有“中国天眼”之称的500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST)是目前国际上口径最大、最灵敏的单口径射电天文望远镜。FAST反射面靠柔性索网支撑，由4 450块三角形单元拼合而成，控制反射面下的液压促动器伸缩可改变反射面单元的位置，从而实现主动变形。观测时，300 m照明区内的反射面可主动变形为瞬时抛物面汇聚电磁波。得益于FAST巨大的接收面积，其增益可达15 K/Jy；且装备了高性能L波段19波束制冷接收机，使其灵敏度可达2 600 m²/K，相较于其他射电望远镜，其灵敏度至少提高一个量级^[1]。

FAST可观测来自宇宙深部极微弱的射电源信号，为探索宇宙奥秘提供了更有力的手段，然而射电天文观测极易受到其他无线电业务有意或无意发射的干扰信号影响，因此射电望远镜选址通常在偏远地带，以远离人类活动所产生的电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)^[2]。随着电子工业的发展，射电望远镜本身不得不引入大量电子电气设备，这些设备距离望远镜更近，辐射信号的频率成分也更加复杂，对天文观测影响也更大。

望远镜自身电气设备产生的EMI也需要进行必要的屏蔽，包括为整个望远镜提供能源的供配电系统。FAST供配电系统包括1座35 kV/10 kV主变电站，6座10 kV/400 V箱式变电站。外部供电为35 kV三相电，通过长距离埋地电缆送到0#变电站，其内设35 kV/10 kV变压器，将三相电从35 kV变为10 kV后送到1#—6#箱式变电站，1#—6#箱式变电站再将电流从10 kV变为400 V提供给所有用电设备。

FAST观测频段为70~3 000 MHz，电网中该频段的干扰信号会在长距离传输后损耗殆尽，故在设计电源滤波器时不用考虑屏蔽来自电网的干扰信号。另外，仅由铁芯和线圈组成的变压器不会产生此频段的干扰信号，且主变电站与望远镜主体相距约600 m，其间有山体隔离，因此主变压器仅需安装在1个屏蔽效能约为40 dB的机房内^[3]。

1#—6#箱式变电站分别位于FAST馈源支撑塔下，其中安装了多种电子设备，如电脑、不间断电源(UPS电源)、控制器、数字仪表、数据采集和传输设备等，虽然这些电子设备用电功率不大，却是高频EMI的丰富来源。为避免这些EMI外泄影响天文观测，需要对1#—6#箱式变电站进行全面的电磁屏蔽。

变电站的输入输出工频电力线(10和0.4 kV) 都须安装电源滤波器，对可能携带的EMI进行滤除。根据变电站内干扰源信号强度的实测数据及天文观测的要求，计算得出电力线电源滤波器的屏蔽效能(插入损耗)需大于90 dB^[4]。由于干扰信号频率远高于50 Hz工频，站内EMI通过空间耦合方式传输到电力线上，因此电力线上EMI通常只以共模干扰形式出现，几乎没有差模干扰形式。

1 高压滤波器电路设计及关键部件选择

电源EMI滤波器在电磁兼容领域较为常用，主要用于屏蔽机房或屏蔽机柜的供电电源线或信号线的滤波，由滤波电容、电感及屏蔽壳体组成^[5]。电磁兼容行业常用的电源EMI滤波器交流工作电压最高为500 V，且通常没有对10 kV电力线进行滤波的需求，因此10 kV等级的高压EMI滤波器并无成熟市场产品。

高压电力行业为了消除供电系统的高次谐波，提高供电质量，会在线路中安装一种高压滤波器^[6]。该滤波器装置被分别安装在三相供电支路中，每一滤波支路由数个电抗器和滤波电容器组成。每个电抗器与电容器组成串联单调谐滤波器，调谐于某一谐波频率上。对于某些特定频率的谐波，该滤波支路相当于1个低阻抗的“陷阱”，绝大多数的谐波电流由滤波支路形成回路，则供电线路中的该频率谐波大大减少，从而净化电网频率。这种高压滤波器只能用于消除10 kHz频率以下的谐波，且不适用于电磁屏蔽防护。

拟研制的高压电源EMI滤波器工作电压为10 kV，中心导体连接10 kV相线，滤波器外壳连接变电站屏蔽体，即接地线。滤波器承受的稳态工作电压平均值为5.8 kV，峰值电压为8.2 kV，考虑到三相供电电源可能存在偏相和负载不平衡及适当的设计冗余，故应将FAST变电站高压电源EMI滤波器额定工作电压定为10 kV。因为供电电网难免会出现由开关操作造成的浪涌冲击和过渡过程，所以电力行业对额定电压为10 kV的电气设备有更高的交流耐压试验要求，一般要求最高耐压为额定工作电压的3倍以上^[7]。

由于滤波电容的存在，滤波器的相地之间存在漏电流，会造成地线电压漂移、功率因数降低、设备发热等不利影响^[8]，因此高压滤波器的漏电流越小越好，但是其工作原理决定了漏电流无法被彻底消除。

根据以上要求，提出FAST高压电源EMI滤波器的主要技术指标，如表 1所示。

参照低压电源滤波器电路，高压电源EMI滤波器采用传统的单级Π型LC电路，原理如图 1所示。滤波器电路为由串联电感L及2个并联电容C组成低通滤波器，且2个电容C有共同接地端GND，其截至频率约为500 kHz。通过电路仿真可粗略计算达到设计插入损耗所需要的电容及电感值^[9]。电路仿真结果在低频段时具有明确的指导意义，然而当频率升高时，现实电路中的电容与电感性质会发生较大变化；与此同时，由滤波器结构产生的分布参数所起的作用也更加明显，滤波器的实际性能会产生较大偏差^[10]，因此滤波器电路参数及空间结构不能完全由仿真计算得出，还需通过试验得出恰当的结论。

高压滤波器的理论插入损耗L_I可表示为

$L_{\mathrm{I}}=20 \lg \left[\omega^2 L C+\left(\omega^3 L C^2+2 \omega C\right) \frac{Z_{\mathrm{S}} \cdot Z_{\mathrm{L}}}{Z_{\mathrm{S}}+Z_{\mathrm{L}}}\right].$

(1)

其中：ω为输入信号圆频率，L为滤波器电感量，C为滤波器电容量，Z_S为滤波器源阻抗，Z_L为滤波器负载阻抗。计算可知，当C=5 nF，L=18 μH，Z_S=Z_L=50 Ω时，滤波电路在70~3 000 MHz频带, 插入损耗均可大于100 dB。

高压滤波器的关键耐压元件是高压电容，按介电材料分类，主要有薄膜介质电容和陶瓷介质电容。薄膜电容是在有机薄膜材料上镀以导电层并加以卷绕制造成电容器。单层薄膜耐压能力为千伏级，需要多只电容串联才能达到万伏耐压等级，但多级串联也可能存在电压分配不均的缺点。由于材料或工艺的缺陷，导致在强电场作用下，电容内部可能存在若干局部放电(也称局放，是描述一般有绝缘要求的高压设备的绝缘品质和耐压寿命的指标)点。

薄膜电容产生局放的主要原因包括：绝缘体内有微小气泡，薄膜材料中有微小的绝缘性能差的杂质，有尖端毛刺导致的局部电场超高。薄膜电容的局放会造成局部介质发热，而有机材料在过热情况下存在碳化可能，可导致绝缘性能进一步下降，造成恶性循环，最终使电容整体击穿、电路失效。经电力行业使用，普遍认为薄膜高压电容的寿命在5年以内^[11]。

在实际使用中，薄膜电容器是在工作应力和环境应力的综合作用下工作的，其老化及失效是由温度、湿度和电应力等综合因素引起的。当有潮气存在时，会引起电解，加速老化。潮湿的空气是引起薄膜电容器电性能参数退化的主要原因，可引起绝缘电阻及耐压强度下降，介质损耗角正切值增加和电容量变化。由于FAST位于常年高湿、多雨的贵州南部，因此高压薄膜滤波器不宜在FAST上使用，而陶瓷滤波器则具有较强的环境实用性。

陶瓷高压电容以陶瓷作为介电材料，通常为单层结构，具有结构简单、体积小、寿命长、稳定性高，以及耐高压能力强等优点，其中玻璃陶瓷电容优势更为显著^[12]。与普通烧结型陶瓷电容不同，玻璃陶瓷电容以铌酸盐为主要材料，将材料高温加热至熔融状态，再利用模具加工成形，冷却后附上电极而成，具有结构致密无空隙、介电常数大、耐压高和局放更小等优点。

高压玻璃陶瓷电容虽也会存在局放现象，但由无机材料制成的玻璃陶瓷耐局放能力较强，不会因局放而损害电容性能。因而，高压玻璃陶瓷电容常用作高压互感器电容，正常情况下其使用寿命可达10~20年^[13]。与薄膜电容相比，玻璃陶瓷电容的缺点是电容量较小，国内外可检索到的10 kV陶瓷电容最大电容量仅为5 nF左右，且穿心形式的陶瓷电容需要定制。若使用容值较小的玻璃陶瓷电容作为滤波器旁路电容，可推断产生的相地漏电流相对较小，对滤波器的整体安全性有益。

电磁兼容行业通常用穿心形式的电容组成滤波器。穿心电容是一种三端电容，优点是可直接安装在金属外壳上，接地电感更小，几乎不受到引线电感的影响；此外，由于输入输出端被金属板隔离，消除了高频耦合，这2个优点决定了穿心电容具有接近期望电容的滤波效果。

综合上述因素，试验选用穿心形式的玻璃陶瓷高压电容。该电容由定制的环形陶瓷芯、接地环和中心电极等组件组成，首先在陶瓷芯内外壁刷导电银浆，待其凝固后制成电容胚；其次，焊接或黏接接地环和中心电极；最后，用环氧树脂封装，如图 2所示。穿心高压陶瓷电容制成后，需经过耐压和局放测试，测试通过后再用其组装滤波器，以避免因部件不合格导致高压电源EMI滤波器整体不合格或失效。

单只玻璃陶瓷电容体积小，电容容量受限制，为保证滤波器滤波效能值，需加大电感量进行补偿。高压滤波器中心导体为铜棒，增加电感的方法是在铜棒上增加磁环。高压滤波器工作频段较高，因此，应尽可能选用工作频率高的磁性材料。镍锌材料中虽有最高使用频率可达1 GHz的材料，但此款材料的相对导磁率仅为8。经对比试验确认，滤波器磁环选材应优先考虑高电感量，而非优先考虑磁环的工作频率，故最终选用铁氧体作为磁环材料。

磁材的频谱特性可以用一个复数阻抗表示，其中实部为损耗性阻抗，虚部为感抗。磁材的损耗性阻抗会随频率升高而变大，当其与感抗相等时的频率为磁材的标称频率。厂家提供的资料说明：许多磁材无论标称频率为多少，其阻抗最大值都出现在500~1 000 MHz。

高压滤波器是通过电感阻抗和电容阻抗分压构成插入损耗，不必优先考虑其标称频率，而应优先保证足够的电感量。这个判断得到了验证，试验选择的磁材标称频率在3~25 MHz，并不影响在70 MHz以上得到期望的感抗值。因为在更高的频率下，电感量将趋向减小，总阻抗也有所降低，此时电容阻抗也随频率降低，滤波电路分压反而降得更低，所以滤波器表现为在1 GHz以上频段滤波效能没有进一步提高，反而还略有降低。

表 2列出一组磁环线圈阻抗和频率的测量数据，磁环是型号为NXO-600，导磁率为600，频率为2 MHz的镍锌磁环样品。使用安捷伦4287A射频电感电容电阻测试仪(LCR测试仪)测试阻抗，并与理论计算值比较。理论计算的前提是假定电感是与频率无关的常数，并计算其感抗值，这与实际情况，特别是在高频段时会有差别。测试结果表明：频率在50 MHz时，实测阻抗和理论感抗比较接近，但在更高频率时，阻抗里感抗作用逐渐减小，损耗性阻抗逐渐占据主要作用，测试值与计算值偏差较大。

磁环的导磁率越高，产生的磁感强度越大，即磁通量越大，对信号抑制作用越强，但当滤波器额定电源为100 A时，在大电流作用下磁环磁通量可能会达到饱和，使导磁率下降，甚至降低到1，因此磁环材料的选择除电感量外还需考虑饱和磁通密度的限制因素。

因为磁环越靠近导体，(电流)磁感强度越大，也越容易饱和，所以距离中心导体较近的磁环宜选用导磁率较低、饱和磁通量高的材料，而距离中心导体较远的磁环选材则反之。滤波器电感磁环采用“三明治”结构，内层采用高频、低导磁率磁环以避免饱和, 外层尽可能采用高导磁率磁环以保证设计的电感量，应重点保证磁环整体的电感阻抗频率在500 MHz以下。

经过对现有磁环的尺寸及材料等的综合对比，高压滤波器电感选用3种尺寸的磁环嵌套组成磁环组，详见表 3。磁环在标称频率下的额定电感量L_e可表示为

$L_{\mathrm{e}}=4 {\rm{ \mathsf{ π} }} u_{\mathrm{e}} \frac{A_{\mathrm{e}}}{h} .$

(2)

其中：u_e为磁环材料导磁率；A_e为磁环截面积；h为磁路长度，可近似为磁环中线长度。

每组磁环包括50个内磁环、25个中磁环和25个外磁环，计算得出磁环组电感量约为22 μH。试验中利用安捷伦4287A射频LCR测试仪对磁环组进行测量得到电感量，再进行滤波器电路仿真，结果表明仍可满足滤波器需要。

2 高压电源EMI滤波器外形及加工要点

高压电源EMI滤波器的主要作用是阻断或过滤变电站内可能通过的10 kV电源线传输的EMI信号。由于高压电源EMI滤波器安装在变电站屏蔽室外部，一端接线头需穿过屏蔽室壁将10 kV电源接进站内，为变压器供电，因此高压电源EMI滤波器的结构设计须满足电气安全性高、电磁密封好、结构强度高、绝缘性能好、安装方便，以及具有一定程度的可维护性等要求。

为了能方便地调试高压电源EMI滤波器的电路，仿照滤波器长方体外形，设计并加工了高压电源EMI滤波器长方体式外型壳体，并进行了试验。设计制造出的试验壳体高1 200 mm、长550 mm、宽400 mm，有可打开的屏蔽舱门。组装滤波电容和电感后，将其中心导体裸露(见图 3a)，测试电路的插入损耗。测试结果表明：虽然滤波器衰减曲线在个别频率可达90 dB，但存在大量梳状尖峰，其顶部衰减只能达到30 dB(见图 3c蓝色)，与电路仿真结果相差较大。判断原因为通过空间耦合导致插入损耗性能下降。

用金属网包裹中心导体(见图 3b)，切断空间耦合路径，再测试插入损耗，性能大幅提升(见图 3c红色)。试验表明：为了获得较好的插入损耗，需尽量减小滤波器的空间耦合。

由于穿心陶瓷电容和磁环都是圆柱形的，综合测试结果，决定选用直径120 mm、壁厚2 mm的不锈钢管作为滤波器外壳，既可以保证滤波器的结构强度和环境适应性，又能满足电气性能。试验表明：管式外形在屏蔽性能上的测试结果与图 3的测试结果相当，故优于长方体式外形。

以穿心陶瓷电容接地环为分界面，按其左右两侧长度加工尺寸合适的不锈钢管。将电容接地环和不锈钢管以冷焊或黏接等方式进行连接，保证滤波器外壳的电磁密封性及强度。若用焊接，则需注意陶瓷电容接地环通常距陶瓷介质芯较近，焊接热量可引起玻璃陶瓷芯受热炸裂，因此应尽可能缩短焊接时间，或选择冷焊及黏接方式进行连接。

高压电源EMI滤波器设计及加工过程应注意材料和结构的耐高压问题，须遵循高压爬电距离和电气间隙的设计规范。在滤波器接线处设计有环氧树脂伞裙，使爬电距离不低于220 mm，如图 4所示。因为大部分常用的绝缘材料都有远高于空气的抗击穿强度，如环氧树脂、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶和石蜡等，所以在滤波器内部应尽可能使用绝缘材料的衬垫或衬套等，以阻断间隙放电或爬电。

在运输和安装过程中会有不同程度的振动，为保障高压滤波器的机械稳定性，在高风险区，如结构拐角处、螺纹连接处等，应利用石蜡进行局部灌封。石蜡灌封后可降低高压电源EMI滤波器内部高压放电和击穿风险，且在需要维修时只需将局部石蜡熔化。高压电源EMI滤波器长、宽、高分别为1 268、486、120 mm，重约35 kg。

3 高压电源EMI滤波器整体测试及安装

运行效果为保证高压电源EMI滤波器正式安装后的运行安全及屏蔽效果，加工完成的滤波器在安装前需进行一系列测试，包括耐压测试、局放测试、过电流能力测试和插入损耗测试等。常规耐压测试按2个等级进行，分别为10 kV、5 min负荷试验和30 kV、1 min试验，并在耐压测试过程中记录高压电源EMI滤波器的漏电流。漏电流在10 kV测试电压下超过35 mA或局放超过50 pC的高压电源EMI滤波器为不合格产品，不予使用。

此外，为检验滤波器抗雷击和浪涌电压性能，随机对个别滤波器进行75 kV高压浪涌测试。经75 kV高压浪涌测试的样品不再作为正式品安装使用。

高压电源EMI滤波器中心导体为3段直径为12 mm的铜棒，连接处采用螺纹互联，并涂敷导电胶。为检验滤波器中心导体在组装过程中的电连接性能，需要测试其电阻值。由于中心导体电阻极小，直接测量滤波器的电阻误差很大，故试验中测试滤波器的过电流能力。在额定电流下测试滤波器两端电压降，结果表明：当使用工频为50 Hz，电流为100 A时，电压约0.88 V。由此可推断安装高压电源EMI滤波器后，两端的电压仅为额定电压的0.01%以下。

滤波器的插入损耗是滤波器实现屏蔽效能的重要指标。为测试高压电源EMI滤波器的插入损耗，设计并加工了高压电源EMI滤波器插入损耗测试的测试夹具。测试夹具由屏蔽罐、同轴接头和弹性探针等组成。测试时，将2个测试夹具固定在滤波器两端，并用铜纱网对法兰进行电磁密封，插入损耗测试原理与测试场景如图 5所示。因单个测试夹具的屏蔽效可达到60 dB以上，则从滤波器输出到输入网络分析仪的接收端的的总信号旁路衰减应不小于120 dB，从而保证从测试夹具泄漏的信号不影响高压滤波器插入损耗的测试结果。

插入损耗测试需使用动态范围在90 dB以上的网络分析仪进行测量。网络分析仪开机校准后，应先将信号输出端与输入端直连，在网络分析仪显示各频率读数为0 dB，即插入损耗为0 dB后将高压电源EMI滤波器接入测试系统中。测试结果表明：高压电源EMI滤波器的插入损耗大于90 dB。

高压电源EMI滤波器通过各项测试后可进行变电站外壳安装，在确认高压电源EMI滤波器和线路绝缘性能后，对滤波器进行通电，待滤波器正常工作后，对变电站机房进行屏蔽效能测试。结果表明：机房屏蔽效能大于100 dB，满足FAST运行要求，如图 6所示。此外，高压电源EMI滤波器对高压供电系统的高次谐波也有一定的抑制作用，可提高FAST供电质量。

4 结论

玻璃陶瓷介质高压电容具有体积小、介电常数大、局放小、寿命长和性能稳定等优点，其综合性能远高于烧结型陶瓷电容和有机薄膜电容。穿心形式的玻璃陶瓷高压电容是最理想的高压电源EMI滤波器旁路电容，与多组磁环搭配组成的单级Π型滤波器的屏蔽效能可大于100 dB(3G以下测试频率)。高压电源EMI滤波器采用直径10 cm的不锈钢管作为主体外壳，由冷加工工艺组装而成，并在结合部位利用石蜡进行局部灌封，具有抗腐蚀、结构稳定性好、加工维护方便等特点。滤波器插入损耗测试数据表明：圆柱结构外形比长方体式外形更利于实现全波段电磁屏蔽。经过多种严格测试，结果表明，选用基于陶瓷电容的高压电源EMI滤波器是解决高压供电设施电磁兼容问题的优先选项。