塑殼斷路器智能測試系統(tǒng)的電磁兼容性研究

廖志闖 程武山 張鵬舉

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.美鉆能源科技(上海)有限公司,上海 201900)

我國電力行業(yè)對低壓電器的需求量與日俱增，對其質(zhì)量的要求也正逐步提高。目前，低壓斷路器測試系統(tǒng)正朝著自動化、智能化、節(jié)能化蓬勃發(fā)展[1]。在設(shè)計開發(fā)的塑殼斷路器智能測試系統(tǒng)中，有各類傳感器(如磁柵傳感器、激光傳感器及扭矩傳感器等)輸入和控制信號脈沖(控制電磁閥及步進(jìn)脈沖等)輸出，因此，電磁兼容性是智能測試系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行的一個重要內(nèi)容。

要解決該智能測試系統(tǒng)中出現(xiàn)的電磁兼容性問題，就必須對電磁干擾形成的3個必要條件(即干擾源、傳輸介質(zhì)和敏感接收單元)中的兩個進(jìn)行削弱或解除，比如削弱干擾源的干擾強(qiáng)度，切斷或限制噪聲干擾傳播和耦合途徑，提高敏感設(shè)備的抗干擾能力等[2]。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境，該系統(tǒng)采用的措施有接地、屏蔽及濾波等。

1 接地①

接地是為了給工作電路提供一個等電位，是抗電磁干擾的重要手段之一。接地方式有4種：單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮接地。由于該塑殼斷路器智能測試系統(tǒng)中動作元件和傳感器較多，其接地系統(tǒng)需要合理設(shè)計和布局，以減小公共接地阻抗上的干擾電壓，避免形成地環(huán)路，從而建立一個接近零電位的接地系統(tǒng)。

接地系統(tǒng)設(shè)計的基本原則是按照設(shè)備中各部分具有的電位大小進(jìn)行分類接地[3]。如圖1所示，將小功率、低電平的部分歸為一類，如扭矩傳感器，因這部分靈敏度高，易受外界干擾，需設(shè)置專門的接地線；將大功率、高電平的部分歸為一類，如大電流閉環(huán)系統(tǒng)，這部分雖然對外干擾不靈敏，但可能成為內(nèi)干擾源；將各類干擾源分為一類，稱為噪聲電路，如繼電器及接觸器等；將設(shè)備的金屬外殼安全接地，泄漏外殼吸收到的干擾信息。以上4類接地線，每類若干根，分別并聯(lián)后再接地，以減小相互耦合的影響，避免公共地阻抗引入干擾。

圖1 接地系統(tǒng)分類

2 屏蔽

屏蔽能有效地抑制空間傳播的各種電磁干擾，增強(qiáng)電磁兼容能力。屏蔽措施按機(jī)理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽。電場屏蔽通常采用高導(dǎo)電材料制成屏蔽體，以隔離經(jīng)電容性耦合傳遞的干擾。磁場屏蔽選用的材料與干擾源的頻率有關(guān)：低頻時由于導(dǎo)電材料導(dǎo)磁性能差，渦流作用小，屏蔽效能低，宜選用高導(dǎo)磁材料；高頻時由于導(dǎo)磁材料會發(fā)生嚴(yán)重的磁損耗，使導(dǎo)磁率大幅度下降，宜選用高導(dǎo)電材料。電磁屏蔽主要用于高頻，利用金屬表面的反射和金屬層內(nèi)的吸收來抑制電磁輻射，一般采用高導(dǎo)電材料[4]。

2.1 機(jī)箱的屏蔽

該智能測試系統(tǒng)中人機(jī)界面的電磁屏蔽有兩個關(guān)鍵點(diǎn)：一是保證箱體的導(dǎo)電連續(xù)性，二是不能有穿過箱體的導(dǎo)體。由于實際機(jī)箱不僅有顯示器和按鈕，還有縫隙及通風(fēng)口等，這些都會引入電磁干擾。因此，需要分別采取措施。

機(jī)箱上面難免有縫隙，即使很窄，但只要長度超過波長的1%，就能產(chǎn)生大量的電磁干擾，這就是所謂的“縫隙天線”。當(dāng)縫隙天線等于波長的50%時，電磁干擾最嚴(yán)重[5]。如圖2所示，可在機(jī)箱縫隙處添加電磁密封襯墊。常用的電磁密封襯墊有金屬網(wǎng)襯墊、導(dǎo)電橡膠、指形彈片、螺旋管襯墊和導(dǎo)電布。若縫隙處不加襯墊，也可以在縫隙結(jié)合處進(jìn)行鍍層處理，使之具有良好的導(dǎo)電性。

圖2 機(jī)箱縫隙的處理方式示意圖

箱體上面的操作按鈕(如開始、停止、復(fù)位、手動/自動按鈕)與機(jī)箱連接時往往留有一定的縫隙。在按鈕處添加一個截止波導(dǎo)管，并在按鈕與安裝面板接觸處添加一個導(dǎo)電襯墊(圖3)。截止波導(dǎo)管是一種金屬管，對電磁波而言它是一種高通濾波器。當(dāng)電磁波的頻率低于截止頻率時，電磁波不能通過波導(dǎo)管，即起到了屏蔽作用[6]。

圖3 面板按鈕處理方式示意圖

孔隙的形狀、大小、位置對屏蔽效果都有影響，設(shè)計的基本原則是盡量減小孔隙對屏蔽體磁阻的影響[7]。實際操作中，應(yīng)盡量減小垂直于磁場方向孔隙的尺寸?？紫对叫。椛涓蓴_就越小，對于相同面積的孔縫，受輻射干擾影響的程度取決于孔徑的最大尺寸。如圖4所示，圖4b中孔的布置增加了磁通路徑的長度，使屏蔽體磁阻增加，屏蔽效果不如圖4a。

圖4 面板通風(fēng)口處理方式比較

安裝在箱體上的LCD顯示屏，由于窗口面積較大，極易造成干擾。如圖5所示，在LCD顯示屏上覆蓋一層導(dǎo)電薄膜并放置在屏蔽盒中，屏蔽盒通過電磁襯墊和接地面板連接，通過屏蔽盒的進(jìn)、出線設(shè)置穿心電容，以濾除由窗口進(jìn)入并沿引線傳播的干擾信號[8]。

圖5 LCD顯示屏防干擾處理示意圖

2.2 線的屏蔽

在該智能測試系統(tǒng)中，對具有不同功能的信號線(如扭矩傳感器信號線、I/O信號線、電源線及PPI通信線等)需做好屏蔽和隔離措施，以避免被干擾和相互干擾。

當(dāng)交變電流通過導(dǎo)線時，電磁感應(yīng)會引起導(dǎo)線截面上電流分布不均勻，越接近導(dǎo)體表面，電流密度越大，而導(dǎo)線的中心部分幾乎沒有電流通過，導(dǎo)致導(dǎo)線的電阻增加，這種現(xiàn)象稱為“趨膚效應(yīng)”。趨膚效應(yīng)使傳輸線在輸送高頻(微波)信號時衰減很大、效率很低[9]。因此，傳輸線應(yīng)選擇空芯導(dǎo)線、雙絞線或者辮線，該系統(tǒng)選用雙絞線。

由于該系統(tǒng)有很多動作，比如抓取斷路器及螺釘螺母一體化擰緊等都需要傳感器的密切配合，而這些小信號傳感器在斷路器通電測試時都極易受到大電流產(chǎn)生的電磁干擾，這顯然不利于系統(tǒng)的精密控制，也無法保證測試過后斷路器的可靠性。因此，如圖6所示，傳感器信號線采用雙層屏蔽，內(nèi)層單端接地，外層雙端接地。單端接地主要抵抗低頻干擾，雙端接地抵抗低頻和高頻干擾。需要注意的是，雙端接地必須要接在同一個地電位上，否則會因地電位差造成環(huán)流，影響屏蔽效果，甚至比不接屏蔽線出現(xiàn)的后果還嚴(yán)重[10]。

圖6 電纜屏蔽方式示意圖

該系統(tǒng)是一個小型分布式控制系統(tǒng)，里面有很多根通電導(dǎo)線，線與線之間會產(chǎn)生相互干擾。此時可采用十字交叉排線。將信號線與電力線和控制線保持垂直，且電力線與控制線之間距離大于20cm。這樣，信號線與電力線產(chǎn)生的磁力線平行，也就不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而避免了線間干擾。

當(dāng)傳感器采集完信號后，為保證信號能夠準(zhǔn)確地輸送至工控機(jī)進(jìn)行分析處理，信號線通過銅塊或者夾片沿著柜體內(nèi)壁走線，以保證屏蔽線能夠360°完全接地。

若有穿過屏蔽體的低頻信號線，在信號線的端口處使用低通濾波器，濾除線上不必要的高頻成分，減小電磁輻射，同時也能防止外界的電磁通過電纜傳入設(shè)備。若穿過屏蔽體的是高頻信號線，只能采用屏蔽的方法。

3 濾波

濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾的重要單元，能切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計中有極其重要的作用。濾波器通常由電阻、電感和電容組成，一般分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器等。

3.1 濾波器的選型

由于數(shù)字電路中不僅含有大量的高次諧波，而且電磁干擾大多是高頻信號，所以在該系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計中，一般使用低通濾波器。低通濾波器按結(jié)構(gòu)分為單電容型(C型)、單電感型(L型)、LC型和CL型、T型和π型。濾波器的選擇應(yīng)滿足阻抗匹配原則(表1)，不同的源阻抗和負(fù)載阻抗應(yīng)使用不同結(jié)構(gòu)的濾波器[11]。

表1 濾波器阻抗匹配原則

注：指數(shù)k表示k個該結(jié)構(gòu)串聯(lián)。

由于該智能測試系統(tǒng)中的開關(guān)電源在工作過程中會產(chǎn)生高di/dt和高du/dt，引起浪涌電壓和尖峰電壓，形成干擾源。干擾的主要形態(tài)是差模干擾和共模干擾，這兩種干擾通常同時存在，又會互相轉(zhuǎn)換，因此，抑制電源線的傳導(dǎo)干擾通常是在電源端添加EMI濾波器。

一個基本的EMI濾波器如圖7所示，Cx1、Cx2為差模電容，Cy1、Cy2為共模電容，L為共模電感。共模電感L是在同一個磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個繞組構(gòu)成，當(dāng)共模干擾流經(jīng)兩個繞組時，產(chǎn)生的磁場同向相加，呈現(xiàn)出較大的感抗，對共模干擾有很好的抑制作用；共模電感L的差值電感和Cx1、Cx2構(gòu)成一個π型濾波器，對差模干擾有很好的抑制作用；Cy1、Cy2濾除殘留的高頻共模干擾[12]。

圖7 EMI電源濾波器

3.2 濾波器的安裝

濾波器的安裝和布線對濾波效果有直接的影響，在安裝過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[13]：

a. 濾波器應(yīng)直接與設(shè)備相連，且濾波器接地點(diǎn)與設(shè)備接地點(diǎn)間的距離盡量短。若濾波器和設(shè)備的接地點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，則濾波器的泄漏電流和噪聲電流會在流經(jīng)兩接地線的線路時，將干擾引入設(shè)備內(nèi)部。

b. 利用機(jī)箱將濾波器的輸入端和輸出端隔開。若濾波器的輸入線和輸出線距離較短，高頻干擾則可通過輸入線與輸出線之間的寄生電容直接耦合，從而旁路掉濾波器，使濾波器的高頻衰減特性變差。

c. 濾波器的輸入線和接地線應(yīng)盡量短。若輸入線較長，則未經(jīng)濾波的干擾信號會通過空間耦合的方式對設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行干擾，設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的干擾也會耦合到輸入線上，傳導(dǎo)到機(jī)箱外面，引起超標(biāo)的電磁發(fā)射。若接地線過長，則會引入感抗，會削弱濾波器的高頻衰減特性。

綜上所述，濾波器的正確安裝位置如圖8所示。

圖8 濾波器安裝位置示意圖

4 結(jié)束語

電磁干擾幾乎在所有含電子設(shè)備的系統(tǒng)中都存在，且產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜。要解決電磁兼容性問題，首先必須找到干擾源，再根據(jù)現(xiàn)場電磁干擾的種類、頻率、阻抗和使用環(huán)境采取不同的防護(hù)措施，將接地、屏蔽及濾波等手段有效結(jié)合起來，使設(shè)備在電磁環(huán)境中能夠正常工作且對周圍的其他設(shè)備不造成影響。筆者針對項目組自主研發(fā)的塑殼斷路器智能測試系統(tǒng)的電磁干擾防護(hù)措施做了一些具體的介紹，這些措施不僅適用于該系統(tǒng)，還適用于其他電子設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在某電力企業(yè)的自控系統(tǒng)中良好運(yùn)行，測試效果高效穩(wěn)定，預(yù)計每年可以為企業(yè)帶來1 000

萬元的經(jīng)濟(jì)效益。