導語：如何才能寫好一篇電磁輻射選頻儀，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：移動通信基站；電磁輻射；廣播；監測

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.11.149

1 引言

隨著移動通信網絡規模的擴大和用戶數量的增加，移動通信基站的數量不斷增加。公眾在充分享受現代通信設備為生活帶來的便捷的同時，遍布各地的移動通信基站所產生的電磁輻射是否威脅人體健康，也逐漸成為各個運營商和公眾爭論的焦點。[1]公眾對移動通信基站周邊電磁環境安全性的關注、焦慮、沖突及相關投訴逐年上升。

但應注意的是，由于中、短波廣播具有影響范圍廣、發射功率大、場強大的特征，且大中型城市普遍都有大型的中波廣播發射臺，中、短波廣播是城市電磁輻射環境的主要貢獻源之一。非選頻測量儀很可能在測量基站電磁信號的同時也測到了中短波廣播臺信號，導致最終測值比基站電磁信號場強值偏高[2]。若基站監測時不區別、排除中短波信號的干擾，依照基站限值對包含中短波信號的基站電磁輻射監測值進行安全性評價，最終可能會得到基站電磁輻射水平不合格的錯誤結論。

2 監測方法

2.1 信號監測

實時監測當前測量環境中移動通信基站信號是否存在干擾信號，該干擾信號包括：中波信號或者短波信號；選取包括中短波頻段和基站頻段的綜合電場探頭，使該綜合電場探頭連接監測儀主機，得到綜合電磁輻射監測儀；將綜合電磁輻射監測儀垂直架設，使綜合電磁輻射監測儀中的綜合電場探頭和監測儀主機的連線垂直于地面，記錄該綜合電磁輻射監測儀的垂直場強數據監測值；將綜合電磁輻射監測儀水平架設，使綜合電磁輻射監測儀中的綜合電場探頭和監測儀主機的連線平行于地面，記錄綜合電磁輻射監測儀的水平場強數據監測值；根據垂直場強數據監測值與水平場強數據監測值的變化幅度，監測當前測量環境中是否存在中短波信號。

2.2 干擾信號的判斷

在監測到當前測量環境中存在移動通信基站信號的干擾信號時，分別測量當前測量環境中包含移動通信基站信號和干擾信號的綜合場強以及干擾信號的干擾場強；計算垂直場強數據監測值與水平場強數據監測值的變化幅度；當水平場強數據監測值大于垂直場強數據監測值以及水平場強數據監測值存在任意一方向的最大值，且變化幅度大于設定閾值時，判定當前測量環境中存在短波信號；當垂直場強數據監測值大于水平場強數據監測值，且變化幅度大于設定閾值時，判定當前測量環境中存在中波信號；當變化幅度小于設定閾值時，判定當前測量環境中不存在中波信號和短波信號。其中，綜合電磁輻射監測儀和專用電磁輻射監測儀均為非選頻式寬帶輻射測量儀。測量時采用絕緣支撐架；該絕緣支撐架用于架設綜合電磁輻射監測儀和專用電磁輻射監測儀，以采集當前測量環境中的場強值；其中，絕緣支撐架包括：三腳架或者絕緣延伸桿。

2.3 干擾信號的監測

如果當前環境中存在中短波信號，則選取包括中短波頻段的專用電場探頭，使專用電場探頭連接監測儀主機，得到專用電磁輻射監測儀；將專用電磁輻射監測儀垂直架設，使專用電磁輻射監測儀中的專用電場探頭和監測儀主機的連線垂直于地面，記錄專用電磁輻射監測儀的垂直短波場強數據監測值；將專用電磁輻射監測儀水平架設，使專用電磁輻射監測儀中的專用電場探頭和監測儀主機的連線平行于地面，記錄專用電磁輻射監測儀的水平中波場強數據監測值。

2.4 計算與評價

根據綜合場強和干擾場強，計算移動通信基站電磁輻射場強，在監測到當前測量環境中存在中波信號時，選取綜合電磁輻射監測儀的水平場強數據監測值作為中波綜合場強測量值；在監測到當前測量環境中存在短波信號時，選取綜合電磁輻射監測儀的垂直場強數據監測值作為短波綜合場強測量值。其中，根據綜合場強和干擾場強，計算移動通信基站電磁輻射場強，分別按照以下公式計算移動通信基站電磁輻射場強：

其中，Eb表示移動通信基站電磁輻射場；E1表示中波綜合場強測量值；Em表示水平中波場強數據監測值。

其中，Eb表示移動通信基站電磁輻射場強；E2表示短波綜合場強測量值；Es表示垂直短波場強數據監測值。

將計算得到的移動通信基站電磁輻射場強與標準場強限值進行比較，得到比較結果。根據得到的比較結果，評價移動通信基站電磁輻射場強是否符合國家電磁環境控制限值要求。

3 小結

本文介紹的移動通信基站電磁輻射的監測方法，與現有技術相比，其能夠實現簡單、快速、低成本地甄別基站監測過程中中短波廣播的影響，減少檢測人員工作量；并且，利用現有儀器及頻段差異特性，通過間接計算得到基站準確測值，降低了監測成本；同時，排除了中短波信號的干擾以及中短波信號錯誤參與基站安全性評價，實現了準確、客觀地評價通信基站單項照射劑量。

參考文獻：

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在30～3000MHz的頻率內，電場強度公眾照射導出限值為12V／m(功率密度為4OuW／cm2)。《輻射環境保護管理導則電磁輻射環境影響評價方法與標準》(HJ／T10．3—1996)【3】規定，對單個項目的影響必須限定在《電磁輻射防護規定》限值的若干分之一。在評價時，對于由國家環境保護局負責審批的大型項目可取GB8702—88中場強限值的1／，或功率密度限值的1／2。其他項目則取場強限值的1，或功率密度限值的1／5作為評價標準。因此，本次研究中環境電場強度評價標準值取5．4V／m(功率密度為8uW／cm2)。

2、4G基站的監測與評價

2．1、4G基站的選取本次研究選取溫州試驗網的3個典型4G基站，分別為溫州環保局、灰橋農機公司、云中花園二基站。目前，4G基站試運行的頻率為18801920MH，機頂功率為20W。3個基站均為多頻共址的宏蜂窩基站。選取的4G基站主要技術指標見表1。

2．2、測量儀器測量使用德國NardaSafetyTestSolutions公司生產的SRM3000電磁輻射選頻測量系統，頻率響應范圍75—3000MHz，量程范圍2．5×10—420OV／m。

2．3、測試條件天氣：陰；相對濕度：55—70％；環境溫度：18．1—23．6。C；風力小于3級。測量時間選擇在白天8：00—18：00，此段時間為用戶使用手機的高峰期。

2．4、監測方法優先考慮基站天線的主瓣方向，對于發射天線架設在樓頂的基站，在樓頂公眾可活動范圍內布設監測點位，優先布設在公眾可以到達的距離天線最近處，同時根據現場環境情況對點位進行適當調整。測量高度：探測器離地1．7m(或離立足點1．7m)。測量時儀器探頭與操作人員之間距離不少于0．5m。每個測點讀數5次，每次讀數時間不應小于15S，并讀取穩定狀態的最大值，若測點讀數起伏較大時，應適當延長測量時間。以5次讀數的平均值為該點的測量值。

2．5、質量保證其一，測量中使用的儀器每年均由上海市計量測試技術研究院進行檢定。其二，操作程序嚴格按照HJ／T10．3—1996中的有關規定。

2．6、監測結果本次研究測量時，3個基站均處于正常試運行狀態，共選取了22個測試點位，88個測量值，經過數據處理和分析后，選擇測量點位在基站天線的主瓣方向，距離天線最近處，將其測量數值列于表2。從表2可以看出，在4G頻段(1880～1920MHz)內，3個基站的電場強度測量值為分別為0．19Vim、0．22V／ITI、0．53V／m，均低于《電磁輻射環境影響評價方法和標準》中規定的單個項目的環境電場強度評價標準值。

3、結論

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關鍵詞：PLC控制系統；電磁干擾；抗干擾

可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，是一種將傳統的繼電器控制技術、微機技術和通訊技術相融合，專為工業控制而設計的專用控制器。要提高PLC控制系統的可靠性，一方面要求PLC生產廠家提高設備的抗干擾能力；另一方面要求在工程設計、安裝施工和使用維護時高度重視，采取有效措施增強系統的抗干擾性能。

一、PLC控制系統電磁干擾的主要類型

（一）電源干擾

正常情況下，PLC系統的電源由電網供電。由于電網覆蓋面廣，它將受到空間電磁干擾而在線路上產生感應電壓和電流，而電網內部電壓和電流的變化，可通過輸電線路傳到電源中。PLC電源通常采用的是隔離電源，但由于受機構及制造工藝等因素影響，其隔離效果并不理想。實際上，由于分布參數特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。實踐證明，PLC控制系統的很多故障是由電源引入的干擾引起的。

（二）信號線干擾

與PLC控制系統連接的各類信號傳輸線，除傳輸有效信息外，還傳輸外部干擾信號。干擾主要有2種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾。由信號線引入的干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度降低，嚴重時將引起元器件損傷；對隔離性能差的系統，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動和死機。PLC控制系統因信號引入干擾易造成I/O模件損壞，從而引起系統故障。

（三）接地系統干擾

接地是提高PLC控制系統可靠工作的有效手段之一。正確接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾；錯誤接地，會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統無法正常工作。PLC控制系統的地線包括系統接地、屏蔽接地、交流接地和保護接地等。接地系統混亂對PLC系統的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在接地電位差，引起接地環路電流，從而影響系統正常工作。

（四）空間輻射干擾

空間輻射主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，其分布極為復雜。若PLC系統置于輻射場內，就會受到輻射干擾，其影響主要有2條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；二是對PLC通信內網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特別是頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜或PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

二、提高PLC控制系統的可靠性的主要措施

（一）抗電源干擾措施

電源是干擾進入PLC的主要途徑之一，電源干擾主要是通過供電線路的阻抗耦合產生的，各種大功率用電設備是主要的干擾源。如果PLC使用交流電源，在干擾較強或對可靠性要求很高的場合，可以在PLC的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來干擾，提高高頻共模干擾能力，屏蔽層應可靠地接地。高頻干擾信號不是通過變壓器的繞組耦合，而是通過初級、次級繞組之間的分布電容傳遞的。在初級、次級繞組之間加繞屏蔽層，并將它和鐵芯一起接地，可以減少繞組間的分布電容，提高抗高頻干擾的能力。

（二）防輸入信號干擾措施

1．防感性輸入信號干擾的措施。在輸入端有感性負載時，為了防止反沖感應電勢損壞模塊，在負載兩端并接電容C和電阻R（交流輸入信號），或并接續流二極管VD（直流輸入信號）。交流輸入方式時，C、R的選擇要適當才能起到較好的效果，一般參考數值為負荷容量如在10VA以下，一般分別選0.1μF、120歐；負荷容量在l0VA以上時，一般分別選0.47μF、47歐較適宜。直流輸入方式時，并接續流二極管。如果與輸入信號并接的電感性負荷大時，使用繼電器中轉效果最好。

2．防感應電壓的措施。一可采用輸入電壓的直流化即如果可能的話，在感應電壓大的場合，改交流輸入為直流輸入；二可在輸入端并接浪涌吸收器；三在長距離配線和大電流的場合，由于感應電壓大，可用繼電器轉換。

（三）防輸出信號干擾措施

在交流感性負載的場合，在負載的兩端并接CR浪涌吸收器，而且CR愈靠近負載，其抗干擾效果愈好；在直流負載的場合，在負載的兩端接續流二極管VD，二極管也要靠近負載，二極管的反向耐壓最好是負載電壓的4倍，另外也可用上述連接CR浪涌吸收器的方法解決；在開關時產生干擾較大的場合，對于交流負載可使用雙向晶閘管輸出模塊；交流接觸器的觸點在開、閉時產生電弧干擾，可在觸點兩端連接CR浪涌吸收器，效果較好，要注意的是觸點開時，通過CR浪涌吸收器會有一定的漏電流產生；電動機或變壓器開關干擾時，可在線間采用CR浪涌吸收器；在控制盤內可用中間繼電器進行中間驅動負載的方法。

（四）防外部配線干擾措施

為了防止或減少外部配線的干擾，要注意做到以下幾點：交流輸入/輸出信號與直流輸入/輸出信號分別使用各自的電纜；在30m以上的長距離配線時，輸入信號線與輸出信號線分別使用各自的電纜；集成電路或晶體管設備的輸入/輸出信號線，必須使用屏蔽電纜，屏蔽層的處理應注意輸入/輸出側懸空，而在控制器側接地；控制器的接地線與電源線或動力線分開；輸入/輸出信號線與高電壓、大電流的動力線分開配線；遠距離配線有干擾或感應電壓時，或敷設電纜有困難、費用較大時，可采用遠程I/0的控制系統。

（五）正確選擇接地點，完善接地系統

良好的接地是PLC安全可靠運行的重要條件，PLC一般最好單獨接地，與其它設備分別使用各自的接地裝置。另外，PLC的接地線應盡量短，使接地點盡量靠近PLC。同時，接地線的截面應>2mm2，總母線使用截面>60mm2的銅排；接地極的接地電阻應

（六）利用軟件編程提高系統工作可靠性

PLC內部具有豐富的軟元件，如定時器、計數器、輔助繼電器等，利用它們來設計一些程序，可有效的提高控制系統的可靠性、安全性，完善的程序不但要滿足現場工藝流程和系統控制的要求，而且還要根據需要選用軟件編程的方法進行信號相容性檢查，其中包括：開關信號之間的狀態是否矛盾，模擬值的變化范圍是否正常，開關量和模擬量信號是否一致，以及各個信號的時序是否正確等。采取時間故障檢測法、邏輯錯誤檢測法、聯鎖控制等方法，充分利用PLC的軟、硬件資源，精心設計電路和編寫程序，能極大的提高系統的可靠性。

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【關鍵詞】干擾來源；特點；處理方法；處理效果

1.引言

當前的工程應用中，越來越重視動態測量及其數據處理。在測量壓力、位移、振動、速度、溫度等參量時，由于在動態測量過程中存在各方面的干擾，而且儀器輸入量和測試結果（數據或信號）是隨時間而變化的，它們對動態測量系統的穩定度和精確度產生直接或間接的影響，嚴重時即可使動態測量系統不能正常工作。因此，動態測量系統的設計、制造、安裝和使用等各個方面都需要考慮抗干擾的問題。

2.動態測量過程中干擾的來源及其特點

由于各種測試系統和測試過程以及其所在的環境因素千變萬化、層出不窮，因此幾乎沒有兩個系統的干擾情況完全相同，即使是在同一系統中，干擾現象在不同時刻產生的影響也不盡相同。在動態測量系統測試過程中，經常遇到的干擾主要有人為的或其他客觀存在的（如輻射、磁場等）等外部因素引起的，也有測量儀器內部元器件等產生的。但是綜合起來考慮，則主要存在的干擾有：人為因素、空間輻射、磁場、電磁感應、信號通道干擾、電源干擾和數字電路不穩定性等。

人為因素主要是在手動操作的測量中不正確人為操作或人為誤差引起的，可消除性大，但對系統的影響也大，嚴重時可導致錯誤結果。空間輻射、磁場電磁感應干擾主要由于測量系統在周圍環境中受到電磁輻射和磁場的影響，很難消除干擾源，只能從系統自身著手解決。信號通道干擾是由于傳感器和測試系統信號處理器之間距離長，傳輸信號很容易擾，同時也存在多對信號電纜相互干擾，干擾信號進入系統重要途徑就是I/O通道。系統一般由工業用電網絡供電，當系統與其它經常變動的大負載（大功率電機的啟停）共用電源時，很可能引起測量系統電源欠壓、浪涌、下陷或產生尖峰干擾。另外當電源引線較長時，產生電壓降、感應電勢等也會對系統產生嚴重的干擾，這些干擾常給高精度系統帶來麻煩。

數字集成電路引出的直流電流雖然只有mA級，但當電路處在快速開關時，就會形成較大的干擾。例如TTL門電路在導通狀態下從直流電源引出5mA左右，截至狀態下為1mA，在5ns的時間內其電流變化為4mA，若配電線上有0.5μH電感，當狀態改變時，配電線上將產生0.4V噪聲電壓，而這種門電路的供電電壓僅為5V，如果把這個值乘上典型系統的大量門電路數值，其所引起的干擾將是非常嚴重的。

3.干擾處理方法及處理效果

干擾處理方法概括有三項基本原則：防止干擾竄入、遠離干擾源、消除干擾源。動態測量系統的抑制干擾方法主要有隔離與耦合、濾波和屏蔽、優化布線、軟件消除、系統接地等。正確的接地和屏蔽結合起來能夠很好地抑制干擾，如限制和降低干擾噪聲電平、旁路雜散輻射能量和防止系統遭受干擾，還可以保護操作人員人身安全和設備安全。接地處理一般可以采取多種方法，如一點接地和多點接地、交流地和信號地、浮地與接地，各種接地應按正確方法進行，如埋設銅板法、接地棒法和網狀接地法等。

平行導線之間存在著互感和分布電容，進行信息傳送時會產生串擾，影響系統工作可靠性，如功率線、載流線與小信號線平行走線，電位線與脈沖線平行走線，電力線與信號線平行走線等都會引起串擾，因此布線時應按一定的走線原則進行布線。對于元器件空余輸入端應采取一定的處理方法，如并聯輸入端、接高電平或懸空后利用反相器接地；對于數字電路可采取設置高頻去耦合電容，并進行良好接地。軟件抗干擾起著非常重要的作用，在硬件基礎完善后，必須采取更有效的軟件抗干擾措施。常用的軟件抗干擾方法主要有：采用數字濾波方法既能剔除干擾數據，又可消除系統誤差；設置睡眠模式可以降低功耗，減少干擾對CPU的影響；利用看門狗定時器可使得CPU不至于失去控制；在程序中加入冗余指令，防止程序跑飛。

3.1 人為操作因素干擾

對于此類干擾，動態測量過程的操作人員都應經過一定的培訓來保證儀器操作以及測試數據結果的正確性，要堅持原則性，嚴格按照系統工作方式進行操作運行。

3.2 空間輻射干擾、強磁場電磁感應干擾

對于空間輻射干擾和強磁場電磁感應干擾，動態測量系統通常采取屏蔽和濾波技術抑制干擾。

屏蔽主要以金屬等其他材料構成的可以防止干擾的屏蔽體，且能有效地抑制輻射、電磁波、磁場等干擾源產生的干擾。屏蔽體主要以反射或吸收的方式來削弱這些干擾，從而形成對干擾的屏蔽，良好地保證動態測量過程的正常進行。其中對電磁波和磁場產生的干擾的最有效方法就是選用高導磁材料制作的屏蔽體，使電磁波經屏蔽體壁的低磁阻磁路通過，而不影響屏蔽體內的電路；對屏蔽電場或輻射場時，則選用銅、鋁等電阻率小的金屬材料作屏蔽體屏蔽低頻磁場時，選磁鋼、鐵氧體等磁導率高的材料；在屏蔽高頻磁場時，選擇銅、鋁等電阻率小的材料，如：在兩導線間插入一接地導體，進行靜電蔽體。對靜電蔽體，加一塊金屬板就起能作用，而對電磁屏蔽，板壁過簿時就會無效，同時抗干擾性能與屏蔽體的外部形狀也有關，但是注意如板壁過厚，將產生一定的渦流電流，而渦流電流會形成反磁場，阻礙磁通進入屏蔽板。

為了有效發揮屏蔽體的屏蔽作用，消除屏蔽體與內部電路的寄生電容，屏蔽體應按“一點接地”的原則接地。利用抗電磁干擾能力和抗靜電干擾強的光纖傳輸和傳感技術的抗干擾方法也能很有效的抑制干擾。

3.3 電源干擾

要正確處理電源干擾，就必須了解當前所使用的動態測量系統電源干擾的特點及主要來源，從而對系統電源進行持續不斷的監控和測試，通常我們可以通過電源干擾測試儀來實現對電源干擾的監控和測試。電源干擾測試儀能夠實時地監測電源上出現的各種干擾和波動，一旦出現干擾，它能及時地記錄各種干擾發生的時間及大小并進行統計，給以后測試系統排除電源干擾提供重要依據，同時它還能提供相應的電源干擾抑制相關途徑，保證動態測量過程的順利進行。

3.4 信號通道干擾

干擾信號進入微機測試系統的一個重要途徑就是I/O通道，尤其是當變送器遠離測試系統時，這些干擾包括共模干擾和電磁感應干擾，在多對的信號電纜中還會相互干擾，通常采取的措施有如下幾點。

3.4.1 硬件濾波

在信號加入到輸入通道之前，可采用硬件低通濾波器來濾除交流干擾，常用的低通濾波器有：RC濾波器、LC濾波器和有源濾波器。

RC濾波器結構簡單，成本也低，且不需要調整，但它的串模抑制比不夠高，一般需2～3級才能達到濾波要求。LC濾波器的串模抑制較高，但電感成本高、體積大。有源濾波器對低頻干擾具有很好的抑制作用，其原理是產生一個與干擾信號幅值相等、相位相反的反饋信號，在濾波器的輸入端進行疊加，從而將干擾信號消除。

3.4.2 采用差動方式傳送信號

其原理是差動放大器只對差動信號起放大作用，而對共模電壓起不到放大作用，因此能夠有效地抑制共模噪聲的干擾，性能也比較好。

3.4.3 采用雙絞屏蔽線傳送信號

把兩根導線相互扭絞，電流流過兩根導線時產生的磁場以相互扭絞時最小，扭絞越大，節距就越小，對串模干擾的抑制比就越高，抗干擾性能就越好。在精度要求高、干擾嚴重的場所，應當采用雙絞屏蔽信號線，可使電場屏蔽和電磁屏蔽作用大大加強，抗干擾性能也會大大加強。

3.4.4 信號線的敷設

信號線若敷設不合理，不僅達不到抗干擾的效果，反而會引入新的干擾。因此信號線的鋪設要注意以下幾點：信號電纜與電源電纜必須分開，絕對避免信號線與電源線合用同一股電纜；屏蔽層要一端接地，避免多點接地；盡量遠離干擾源，如避免把信號線敷設在大容量變壓器或大功率電動機等設備附近。

3.4.5 數字電路干擾

該方法主要是提高動態測量系統中敏感元器件的抗干擾性能，即盡量減少對干擾噪聲的拾取，并從不正常狀態盡快恢復。主要有效措施有：電路板布線時盡量減少回路環的面積，從而降低感應噪聲，同時電源線和接地線要盡量粗，降低耦合噪聲和減小壓降；單片機電路盡量使用電源監控和系統保護電路，空余單片機I/O接口要接地或接電源，不能懸空，其它IC閑置端在不改變系統邏輯下也應接地或接電源；IC器件應直接焊接在電路板上，盡量的減少IC插座。

3.4.6 軟件抗干擾

該方法主要有利用數字濾波器等來濾除干擾，采用看門狗軟件、多次采樣技術、定時刷新輸出口等抑制干擾。

4.結論

由于動態測量系統使用環境不同，其干擾源也不同，處理方式更顯得多種多樣，綜合考慮應用軟硬件技術和具體問題具體分析的方法來解決和排除干擾，消除誤差，提高測量結果的準確性，保證測量系統的正常運行。抗干擾設計中雖然需要很強的理論指導，但更主要還是靠在實踐中不斷地摸索和積累抗干擾經驗，才能把對系統的干擾降低到最低限度內，使系統能夠完善正常的工作。

參考文獻

[1]朱利香.動態測試中的抗干擾技術[D].中南大學，2006.

[2]李傳偉.測試系統的干擾及其抑制[J].自動化儀表，2005， 26（9）.

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關鍵詞：物理性污染控制；教學實踐；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）48-0117-03

“物理性污染控制”課程是高等學校環境工程專業的重要專業課程之一[1]。“物理性污染控制”主要研究有關噪聲、振動、電磁輻射、放射性、熱和光等污染的基礎知識以及有效治理措施和方案。當物理運動的強度超過了人體的耐受程度時即會形成物理性污染[1]。隨著社會經濟的快速發展，我國物理環境（特別是聲環境）的污染問題愈發突出，如何經濟有效地控制物理性污染問題是環境工程專業人才的主要培養目標之一。作為一名計劃或即將從事環境保護相關工作的大學生，有很大一部分將參加注冊環保工程師考試。注冊環保工程師專業考試內容明確了物理性污染防治與水污染防治、大氣污染防治、固體廢物處理處置等四個專業方向為主要考核內容[2]，這足以說明物理性污染控制課程的重要性以及物理性污染控制在環境治理中的必要性。

通常，物理性污染控制課程采用理論教學、實驗教學和課程設計等方式開展教學活動，并以理論教學為主，學生的課堂參與程度不高。如何提高學生對知識的掌握程度和運用能力，使學生能夠適應我國環保產業的快速發展，因此有必要對“物理性污染控制”的課程內容和實踐體系進行建設和改革。本文結合多年的教學實踐，對該課程進行教學改革的必要性和教學改革的方法展開討論。

一、物理性污染控制工程教學改革的必要性

1.課程內容選擇。“物理性污染控制”課程囊括了噪聲、振動、電磁輻射、放射性、熱和光等六大物理性污染及其治理措施和方案。噪聲和振動之間存在一定的聯系外，其他的物理要素間的關聯性則較弱，各類物理性污染的治理方法和措施方面存在較大不同。“物理性污染控制”課程的內容抽象、結構邏輯性松散、理論計算公式較多[3，4]，但課程教學學時短等問題。如何合理安排各章節內容找準課程重點，加強學生對關聯性較差知識點的掌握，是課程教學過程中需要解決的重要問題之一。

2.課程內容重疊。根據教學大綱，物理性污染控制課程內容主要討論噪聲污染控制、振動污染控制、電磁污染及其控制、放射性污染及其控制、熱污染及其控制和光污染及其控制。各章節在內容設計中均涉及了污染的監測和評價部分，其中污染物監測與“環境監測”（第五學期開課）課程中的監測等內容重復，污染物評價內容與“環境影響評價”（第六學期開課）課程中的評價內容有部分重疊。因此，在課程教學過程中需要協調與其它課程的關系，抓住課程重點展開教學活動。

3.實踐環節薄弱。理論教學通常是課程教學的主要手段。純理論教學雖然可以使學生學到物理性污染控制的基本理論，但是對于物理性污染控制工程這樣一門實踐性較強的課程而言，實踐教學環節對于學生深入體會課程內容則非常重要。目前，學校在物理性污染控制實驗室建設方面的投入不足，尚沒有可以用于開展物理性污染控制實驗課程的場所。因此，在實踐教學環節主要以課程設計為主，而課程設計主要又偏重于理論計算，對于解決實際問題方面則有待加強。

二、教學方法改革與創新

1.課程內容的選擇。物理性污染是物理要素引起的環境污染問題，要解決物理性污染的問題就應該從物理學原理出發尋找經濟有效的方法和措施。因此在課程教學內容的結構體系的設計中，我們將教學內容分為三個層次，依次為基礎知識、防治和控制技術原理和防治和控制技術應用。教學過程中按照物理性要素的基礎知識測量與評價控制技術三個教學環節循序漸進的開展教學（圖1）。在合理安排教學內容的前提下，依據勘察設計環保工程師資格考試的基本要求，選擇課程教學的主要內容為“噪聲污染控制”、“振動污染及其控制”和“電磁輻射污染與防治”，并以噪聲污染控制的技術原理、設計計算和案例分析作為課程教學的重點。將放射性及其防治、熱污染及其防治和光污染及其防治作為學生課外學習的內容，課堂學習過程中進行簡要的講解。

2.輔助教參的選擇。我們根據物理性污染控制工程的教學大綱，選擇了高等教育出版社出版的《物理性污染控制》（陳杰）作為課程教材。為增強教學效果，提高學生對課程內容難點的理解和掌握程度，我們亦有針對性地選擇了幾本參考書。例如，針對“噪聲污染與防治”和“振動污染與防治”兩個章節的教學內容，我們選擇了清華大學出版社出版發行的《噪聲污染控制工程》作為教參，增強學生對于噪聲和振動污染防治的理解。此外，在國家實施注冊環保工程師的大背景下，我們在教學環節依據勘察設計環保工程師資格考試專業的基本要求，亦將《注冊環保工程師專業考試應試指導叢書：物理污染控制工程技術與實踐》作為教參之一。

3.教學手段的選擇。

（1）多媒體教學。多媒體教學是現代化教學過程中采取較多的一種教學手段和方法[4，5]。多媒體教學過程中引入PPT軟件、網絡資源和社會實踐等多種素材，使教學內容更為充實，激發了學生的學生興趣，從而提高了學生對課程內容的理解和掌握程度。例如，介紹噪聲污染及噪聲污染控制的相關知識時，利用網絡上的噪聲污染及其控制等視頻和聲頻資料，以及采用業余時間拍攝建筑施工噪聲、交通噪聲污染等視頻和課程實習過程中拍攝工業噪聲污染防治、交通噪聲污染防治等視頻，使抽象難懂的理論直觀化和具體化，提高多媒體教學的生動性，便于學生的理解記憶。

（2）案例教學。“物理性污染控制”是一門理論性和實踐性很強的專業課，課程教學過程中若局限于理論講授，則不利于教學活動的開展以及學生對知識的掌握。將案例教學方法引入課程教學環節，將抽象化的理論內容和枯燥的設計計算公式與工程實例相接合，改變抽象難懂的知識點為淺顯易懂的知識，利于學生更好地掌握課程內容，從而取得良好的教學效果。目前課程教學中采用的案例包括吸聲降噪應用實例、隔聲降噪應用實例、消聲降噪應用實例、隔振應用實例等。通過案例教學發現，學生對知識點特別是難懂知識點的理解和掌握程度得到了較大程度的提升。

（3）課外輔導與答疑。課程的課外輔導和答疑是課堂教學的補充和延伸[6]，亦是一種成效較好的教學方法。新知識的掌握需要大量的練習才能得以實現，而在這個過程中學生很有可能會遇到理解困難的知識點，若沒有得到及時的輔導，就可能會出現“拿來主義”的情況。所以在課外答疑輔導環節，我們開展的工作包括如下三個方面：①課程材料的。學期初我們會將有關課程的材料，包括教學大綱、教學日歷、課件、課程作業、課程設計和實驗等信息在網絡教學綜合平臺上進行公布，與學生共享，選課學生可根據需求下載相關教學材料。②答疑輔導。開課期間組織定期和不定期的答疑輔導，定期答疑輔導時間利用學生的課余時間，不定期答疑輔導多利用課間休息時間進行。輔導的內容不僅包括疑難問題，更將學習方法的指導作為答疑輔導的重點。同時在答疑輔導時可以得到學生對教學情況的反饋，這有助于教學方法的改進和調整。③網絡資源的利用。課程教學過程中，我們還利用微信平臺和QQ平臺等方便快捷的網絡平臺搭建課后答疑輔導平臺，學生可直接通過微信和QQ參加課程討論和查閱相關問題及解答，從而提高學生的學習效率。

4.教學實踐的選擇。教學實踐教學是高等學校教育教學環節中的一個重要組成[7，8]。“物理性污染控制”與工程實踐緊密相連，理論教學不足以提升學生對工程實踐活動的認識和體會，因此有針對性地開展教學實踐活動是非常有必要的。教學實踐環節包括實驗室實驗、課程設計和實習等環節。前文已經提及，我校“物理性污染控制”課程實踐目前主要以課程設計為主，設計任務基本上是依據教材擬定的題目，與實際案例的聯系程度較低，而實驗室實驗和實習兩個實踐環節尚沒有很好地開展。因此，根據“物理性污染控制”課程特點，擬在充實“物理性污染控制”課程設計體系建設的基礎上，增加2～4學時的實驗室實驗課程。實驗內容設定為：①吸聲材料（結構）吸聲系數的測定，以多種材料（結構）作為研究對象，探討吸聲材料（結構）與吸聲系數之間的關系；②隔聲墻隔聲效果評估實驗，探討單層勻質墻和雙層墻的隔聲效果，特別是空氣層對隔聲效果的影響。在后期實驗儀器設備購置計劃順利完成的前提下，我們將不斷的增加和完善相關實驗項目，增設一些綜合性和探索性的實驗項目，培養學生獨立實驗和分析解決問題的能力，提高學生的創新性意識。

5.習題庫的編制與應用。為了增強學生對“物理性污染控制”課程知識點的掌握，提高他們對所學內容的靈活應用能力，我們通常會根據知識點布置相應的課程作業，而作業內容則通常采用教材中的課后習題。課后習題的設置采用的題型主要為簡答題和計算題，這不利于學生對課程基本理論知識的理解。因此，本課程以課程教材為主要依據，參照《注冊環保工程師專業考試應試指導叢書》，編制了“物理性污染控制”習題庫。習題庫設置了單選題、多選題和案例分析題。單選題和多選題主要以課程基本理論知識為主，包括基本概念、理論和理論計算等知識；案例分析題則主要以解決實際設計和工程問題為主。習題庫在學期初發給學生，學生根據課堂理論講解，有針對性選做相應的習題。針對學生疑問較多的習題，展開課堂討論和講評，一方面可以提高學生上課的積極性和參與性，另一方面增強學生對難點的理解。

三、實踐效果分析

考試不僅可以檢驗學生對課程知識的掌握程度，而且對整個教學活動具有導向、評價和反饋等積極作用，還對提升教學質量和實現教學目標具有重要意義[9]。因此，我們對近三年學生的考試成績進行了分析，結果見表1。由表1可以看出，2010～2012級的學業優良率分別為57%、59%和67%，而不及格率則由4%降低為0，這可以說明學生對課程知識的掌握程度不斷提高。

四、結論

“物理性污染控制”是環境工程專業主修課程，為增強學生對知識點的掌握程度和應用能力，我們對該課程的教學方式改革和實踐進行了一定的探索，并在課程教學過程中不斷得以完善。實踐表明，教學改革不僅提高了教學質量和教學效果，更重要的是拓展了學生的知識面，打牢了學生的專業基礎，取得了教學相長的效果。

參考文獻：

[1]陳杰.物理性污染控制[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]全國勘察設計注冊工程師環保專業管理委員會，中國環境保護產業協會.2015年注冊環保工程師專業考試復習教材[M].第三版.北京：中國環境科學出版社，2007.

[3]宋衛軍，謝妤.“物理性污染控制”課程教學方法與手段探索[J].赤峰學院學報（自然科學版），2013：236-238.

[4]洪新，唐克.《物理性污染控制工程》教改體會[J].教育教學論壇，2014，（41）：130-132.

[5]張雪喬.“物理性污染控制工程”課程教學改革和探索[J].中國電力教育，2014，（5）：138-139.

[6]杜茂德，王寶玉.輔導答疑教學效果[J].安陽大學學報，2003，（6）：122-123.

[7]盧曼萍，潘曉華，張繼河.體驗：實踐教學的重要內涵――體驗式實踐教學模式解析[J].教育學術月刊，2011，（3）：105-107.

篇6

[關鍵詞]智能化 斷路器 探討

隨著電力系統越來越高的可靠性及自動化要求，無論是發電、輸電、配電還是用電，都提出了監測、控制、保護等方面的自動化和智能化的要求。斷路器作為電力系統中最重要的控制元件，它的自動化和智能化是電器設備智能化的基礎。斷路器的智能化不是通常所想的，使用計算機就達到了智能化。它必須盡可能地應用電弧自身的能量，實現運行狀態的自診斷，操動機構的可控操動，并且配置最新傳感器技術，微電子技術和信息傳輸技術，智能化的概念才比較完整。

一般來說，智能化電器設備除滿足常規電器設備的原有功能外，其功能主要表現為:

1、應具有靈敏準確地獲取周圍大量信息的感知功能;

2、應具有對獲取信息的處理能力;

3、 應具有對處理結果的思維判斷能力，對處理結果的再生信息的實施及有效操作的實施功能。

圖1 斷路器智能化工作框圖

圖1概要說明了一種兼有計算機系統和傳感裝置的智能化斷路器工作原理。主要的傳感器可探明氣體密度，通過監控其運動和能量變化，反映操作機構狀態。氣體密度傳感器發出的信號能夠實現連續的狀態監測，確定趨勢走向以及檢測極限值，并能在此基礎上實現常規的SF6氣體的鎖定和報警功能。同樣，在運動傳感器和能量傳感器的幫助下，操作機構的狀態可實現監控。另外，這些傳感器的信號可同時用于常規的位置指示和電動機控制功能上。

如果需要，還可在基本系統中增加傳感器。根據對周圍溫度的測試結果，對狀態變化（以及反映出的趨勢信息）作出更準確的評估。對于沒有串行接口至更高一級層面的系統，進行時間記錄十分有助于對變化趨勢的預測。附加的電流電壓傳感器實現斷路器設備功能最優化的基礎。

總的來看，可以歸納智能化斷路器的操作過程為: 智能控制單元不斷從電力系統中采集某些特定信息，據此來判別斷路器當前的工作狀態，同時處于操作的準備狀態。當變電站的主控室因系統故障由繼電保護裝置發出分閘信號或正常操作向斷路器發出操作命令后，控制單元根據一定的算法求得與斷路器工作狀態對應的操動機構預定的最佳狀態，并驅動執行機構操動機構調整至該狀態，從而實現最優操作。顯然，智能控制單元是斷路器智能操作實現的核心部件。

1 智能控制單元

智能控制單元是智能化斷路器的靈魂，它是以微處理機為核心部件，綜合應用傳感技術、光電轉換技術、數字控制技術、微電子技術和信息技術等多種現代技術，以完成斷路器的智能操作，實現斷路器的智能化。

智能控制單元的基本功能有:

1.1自動識別斷路器的工作狀態

斷路器的工作狀態的準確識別是實現智能操作的前提。對于超高壓斷路器而言，其任務主要有分斷短路電流、負載電流、過載電流、小容性電流和小電感性電流等。

1.2自動調整斷路器的操動機構

這是控制單元的核心功能。因此控制單元必須在識別斷路器工作狀態的基礎上確定與之相對應的操動機構的調整量。

1.3記錄并顯示斷路器的工作狀態

由于斷路器在大多數運行時間內是不動作的，在此期間，本單元的任務是對斷路器的工作狀態不斷地進行監測，同時它還記錄斷路器每次開斷情況，包括開斷電流的大小、開斷類型及是否發生拒分或拒合等信息。短路時還應記錄短路電流的變化過程，以便于電力部門進行事故分析及斷路器的維護。同時，也可通過斷路器累積開斷電流的大小來表示斷路器觸頭的燒蝕情況。

1.4具有與遠端主機進行通信的功能

控制單元可以根據主機的要求將斷路器的開斷記錄及其他數據經信息傳輸接口上網傳送至上位機，并通過上位機經信息傳輸網絡將操作命令及保護參數、保護及重合閘方式等配置要求傳送過來。

2 對斷路器工作狀態的監測與診斷

監測與診斷是智能化電器設備的重要環節，很難想象，智能化電器設備一旦失去了監測與診斷的技術支持，會是個什么樣子。計算機技術、傳感技術與微電子技術的進步，使智能化斷路器的監測與診斷的要求得以實現。它要求具有以下功能:

2.1滅弧室電壽命的監測與診斷

動作次數: 記錄合分次數，逾限報警;

開斷電流加權累計，即統計ΣIα（α=1.5~2）值，逾限報警。

觸頭的電磨損主要取決于燃弧電流的大小及燃弧時間的長短。而燃弧時間，對實際使用中的斷路器是難于獲得的，且燃弧時間從統計和累計的角度可不必考慮。因此，人們常將注意力集中在開斷電流上，研制累計開斷電流記錄儀。但是，累計開斷電流與觸頭電器磨損之間并不是單值函數關系，同樣的累計開斷電流，如果單次開斷的電流小，其磨損量要比單次開斷電流大時小得多，因此，正確的方法應該是據每次開斷電流的大小換算成相應的磨損量，而磨損總量應根據斷路器的額定開斷電流和額定開斷次數來確定，而不同開斷電流下的等效磨損量應由試驗所得的經驗曲線確定。

對于真空斷路器來講，滅弧室除了電壽命外，還有真空度的監測。大量的研究和實踐證明，12kV真空斷路器目前型式試驗的短路開斷次數有的已做到了50次，在開斷50次以后，觸頭的燒損厚度僅為0.6mm左右，燒損甚微; 而真空滅弧室產品允許觸頭燒損厚度為3mm，說明真空斷路器在開斷方面的余量很大，更何況在實際運行中，短路開斷的次數是不會很多的。相應之下，真空斷路器滅弧室的真空度下降的機率卻要高得多，從1999年的統計資料看，全國真空斷路器共發生45次事故，其中因滅弧室真空度下降造成的就有9次，由此可見，對真空斷路器來講，滅弧室真空度的監測是很重要的。

2.2斷路器機械故障的監測與診斷

根據多年的大量統計資料表明，事故的70%~80%出在高壓斷路器的操動機構和控制回路。斷路器的機械部分比較復雜，且長期不動作，比目前已經較為成熟的旋轉機械的監測技術更為困難，常需要采用多種技術綜合判斷，主要有以下幾項:

(1)合分線圈電流波形監測，非正常報警;

(2)合分線圈回路斷路監測，斷路報警;

(3)監測行程，過限報警;

(4)監測合分速度，過限報警;

(5)機械振動，非正常報警;

(6)液壓機構打壓次數、打壓時間、壓力;

(7)彈簧機構彈簧壓縮狀態，傳動機構和鎖扣部分的工作狀態，電動機工作時間;

(8)永磁機構: 線圈狀況、磁性的穩定狀況和彈簧的壓縮狀態等;

(9)關鍵部分的機械振動信號。高壓斷路器合分動作的機械振動波形十分復雜，通常包含著多個子波，看起來雜亂無章的波形實際上是多個子波的混疊，每個子波代表一個振動事件。分析振動波形，把各子波分離出來，可以得到事件的個數及各事件發生的時間和事件的強度，可以獲取斷路器操作過程機械部分的多個信息。對波形分析的方法很多，如小波分析、形狀比較、統計過程處理等等。測量所用的加速度傳感器應據所監測的目標（電磁振動、部件振動、操作振動、微粒跳動等等）的不同而合理選擇。振動傳感器的安裝位置也應精心布置;

(10)合、分閘線圈電流和電壓波形的檢測。線圈電流波形中包含著許多操作系統的信息，如線圈是否接通，鐵芯是否卡澀，脫扣是否有障礙等等;

(11)合、分閘機械特性: 速度、過沖、彈跳、撞擊等，這些信息也可從振動波形中有所反映;

(12)控制回路通斷狀態監測。這對因輔助開關不到位或接觸不良造成的拒分、拒合故障有很好的監視作用;

(13)操作機構儲能完成狀況。

判斷上述所監測信號是否正常的一個基本出發點就是將其與正常狀態下的情況作比較。正常狀態是在某一范圍內，只有通過具體條件由試驗和統計處理確定。通常是將一次操作的幾個波在時域、頻域、幅度上作橫向比較，與前幾次的操作作縱向比較以得出診斷結論。

2.3絕緣狀態的監測

氣體斷路器氣體壓力，越限報警，閉鎖;

圖2 電力設備故障診斷的分層結構

監測局部放電，用以預報絕緣事故，智能技術是把對信息的獲取和加工推理，從代數的簡單數值計算，發展為模擬人腦對不確定性的辨別、思考、預測、優化和決策。將智能技術引入到基于在線監測數據的絕緣診斷系統，將診斷機制分為四個層次，依次為在線數據的預處理、征兆集的提取、故障類型的確定以及決策，如圖2所示。

研究表明，由于在線監測具有數據量大、影響因素復雜的特點，智能技術特別適合絕緣在線診斷。

在線數據的預處理階段，采用有關方法剔除虛假點，并通過分析在線數據與環境因素的相關性，利用三次擬合曲線削弱環境對測量數據的影響。在征兆集的提取階段，由于考慮到數據的動態特性和隨機誤差的影響，將待檢數據與模型的殘差作為故障的征兆之一，采用了相對比較法的時序分析法。研究證明這些方法是有效的。

對絕緣診斷的后兩個層次，即故障類型和決策層方面，尚需積累更多的在線監測數據，以及對故障種類的模式、嚴重程度的在線數據特征進行深入的研究，專家知識的積累和診斷方法的完善也將是一個長期的過程。

2.4載流導體及接觸部位溫度的監測

載流導體和母線聯接處，接頭處等接觸部位的接觸受振動力矩的作用而發生變化。導致接觸電阻增加，接觸部位的溫度增加，故需要對這些部位的溫度進行監測。

這通常是利用紅外光的幅射強度或將感溫元件裝在導體上，轉換成信號傳到低電位再還原成溫度信號，其難點是高電位導體上低壓工作電源的獲得方法，也有利用受熱發聲器件將異常過熱信息傳到低電位接受裝置的。近來，有直接在低電位處將紅外光照到載流導體上就能從發射方獲取被測體溫度的非接觸方法。還有利用光微薄硅溫度傳感器的無源測量方法如圖3所示。

圖3 光微薄硅溫度傳感器的溫度探頭原理圖

圖3是采用對溫度敏感的Fabry-perot槽研制出的一種溫度探頭，Fabry-perot槽溫度探頭原理圖如圖3所示。裝置由一薄硅片構成，在它中段的頂部和底部蝕刻出矩形槽，然后在薄硅片頂粘貼上一層玻璃，該玻璃的熱膨脹系數與硅片的熱膨脹系數不同。當該處溫度變化時，因2種材料不同的熱膨脹系數，在其內部產生內應力，內應力改變槽的深度。用光纖將多色光送入Fabry-perot槽，反射出的調制光也經光纖送出，調制的輸出信號是用光學干涉測量方法測量的。

由Fabry-perot槽構成的光纖傳感系統其組成元件耐腐蝕、小巧、測量靈敏度高，而且不受電磁干擾影響，在智能化高壓電器的溫度在線監測方面有廣闊的市場。

2.5監測診斷系統的總體框圖

一個智能化的斷路器設備或斷路器設備的智能監測與診斷系統其總體方框圖大致如圖4。信號傳輸部分若是扁平電纜，則距離甚短，多為并行數據信號; 若距離較長多為串行信號，僅需兩根電纜，且信號獲取單元可有多個，每增一個僅多一地址編碼。由于對異常程度及故障部位的診斷難度較大，計算機決策有時比較困難，很多裝置還借助于人腦對信息作綜合分析，以便作出最后決斷，計算機只對那些確認無疑的越限值給出告警信號。

圖4 診斷系統總體框圖

傳感器要獲取的信號并不只局限于前面敘述的那些，一個智能程度較高的斷路器除電氣、機械、絕緣各方面的劣化或變異需自行監測外，諸如氣體密封狀態、真空滅弧室的真空度、液壓機構的液壓、組合電器中避雷器的特性劣化等也應有相應的自檢措施。

3 斷路器的智能操作

斷路器的智能操作是智能化斷路器最典型的應用，它是將智能化技術引入到斷路器的電氣性能中去，它使斷路器能更好地完成開斷任務和提高開斷的可靠性，提高斷路器的綜合技術性能，無論是生產運行還是對研究制造都具有十分重要的作用和價值。目前認為，它至少應包括以下兩方面;

一是要求斷路器的操作性能可根據電網中發出的不同工況自動選擇和調整操動機構或者滅弧室合理的預定工作條件。例如: 對于自能式斷路器的分斷操作，小負載時觸頭以較低的速度分斷，既可保證所需的滅弧能量又可減少機械損耗，而在接到短路信號時則以全速分斷，獲得電氣和機械性能上的最佳開斷效果。目前，此類專家系統的開發已在進行，變速操作打破了傳統斷路器單一分閘特性的概念，實際上是上述執行功能的智能化，是對高電壓等級斷路器操動機構的改造十分有益的嘗試。

再是要求斷路器在零電壓下關合，在零電流下分斷，這與斷路器的同步分斷與選相合閘的工況是完全一致的，同步分斷可以大大提高斷路器的分析能力，一臺低成本的小容量開關可分斷10倍以上容量的電流; 選相合閘可以避免系統的不穩定，克服容性負載的合閘涌流與過電壓。在電力電子領域，近年來流行一種軟開關技術，使半導體開關器件在零電壓下關合，在零電流下分斷，可以認為: 電子操動正是實現斷路器的軟開關技術的關鍵。目前比較迫切的應用是在:

(1) 并聯電抗器操作

(2) 電容器組操作

(3) 變壓器操作

(4) 輸電線路操作

每一種應用對斷路器和控制裝置的性能提出某些要求，能從根本上解決過壓問題。這對推廣無功補償、穩定電力系統意義極大。應用真空觸發開關和一般電磁機構真空開關已經實現了這種選相合閘的并聯電容器組的投切，進一步的工作將用有永磁機構的智能化斷路器直接實現選相合閘。

永磁操動機構大大提高了機構的可控性，由原來毫秒級的機構控制時間分散性進步到微秒級的電信號控制，由機械儲能、機械脫扣進步到電儲能、電信號直接觸發動作（電子脫扣）。真空斷路器新的操動理論應包括兩部分: 控制精度分析與可靠性設計，高可靠性控制電路的設計以及機構運動特性分析與優化。

斷路器的同步分斷與選相合閘的實現

現代傳感器技術使交流零點信號的拾取變得非常可靠和方便。同樣，我們也可以方便地取到交流電壓或電流變化率的零點（對應正弦信號的峰值）信號。剩下的問題是控制信號在電壓或電流零點以前或它們的變化率零點以后什么時刻發出。

目前同步斷路器的發展還需進一步的可靠性論證和設計，它的連帶意義是斷路器的完全可控，其發展可能成為最典型的新概念開關電器。

20世紀90年代ABB公司推出了CAT（即具有人工智能技術的斷路器，Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology）:CAT是專為ELF型SF6斷路器（敝開式）和ELK型封閉式組合電器（GIS）而開發和試驗的，見圖5。

CAT為一模塊式電子，它由三個獨立的分相模塊所組成，可使斷路器在最佳投切時刻進行每相的獨立操作。其效果為:減輕投切時的瞬時過電壓;減輕電流對設備的應力。

對常常要使用分合閘電阻的高壓斷路器來說，CAT是一種可供選擇的可靠技術替代方案。CAT安裝在斷路器的控制回路中，具有處理來自電壓或電流互感器輸入的信息的功能，并在最佳操作條件的時刻發出斷路器操作脈沖。例如: 視電網參數不同而異，CAT能有效地將電容器組投入時的沖擊電流減低到其原有值的30%。對于有并聯補償線路的自動重合閘，即使對長線路而言，操作過電壓值也能保持在2倍（標么值）以下，在切除并聯電抗器的情況下，CAT能消除在斷路器內有害的電弧重燃，因而防止了電抗器絕緣的劣化。

圖5 CAT接線示意圖

可以看出，CAT在一起程度上實現了對斷路器的受控操作，具有智能操作的一些特點。

實際上，國外十幾年前已開始相當普遍地實際應用相位控制高壓斷路器技術，下表簡要說明相位控制高壓斷路器的作用。

工 況 適用目的 動作準確度* 最佳開合時刻 優 點 空載變壓器投入 關合涌流抑制 電壓變動抑制 ±2ms 中性點接地: 各相電壓峰值 中性點不接地: 首相電壓峰值，后二相相間電壓峰值 不需合閘電阻，防止繼電器誤動，提高電壓穩定性 電抗器投入 過電壓抑制

（2P.u.以下） ±2ms

同上

延長斷路器檢修周期 電容器投入 過電壓抑制 合閘涌流抑制 ±1.5ms 中懷點接地:

各斷口間電壓為零

中性點不接地:

首二相相間電壓為零第三相極間電壓為零 延長斷路器檢修周期 不用串聯電抗器 空載線路投入 過電壓抑制

(1.3-1.7p.u.)

±1.5-2.0ms 不用合閘電阻或電路避雷器，電壓穩定性提高 快速自動重合閘 過電壓抑制 同電容器投入 電抗器開斷 防止復燃 燃弧時間:

0.5周波以下 降低設備絕緣水平 電容器開斷 防止復燃及重擊穿 燃弧時間:

0.5周波以下 降低成本設備絕緣水平 *±30以內

4 智能型高壓電器有關問題的探討

斷路器智能技術不僅是概念上的轉變和理論上的發展，而且是在眾多領域中技術上的突破，它的實現必然會應用一些新技術、新材料、新工藝，不斷提高產品的檔次和技術含量，但是在這個過程中，核心的問題是信息的采樣傳輸與控制系統，這些領域中，有的技術相對成熟，有的尚處于開發研制與試運行階段，需要一個不斷總結提高和完善的階段，具體有下列方面:

4.1 關鍵技術

4.1.1 傳感技術。局部放電、高壓導體測溫、高壓側電流和電壓的測量技術，特別是目前正在開發研制的光電流、電壓傳感技術等難度較大的傳感技術;

4.1.2 微機技術。開發出成功的智能化軟件是微機技術的關鍵。而軟件系統中，主程序則是核心程序。

主程序首先完成單片機和外圍接口芯片的初始化; 之后，主程序不斷檢測并顯示斷路器的工作狀態，隨時準備應上位機的要求與之通信，傳遞有關的控制和狀態信息。

4.1.3 抗電磁干擾技術

研究表明，系統中常態噪聲是工頻50Hz及其高次諧波，一次回路中發生的任何形式的暫態過程（如各種過電壓和各種短路故障）以及載波通訊信號，都會通過不同的途徑耦合到二次系統。此外，高電場引起的電暈及污閃也要產生電磁輻射，二次控制回路的開關電源由于其浪涌噪聲也會對電量傳輸帶來擾動。大功率電磁鐵動作時引起空間磁場的變化，還會在附近的導電回路中感應出電流，對操動機構中的控制電路帶來考驗。解決電磁兼容問題就要針對各干擾源，嚴格屏蔽、隔離與接地措施，信號的數字化傳輸可以大大緩解干擾的影響程度，引入光電轉換不但可以進行電氣隔離，還可以保證信號傳輸過程不受電磁場的干擾。

由于智能化斷路器的信號傳輸與控制系統的工作電壓和信號傳遞電平低，耐壓水平低，外界電磁場干擾很容易使其失效或損壞，而這種情況對于傳統電器調和的影響是不大的。因此，電磁兼容是斷路器智能化的新課題。

4.1.4 信號處理技術。對有些技術來說，獲得監測信號只是第一步，必須進行故障診斷才能作出判斷、決策。如局部放電監測所得復雜信號需要進行故障診斷才能實現故障分類、故障定位、預期壽命估計等; 用機械振動法監測斷路器機械狀態也需對獲取信號作處理才能正確辨識; 目前對于斷路器電弧狀態的研究，也是從電弧電壓入手，通過軟件的處理實現對電弧狀態的診斷。

4.2壽命問題

一般來說，電子設備的使用壽命遠低于高壓電器設備本身的壽命，這是一個矛盾。解決的辦法有:

4.2.1提高電子設備的可靠性，這可以從設計、制造及適當改善運行條件幾方面著手;

4.2.2應有自檢功能;

4.2.3采用綜合判斷;

4.2.4對于相同功能的部件，采用模塊化設計，以降低成本增加備用量，達到總體上提高電子設備的可靠性。

4.3經濟問題

當前在計算機等設備不斷降價的情況下，監測設備價格也不斷降低。這種趨勢還會繼續下去。但無論如何，仍要相當經費。如日本三菱公司在’97國際電力設備及技術展覽會上顯示的GIS監測設備包括局部放電等約10項內容的裝置，價格不超過GIS本身的1/10。這比幾年前聽到的1/3要便宜不少。如采用國產設備還會便宜得多。

國外也十分關心監測技術的經濟問題，并作出了不少經濟分析。如有用下列公式作為采用監測設備的條件:

C式中: C——監測裝置每年平均投資

B——采用監測裝置后，因減少維修次數而每年平均

節約的維修經費

D——采用監測裝置后，因減少一次事故而每個平均

節約的維修費

E——年事故率

在不考慮D·E一項時，監測設備的合理投資為高壓開關設備投資1%-2.7%，后者指頻繁操作的高壓開關。以上當然未考慮因出現事故所造成的各種間接經濟損失。非經濟損失更難于計算。

美國紐約電管局和加拿大魁北克水電局自1993年裝置MONITEC監測系統到1996年因監測出包括機構卡滯、動作不到位和軸銷斷裂等5次重大事故征兆，保證了供電可靠性，估計節約經費超過100萬美元，降低了成本，提高了市場競爭力。

目前，對高壓斷路器智能化經濟問題的考慮，總是偏重對智能化需要而購置的設備的價格；其次，再包括減少維修次數節約的經費和減少一次事故所節約的費用。按理說，這是很不夠的。比如，由于實現了斷路器的受控操作，斷路器的開斷容量可以減少，是否能選擇開斷容量小一些的斷路器？操作過電壓的倍數下降了，設備的絕緣水平能否下降？再者，由于智能化斷路器科技含量高、技術先進、可靠性高而受到用戶的青睞，在競爭中中標而獲利，這些潛在的經濟效益能不能考慮。總的來看，無論是研究開發機構、制造廠商還是使用單位，把目標瞄準智能化斷路器不失為明智之舉。

5 智能化斷路器的現狀

近年來已有很多智能化斷路器面市，高壓領域典型的有東芝公司的C-GIS和ABB公司的EXK型智能化GIS，它們的特點都是采用先進的傳感器技術和微計算機處理技術，使整個組合電器的在線監測與二次系統在一個計算機控制平臺上。在中壓領域較典型的有九十年代初的富士公司的智能式真空斷路器及ABB公司近年來推出的VM1型真空斷路器。前者包括三種功能: 自動保護功能、早期維護功能和信息傳遞功能。其中保護功能指標斷路器本體可對過電流和短路故障進行檢測與判斷并發出指令，使斷路器可靠分閘; 早期維護功能指斷路器在真空度降低、電接觸部位溫升異常以及脫扣線圈斷線時均能發出報警，提示操作人員把斷路器退出運行進行維修; 信息傳遞功能則指除正常外加入的控制信號外斷路器狀態的信號輸出。

VM1型真空開關是ABB公司的最新產品，除了新穎的一體化絕緣結構，最顯著的特色是采用了除永磁操動機構外，就是它的二次控制無觸點化和采用新型傳感器。開關的位置傳感器和輔助接點均為無觸點的臨近開關或光開關，新型號電量傳感器信號可以直接變換成數字信號，取代了傳統的電磁式電壓和電流互感器。

當前，世界上先進的工業國家都看好在電力系統中高壓領域智能化高壓電器的發展前景和潛在的效益，加大了研究的投入和開發的力度，比較典型的有ABB公司推出的CAT，具有人工智能技術的斷路器，如前面所討論的，在一定程度上實現了對斷路器的受控操作; ABB公司推出的光電式電流傳感器和電壓傳感器在高壓領域中替代了傳統的電磁式電流互感器和電壓互感器，解決了智能化高壓電器設備中傳感技術的難題。目前，已經大量應用的信號數字化傳輸技術大大緩解了信號傳播中干擾的影響程度等，這些高新技術的應用都為智能化斷路器技術的發展創造了良好的條件。

斷路器智能化是一項更新換代的工作，它涉及到很多領域的技術進步和創新發展，如傳感技術、微電子技術、計算機技術、信息技術以及斷路器本身及操動機構等方面，需要更多的投入和開發。但是，可以展望，隨著智能化進程上的難題一個一個地被破解，性能優越的智能化斷路器終將會在不久的將來登堂入室，為人們所熟悉和喜愛。

參考文獻

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