微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的抗干擾防護(hù)措施設(shè)計(jì)

陳瑤 王小進(jìn)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置以其先進(jìn)的原理及結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，保護(hù)動(dòng)作迅速、靈敏度高，可靠性強(qiáng)且能自動(dòng)記錄故障信息等顯著優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。

作為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的底層終端設(shè)備，通常安裝在現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)柜上，這就對(duì)設(shè)備的整體綜合可靠性提出了特殊的要求，特別是裝置在抗強(qiáng)電磁干擾能力、考高低溫、防塵抗腐蝕、防潮濕和抗振動(dòng)等多方面有著嚴(yán)格的要求，要求設(shè)備整體水平達(dá)到免維護(hù)，這些方面也是多年來(lái)國(guó)內(nèi)裝置與國(guó)外同類裝置的主要差距所在，它不僅受到裝置本身軟硬件水平的影響，而且是涉及到有關(guān)工藝水平、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元器件質(zhì)量等多方面因素的綜合技術(shù)難題。

1 干擾分析及后果

干擾就是除有用信號(hào)以外的所有可能對(duì)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的正常工作造成不利影響的裝置內(nèi)部或外部的電磁信號(hào)。干擾的傳播途徑如圖1所示，干擾源產(chǎn)生的干擾通過(guò)耦合途徑對(duì)接收電路形成干擾。干擾源、耦合途徑、接收電路被稱為干擾的三要素。

圖1 干擾的三要素

干擾產(chǎn)生于干擾源，國(guó)內(nèi)外大量研究表明，干擾主要是由端子排從外界引入的浪涌電壓和裝置內(nèi)部繼電器切換等原因造成的。前者稱為外部干擾，后者稱為內(nèi)部干擾。外部干擾是指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)而由使用條件和外部環(huán)境因素所決定的干擾，主要有由其它物體或設(shè)備輻射的電磁波、產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)以及來(lái)自電源的工頻干擾等；內(nèi)部干擾是指由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、元件布局和生產(chǎn)工藝等決定的干擾，主要有雜散電感和電容結(jié)合引起的不同信號(hào)感應(yīng)、長(zhǎng)線傳輸造成的電磁波反射以及多點(diǎn)接地造成的電位差干擾等。干擾從型式上又可分為橫模干擾和共模干擾，一般情況下，上述兩種干擾同時(shí)存在。干擾通過(guò)耦合途徑對(duì)正常電路起作用，表現(xiàn)為場(chǎng)干擾和路干擾，具體有靜電耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和電磁場(chǎng)輻射耦合等四種耦合方式。對(duì)微機(jī)保護(hù)來(lái)說(shuō)，整個(gè)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置就是干擾的接收電路。

干擾對(duì)微機(jī)保護(hù)的后果主要表現(xiàn)為由于數(shù)據(jù)或地址的傳遞出錯(cuò)而導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)或程序出格。在程序出格后 CPU將執(zhí)行一系列非預(yù)期的指令，其最終結(jié)果不是碰到一條 CPU不認(rèn)識(shí)的指令操作碼而停止工作，就是進(jìn)入某一種非預(yù)期的死循環(huán)。程序出格后 CPU停止了執(zhí)行保護(hù)的任務(wù)，如不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，則在被保護(hù)對(duì)象發(fā)生故障時(shí)就將拒絕動(dòng)作。

干擾的另一種可能后果是導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，例如從電流互感器或電壓互感器二次引入的浪涌造成錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)而使保護(hù)誤動(dòng)。嚴(yán)重的干擾還可能造成元件損壞。

對(duì)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置來(lái)說(shuō)，要提高系統(tǒng)的可靠性，就是采取相應(yīng)的抗干擾防護(hù)措施消除或降低干擾帶來(lái)的危害。下面從硬件和軟件兩方面列出微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置抗干擾所采取的防護(hù)措施。

2 裝置硬件方面的抗干擾措施

硬件通常抑制干擾的措施包括三方面的內(nèi)容：一方面是積極地防范電磁干擾的措施，即抑制干擾源；另一方面是消極防電磁干擾措施，即阻斷干擾途徑；再一方面是預(yù)防性抑制電磁干擾的措施，即降低受干擾裝置的噪聲敏感度。微機(jī)保護(hù)研究的重點(diǎn)是“阻斷干擾途徑”及提高微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的抗干擾水平。

通常，微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置在硬件設(shè)計(jì)上采用以下抗干擾措施：

a) 阻塞耦合通道

電源濾波、旁路/退耦電容、輔助變流器/變壓器電屏蔽、光電隔離、弱電系統(tǒng)浮地、強(qiáng)弱電信號(hào)走線分離、磁屏蔽、單點(diǎn)接地、雙絞線、PCB板內(nèi)合理分塊布線等措施；

b) 提高敏感設(shè)備的電磁敏感度

去耦電容、多層印制板、電磁波屏蔽、邏輯與5 V系統(tǒng)總線不外引，各CPU間通訊采用雙絞線等措施；

下面給出了本裝置機(jī)箱及對(duì)外引線端子所采取的屏蔽及隔離措施：

1）機(jī)箱：用防銹鋁板，采用 2.5 mm 的薄板，成形后再作導(dǎo)電氧化處理。機(jī)箱前后兩面開口，其余各面用型材料螺釘安裝而成，組裝容易，接縫嚴(yán)密，可防止孔縫泄漏，接地良好，裝置就能順利通過(guò)靜電放電干擾試驗(yàn)和工頻磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)。

2）電源：從干擾源入手－－抑制開關(guān)電源內(nèi)部噪聲；從干擾傳輸途徑入手－－在開關(guān)電源輸入端口的濾波；從敏感設(shè)備入手－－在弱電回路設(shè)置濾波；從減少5 V，5 VGND的長(zhǎng)度及其環(huán)路面積入手－－采用分布電源。

3）開關(guān)量輸入、輸出回路：

① 慎重選取光耦器件；設(shè)計(jì)印制板時(shí)，一定要樹立“光耦器件是一個(gè)比較敏感的器件”的概念；電路中設(shè)置 EMI器件，以提高共?；芈返淖杩箒?lái)抑制干擾；

② 依靠軟件延時(shí)、連續(xù)多次讀取開關(guān)量輸入來(lái)確認(rèn)開關(guān)量狀態(tài)。

4）交流回路：減小輔助變流器/變壓器原、副邊的耦合電容；增加共模騷擾回路的阻抗。

5）各電路印制板與主板之間安裝和取出方便，印制板的屏蔽和間距良好地解決了電磁干擾問(wèn)題。

3 裝置軟件方面的抗干擾措施

采用硬件抗干擾措施可大大提高裝置的可靠性。一旦干擾突破了由硬件組成的防線，可由軟件進(jìn)行糾正，以防造成微機(jī)工作出錯(cuò)，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)。微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置在軟件方面采取了以下抗干擾措施：

① 系統(tǒng)自檢程序可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，自檢程序可對(duì)內(nèi)部 RAM、FLASH ROM、I/O通道、傳感器等進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷，這樣就能了解系統(tǒng)各個(gè)器件的運(yùn)行狀況，進(jìn)行及時(shí)有效的維護(hù)，并可避免因器件原因使系統(tǒng)受干擾而不能工作的情況；

② 對(duì)開關(guān)量的采集采用多次采集進(jìn)行表決，才確認(rèn)開關(guān)變位；對(duì)故障采用連續(xù)多次的確認(rèn)方法；

③ 采用數(shù)字濾波可以克服計(jì)量算法的分散性，如電壓、電流的計(jì)算采用了滑動(dòng)平均濾波的方法，有效地消除了瞬時(shí)干擾的影響；

④ 程序每次上電初始化時(shí)，均對(duì)整定值進(jìn)行校驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則啟用備份數(shù)據(jù)；

⑤ 程序中設(shè)計(jì)了自檢程序，可通過(guò)人機(jī)接口測(cè)試?yán)^電器、指示燈、校驗(yàn) RAM、校驗(yàn)定值、A/D通道等；

⑥ 軟件采用數(shù)據(jù)冗余及看門狗等技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

4 微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的抗擾度要求

4.1 裝置各個(gè)端口電磁兼容要求

GB/T 7261-2000及IEC 60255-26提案規(guī)定了量度繼電器和保護(hù)裝置各個(gè)端口的電磁發(fā)射及抗擾度的試驗(yàn)項(xiàng)目及水平。發(fā)射試驗(yàn)規(guī)定了機(jī)箱外殼端口及電源端口產(chǎn)生的電磁騷擾不得超過(guò)影響到其它裝置正常工作的限值，抗擾度試驗(yàn)考核了連續(xù)的瞬態(tài)傳導(dǎo)性騷擾、靜電放電及輻射騷擾對(duì)量度繼電器和保護(hù)裝置影響情況。具體的抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。幾種瞬態(tài)干擾比較見(jiàn)表2。

表1 各個(gè)端口對(duì)應(yīng)的抗擾度試驗(yàn)

表2 幾種瞬態(tài)干擾比較

4.2 幾種瞬變騷擾分析、比較

裝置電磁兼容試驗(yàn)包括：靜電放電(ESD)干擾試驗(yàn)、輻射電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)、1 MHz和100 kHz衰減振蕩波干擾試驗(yàn)、浪涌(沖擊)干擾試驗(yàn)、快速瞬變脈沖群干擾試驗(yàn)。

GB/T 7261-2000和GB/T 17626.X (idt IEC 61000-4-X)抗擾度試驗(yàn)中有相當(dāng)數(shù)量是傳導(dǎo)性瞬變騷擾干擾。瞬變騷擾的起因是多種多樣，如開關(guān)動(dòng)作、電網(wǎng)故障、自然現(xiàn)象等。由于電子設(shè)備發(fā)展趨向于數(shù)字系統(tǒng)，使得瞬變騷擾試驗(yàn)顯得尤其重要。描述瞬變騷擾的重要特征：a)干擾是單方向的，還是振蕩的瞬變；b)干擾幅度及持續(xù)時(shí)間；c)振蕩瞬變的衰減系數(shù)；d)脈沖強(qiáng)度或能量；e)上升時(shí)間(或最大電壓梯度dv/dt)；f)干擾的重復(fù)率。

此外，瞬變騷擾對(duì)敏感設(shè)備的作用的方式：共模瞬變干擾、差模瞬變干擾。

表2給出了靜電放電ESD，1 MHz衰減振蕩波、電快速瞬變EFT、浪涌四種典型的瞬變騷擾信號(hào)的特性比較。

瞬變騷擾的快速上升沿是破壞電路工作的最主要因素，因?yàn)樗鼈冊(cè)趥鬏斶^(guò)程中衰減最小，并在感性地線和信號(hào)線中產(chǎn)生較大的電壓。對(duì)數(shù)字電路影響較大。電源回路瞬態(tài)包括差模及共模兩種形式。差模尖峰電壓往往有較慢的上升時(shí)間和較高的能量，為了防止輸入電路損壞，需要采取抑制措施。而抑制共模瞬態(tài)更困難一些。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從干擾三要素的分析著手綜合采取各種軟硬件抗干擾措施消除或降低干擾帶來(lái)的危害，使微機(jī)保護(hù)運(yùn)行更合理、更安全。相應(yīng)的措施使微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)了國(guó)家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式試驗(yàn)，取得了電磁兼容檢驗(yàn)證書。

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