

图3为根据本发明优选实施方式的元器件高频模型结构示意图；

图4为根据本发明优选实施方式的电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定系统的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的电力二次设备强电磁脉冲防护装置的结构示意图。如图1所示，本优选实施方式所述的电力二次设备强电磁脉冲防护装置包括四级滤波电路，其中：

一级滤波电路101包括π形滤波电路和金属氧化物压敏电阻MOV，其中，π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，MOV用于在电磁脉冲使电路承受过电压时进行电压钳位；

二级滤波电路102是第一调谐LC电路，用于吸收MOV动作后的残压；

三级滤波电路103包括瞬变电压抑制二极管TVS和电感L，用于吸收电磁脉冲的高频能量；

四级滤波电路104是第二调谐LC电路，用于吸收三级滤波电路滤波后的残压。

优选地，所述装置还包括四个屏蔽单元，用于对四级滤波电路分别进行封装，阻止电磁脉冲通过空间辐射影响下一级滤波电路的滤波效果。

优选地，所述π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，三级滤波电路用于吸收脉冲的高频能量，其中，所述次高频指0.5MHz-20MHz，高频指20MHz-1GHz。

优选地，所述第一调谐LC电路和所述第二调谐LC电路是电感和电容串联的电路。

图2为根据本发明优选实施方式的电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定方法的流程图。如图2所示，本优选实施方式所述电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定方法从步骤201开始。

在步骤201，对强电磁脉冲防护装置中的元器件进行传输参数测试，通过元器件高频模型确定每个元器件的杂散参数，具体方法为：(1)通过网络分析仪测定元器件的传输函数；(2)通过元器件高频模型，即考虑杂散参数的二端口网络模型，结合传递函数确定元器件的杂散参数，所述杂散参数包括对地寄生电容和自身电感。

图3为根据本发明优选实施方式的元器件高频模型结构示意图。如图3所示，元器件高频模型为考虑杂散参数的二端口网络模型。其中，Z为集总参数，代表不考虑自身杂散参数的元器件电阻R、电感L、电容C、MOV和TVS管，对于MOV和TVS管，Z需要用MOV或TVS的具体电路代替，C_j和L_Z分别为元器件的对地寄生电容和自身电感。根据该高频模型，结合元器件的传递函数即可确定元器件的杂散参数。

在步骤202，根据预先建立的考虑杂散参数的强电磁脉冲防护装置的电路仿真模型，基于设置的元器件技术经济性参数优化范围，计算各元器件初始参数值C_i，具体方法如下：(1)在HFSS仿真软件中建立考虑杂散参数的强电磁脉冲防护装置的4级仿真模型，设定元器件取值范围，其中电容取值范围在0.0005-100微法以内，电感取值范围在0.01-1000微亨以内；(2)设置电磁脉冲的时域波形作为输入端激励源，(3)设定输入端口最高电平为输入端的十分之一，(4)通过运行自编程序，自动优化元器件参数。

在步骤203，通过电磁脉冲EMP试验，采用试验干扰源对根据元器件初始参数值构成的强电磁脉冲防护装置的防护效果进行第i次验证，测量验证结果Y_i；

在步骤204，当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＜I时，基于所述元器件初始参数值C_i在设置的元器件技术经济性参数优化范围调整电路参数，得到元器件迭代参数值C_i+1，令i＝i+1，转至步骤203，当所述验证结果Y_i不小于结果阈值Y，且i≤I，或者当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＝I时，确定元器件最优参数值为C_i，其中，1≤i≤I，I是迭代次数阈值，i，I为自然数。

图4为根据本发明优选实施方式的电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定系统的结构示意图。如图4所示，本优选实施方式所述的强电磁脉冲防护装置的元器件参数确定系统包括：

杂散参数模块401，用于对强电磁脉冲防护装置中的元器件进行传输参数测试，通过元器件高频模型确定每个元器件的杂散参数；

初始参数模块402，用于根据预先建立的考虑杂散参数的强电磁脉冲防护装置的电路仿真模型，基于设置的元器件技术经济性参数优化范围，计算元器件初始参数值C_i；

仿真验证模块403，用于通过电磁脉冲EMP试验，采用试验干扰源对根据元器件初始参数值构成的强电磁脉冲防护装置的防护效果进行第i次验证，测量验证结果Y_i；

最优参数模块404，用于当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＜I时，基于所述元器件初始参数值C_i在设置的元器件技术经济性参数优化范围调整电路参数，得到元器件迭代参数值C_i+1，令i＝i+1，转至仿真验证模块，当所述验证结果Y_i不小于结果阈值Y，且i≤I，或者当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＝I时，确定元器件最优参数值为C_i，其中，1≤i≤I，I是迭代次数阈值，i，I为自然数。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置，其特征在于，所述装置包括四级滤波电路，其中：

一级滤波电路包括π形滤波电路和金属氧化物压敏电阻MOV，其中，π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，MOV用于在电磁脉冲使电路承受过电压时进行电压钳位；

二级滤波电路是第一调谐LC电路，用于吸收MOV动作后的残压；

三级滤波电路包括瞬变电压抑制二极管TVS和电感L，用于吸收电磁脉冲的高频能量；

四级滤波电路是第二调谐LC电路，用于吸收三级滤波电路滤波后的残压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括四个屏蔽单元，用于对四级滤波电路分别进行封装，阻止电磁脉冲通过空间辐射影响下一级滤波电路的滤波效果。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述π型滤波电路用于将电磁脉冲的次高频能量入地，三级滤波电路用于吸收脉冲的高频能量，其中，所述次高频指0.5MHz-20MHz，高频指20MHz-1GHz。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一调谐LC电路和所述第二调谐LC电路是电感和电容串联的电路。

5.一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，对强电磁脉冲防护装置中的元器件进行传输参数测试，通过元器件高频模型确定每个元器件的杂散参数；

步骤2，根据预先建立的考虑杂散参数的强电磁脉冲防护装置的电路仿真模型，基于设置的元器件技术经济性参数优化范围，计算元器件初始参数值C_i；

步骤3，通过电磁脉冲EMP试验，采用试验干扰源对根据元器件初始参数值构成的强电磁脉冲防护装置的防护效果进行第i次验证，测量验证结果Y_i；

步骤4，当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＜I时，基于所述元器件初始参数值C_i在设置的元器件技术经济性参数优化范围调整电路参数，得到元器件迭代参数值C_i+1，令i＝i+1，转至步骤3，当所述验证结果Y_i不小于结果阈值Y，且i≤I，或者当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＝I时，确定元器件最优参数值为C_i，其中，1≤i≤I，I是迭代次数阈值，i，I为自然数。

6.一种电力二次设备强电磁脉冲防护装置的参数确定系统，其特征在于，所述系统包括：

杂散参数模块，用于对强电磁脉冲防护装置中的元器件进行传输参数测试，通过元器件高频模型确定每个元器件的杂散参数；

初始参数模块，用于根据预先建立的考虑杂散参数的强电磁脉冲防护装置的电路仿真模型，基于设置的元器件技术经济性参数优化范围，计算元器件初始参数值C_i；

仿真验证模块，用于通过电磁脉冲EMP试验，采用试验干扰源对根据元器件初始参数值构成的强电磁脉冲防护装置的防护效果进行第i次验证，测量验证结果Y_i；

最优参数模块，用于当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＜I时，基于所述元器件初始参数值C_i在设置的元器件技术经济性参数优化范围调整电路参数，得到元器件迭代参数值C_i+1，令i＝i+1，转至仿真验证模块，当所述验证结果Y_i不小于结果阈值Y，且i≤I，或者当所述验证结果Y_i小于结果阈值Y，且i＝I时，确定元器件最优参数值为C_i，其中，1≤i≤I，I是迭代次数阈值，i，I为自然数。

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