電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)及對策

張曉東

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

1 電磁兼容 (EMC)

隨著技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量、種類與日俱增，性能也不斷提高，向高頻率、寬頻帶、高集成度、高可靠性、高精度和高靈敏度方向發(fā)展。繼電保護(hù)和控制裝置大多為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，并趨于小型緊湊化、智能集成化、功率降低化、功能一體化，對其抗干擾性能提出了新的挑戰(zhàn)，電磁干擾問題越來越復(fù)雜，已成為影響電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置正常工作的關(guān)鍵技術(shù)之一［1，2］。

電磁兼容的研究對象是電磁干擾。國際電工技術(shù)委員會對電磁兼容的定義是在不損害信號所含信息的條件下，信號和干擾能夠共存的能力?？衫斫鉃檠b置或系統(tǒng)在其預(yù)定的場所運(yùn)行時，具有不受周圍電磁環(huán)境影響、不影響周圍環(huán)境、不發(fā)生性能惡化和誤動作，能按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力。

2 電快速瞬變脈沖群 (EFT)干擾

電快速瞬變脈沖群簡稱EFT，脈沖群持續(xù)時間為15 ms，脈沖群間隔為300 ms，單脈沖寬度為50 ns，脈沖上升沿為 5 ns，脈沖重復(fù)率為2.5 kHz［3，4］。

開關(guān)斷開電感負(fù)載時產(chǎn)生反電勢。反電勢向寄生電容充電，隨著充電電壓的升高，開關(guān)斷開處出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，共用此電源的其它電路或裝置將受到該脈沖電壓的影響，這就是EFT形成的原因。

EFT的特點(diǎn):脈沖成群出現(xiàn)，重復(fù)頻率高，單個脈沖的上升時間短暫、能量較小，一般不會造成設(shè)備損壞，但脈沖群會對裝置中半導(dǎo)體器件結(jié)電容充電，當(dāng)結(jié)電容能量積累到一定程度，便會引起裝置誤動作。對地電容是EFT的一個主要傳播途徑，屬共模干擾，是EMC抗擾性試驗(yàn)容易出現(xiàn)的問題。EFT電壓的大小取決于負(fù)載電路的電感、負(fù)載斷開速度和介質(zhì)的耐受能力。

3 EFT試驗(yàn)

電快速瞬變干擾發(fā)生器采用PEFT4010裝置(如圖1所示)。

被試裝置由單片機(jī)ATmega16構(gòu)成微機(jī)保護(hù)(插件式)，能同時對三相輸入電壓進(jìn)行采樣監(jiān)控，面板上的數(shù)碼管循環(huán)顯示當(dāng)前各相電壓計(jì)算值。保護(hù)電壓動作值、動作時間可整定于E2PROM中。保護(hù)動作后啟動面板上的信號燈并作用于繼電器出口，提供4付接點(diǎn)輸出。

圖1 試驗(yàn)儀器

在被試裝置的以下3個回路中分別加入最高幅值為4 kV的EFT;電源輸入回路;交流電壓輸入回路;繼電器的開關(guān)量輸出回路［3］。

每次試驗(yàn)過程出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象:面板上數(shù)碼管出現(xiàn)亂碼、信號燈無規(guī)律閃動;繼電器發(fā)出誤動作的聲音;試驗(yàn)后裝置的整定值發(fā)生改變。

4 抗擾對策

4.1 對策Ⅰ

插件內(nèi)無抗干擾的元器件，其電源回路、電壓濾波回路、繼電器輸出回路設(shè)置在PCB板上，而主芯片ATmega16、數(shù)碼管、信號燈、按鍵等設(shè)置在面板上部，面板和底板之間采用長15 cm的扁平電纜數(shù)據(jù)線跳接。直流電源輸入、交流電壓輸入、繼電器的輸出設(shè)置在面板下方的鳳凰端子上。

a． 電源輸入回路

220 V直流電源直接連接到插件上逆變電源模塊，插件背面電源走線長達(dá)24 cm(如圖2所示)。

為了將EFT抑制在印制板外，可在電源回路的開始端繞接一長3 cm、外徑1.5 cm，內(nèi)徑1 cm的鐵氧體磁環(huán)，繞線匝數(shù)定為3匝。磁環(huán)內(nèi)外徑差越大、軸向越長、磁環(huán)內(nèi)徑越抱緊導(dǎo)線，其高頻阻抗就越大。磁環(huán)上繞線匝數(shù)不宜過多，否則會在繞線間形成寄生電容，導(dǎo)致高頻阻抗降低，有利于干擾竄入。

圖2 電源走線

b． 交流輸入回路

交流電壓經(jīng)過面板的鳳凰端子直接進(jìn)入印制板上的小型電壓互感器，接著就是常規(guī)低通濾波，最后輸入單片機(jī)ATmega16的PA口?？稍陔妷夯ジ衅髟叢⒔?個高頻電容、串接1個電感線圈來抑制EFT干擾。

c． 開關(guān)量輸出回路

EFT會從繼電器輸出接點(diǎn)耦合到線圈側(cè)，從而進(jìn)入插件的弱電回路，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯而誤動作。因此，可在繼電器線圈側(cè) (24 V)處加裝磁環(huán)和去耦電容。

d． 采用軟件技術(shù)

經(jīng)過試驗(yàn)，如果將該裝置的軟件加入短延時間25 ms再動作出口，也可躲過EFT干擾的影響，但該方法對本快速保護(hù)是不允許的，不予采用。

整改后抗擾效果非常好，但3個回路異?，F(xiàn)象偶有出現(xiàn)。

4.2 對策Ⅱ

a． 空間輻射干擾波形

EFT含有極豐富的高頻成分，試驗(yàn)時幅值高達(dá)4 kV，空間輻射能量較大。將PEFT4010裝置的干擾信號輸出端水平引出1 m，拉直后放置于離參考地平面10 cm的木塊上，輸出4 kV(2.5 kHz)干擾脈沖，用示波器記錄導(dǎo)線頂端水平5 cm處，空間輻射對地電壓高達(dá)77.6 V，波形如圖3所示。

圖3 導(dǎo)線的輻射電壓波形

b． 插件內(nèi)部輻射干擾波形

直流220 V電源回路加入4 kV的EFT，位于插件中間的扁平電纜接口處，空間輻射對地電壓高達(dá)127.0 V，波形如圖4所示。

圖4 插件中間的輻射電壓波形

c． 空間干擾的整改

圖3、圖4表明EFT干擾的空間輻射能量很大，對扁平電纜數(shù)據(jù)線有很大的干擾。對元器件布置重新設(shè)計(jì)，將原扁平電纜數(shù)據(jù)線 (如圖5所示)的接口向面板靠攏，縮短其長度，同時將扁平電纜及面板上的單片機(jī)回路用金屬擋板屏蔽并接地(如圖6所示)。最后將整個插件外部加裝1塊屏蔽金屬殼，并接地 (如圖7所示)。

整改后屏蔽金屬框內(nèi)扁平電纜 (長度為5 cm)處的空間輻射對地電壓高達(dá)40.8 V，波形如圖8所示。插件外再加金屬外殼并接地，扁平電纜處的空間輻射對地電壓高達(dá)24.0 V，波形如圖9所示。

圖9 加屏蔽外殼的輻射電壓波形

經(jīng)多次試驗(yàn)證明，各回路施加4級EFT干擾［5］，被試插件加入90%動作值交流量電壓時不誤動，加入110%動作值交流量電壓時不拒動。試驗(yàn)過程及試驗(yàn)后，被試插件均運(yùn)行正常，試驗(yàn)結(jié)論為合格。

5 結(jié)束語

在電力系統(tǒng)中運(yùn)行的微機(jī)保護(hù)裝置面臨越來越惡劣的電磁環(huán)境，電磁兼容的研究越來越重要，逐漸成為一門新興專業(yè)。對微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)和測試十分必要，電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿于始終，這樣才能提高裝置的抗干擾性能，從而節(jié)約時間與費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)的效費(fèi)比，保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

［1］ 張運(yùn)國，翟俊玉．110 kV輸變電工程無線電干擾對環(huán)境的影響 ［J］．東北電力技術(shù)，2004，25(07):42－43．

［2］ 王 琪，牟 童，何 璐．特高壓電網(wǎng)電磁環(huán)境研究 ［J］．東北電力技術(shù)，2009，31(11):15－17．

［3］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 14598.10—2007/IEC 60255－22－4:2002．電氣繼電器 第22－4部分:量度繼電器和保護(hù)裝置的電氣騷擾試驗(yàn)——電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗(yàn)［S］．2007．

［4］ 機(jī)械工業(yè)部上海工業(yè)自動化儀表研究所．GB/T17626.4—1998．電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn) ［S］．1998．

［5］ 機(jī)械工業(yè)部上海工業(yè)自動化儀表研究．GB/T17626.1—1998．電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 抗擾度試驗(yàn)總論 ［S］．1998．