載波衰減隔離器在電力線載波集抄系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李榮幸 梁秋虹

（新開普電子股份有限公司，河南 鄭州 45500000011）

1 同頻干擾的定義和來源

新開普窄帶電力線載波模塊的中心頻點(diǎn)為48kHz，帶寬±2kHz。如果使用新開普載波模塊的電網(wǎng)環(huán)境中存在頻段在46～48kHz的干擾信號，且該干擾信號的幅值超過了載波模塊正常接收信號的容限，該干擾信號就稱為同頻干擾。同頻干擾的存在，將嚴(yán)重影響載波信號的發(fā)送和接收，表現(xiàn)在抄表層面，就是抄到率嚴(yán)重下降。

使用載波綜合抄控器或其他頻譜分析設(shè)備，在電網(wǎng)中進(jìn)行測量，可以清晰地定位該故障現(xiàn)象，并可分析出干擾源的具體頻點(diǎn)和幅值。然后通過工程排查，進(jìn)一步找到干擾源—發(fā)出該干擾信號的設(shè)備。根據(jù)國家和行業(yè)的相關(guān)規(guī)定，這個干擾源的EMC肯定是超標(biāo)的，是不允許生產(chǎn)、銷售和使用的，最好的解決方法是拆除該干擾源。如果由于各種原因無法拆除，就要針對該設(shè)備的特點(diǎn)考慮加裝隔離器，達(dá)到抑制或隔離干擾信號的目的，使有用的載波信號能夠正常收發(fā)，提高抄到率。

2 載波衰減隔離器的理論分析

載波衰減隔離器理論上是一個多階的LC低通濾波器。LC濾波器也稱為無源濾波器，是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置。LC濾波器之所以稱為無源濾波器，顧名思義，就是該裝置不需要額外提供電源［1］。LC濾波器一般是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?；LC濾波器按照功能分為LC低通濾波器、LC帶通濾波器、高通濾波器、LC全通濾波器、LC帶阻濾波器。

按調(diào)諧又分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器及三調(diào)諧濾波器等幾種。LC濾波器設(shè)計(jì)流程主要考慮其諧振頻率及電容器耐壓和電抗器耐流。在電子線路中，電感線圈對交流有限流作用，由電感的感抗公式XL=2πfL可知，電感L越大，頻率f越高，感抗就越大。因此電感線圈有通低頻、阻高頻的作用，這就是電感的濾波原理。由電容的容抗公式XC=1/2πfc可知，電容c越大，頻率f越高，容抗就越小。因此電容有通高頻、阻低頻的作用，這就是電容的濾波原理。電感與電容組合，就形成了最常見的LC濾波電路［2］。各種隔離或衰減電路的原理實(shí)際是L、c元件基本特性的組合利用。因?yàn)殡娙萜鞯娜菘筙C=1/2πfc會隨信號頻率升高而變小，而電感器的感抗XL=2πfL會隨信號頻率升高而增大，如果把電容、電感進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)應(yīng)用，它們組合的阻抗也會隨信號頻率不同而發(fā)生很大的變化。這表明，不同濾波電路會對某種頻率信號呈現(xiàn)很小或很大的電抗，以致能讓該頻率信號順利通過或阻礙它通過，從而起到選取某種頻率信號和濾除某種頻率信號的作用［3］。

以圖1所示的濾波電路來說，當(dāng)有信號從左至右傳輸時，L對低頻信號阻礙小，對高頻信號阻礙大；C則對低頻信號衰減小，對高頻信號衰減大。因此該濾波電路容易通過低頻信號，稱為低通濾波電路。其特點(diǎn)可用圖2中的幅頻特性曲線表示。

圖1 LC濾波電路

圖2 LC濾波電路幅頻特性

3 載波衰減隔離器的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 載波衰減隔離器的應(yīng)用要求

載波衰減隔離器要求通過的是低頻的交流220V/50Hz，需要濾掉或衰減的是高頻干擾信號。考慮到電網(wǎng)的復(fù)雜環(huán)境，必須滿足三點(diǎn)要求：一是能夠?qū)Ω蓴_信號有效隔離或抑制；二是不能對產(chǎn)生干擾源設(shè)備的正常工作造成影響；三是長期工作穩(wěn)定可靠［4］。

3.2 載波衰減隔離器的原理分析

載波衰減隔離器的原理圖，如圖3所示，為3階LC濾波電路。L2、C2、L6構(gòu)成第一級，L3、C3、L7構(gòu)成第二級，L4、C6、L8構(gòu)成第三級。電感為470uH工字電感，骨架為0912，最大電流DC1A；電容為0.47uF/275V安規(guī)電容。

圖3 S201003型隔離器原理圖

根據(jù)公式XL=2πfL可計(jì)算單個電感在48kHz下的阻抗為：XL=2πfL=2*3.14*48kHz*470uH=141.677Ω；單個電容阻抗為 XC=1/2XL=2πfL=2*3.14*48kHz*0.47uF*10-1=6.803Ω；因此一級LC濾波電路對48kHz的衰減倍數(shù)約為2*XL/XC=2*141.677/6.803=41.65倍，三級LC濾波電路對48kHz的衰減倍數(shù)約為41.65*41.65*41.65=72251倍，約為97DB。同時可計(jì)算出該濾波電路對交流220V/50Hz幾乎沒有衰減。

由以上計(jì)算可知，S201003型隔離器對48kHz的干擾信號有高達(dá)97DB的衰減，而絲毫不影響交流供電，既滿足了對干擾信號的抑制要求，又能夠?yàn)樵O(shè)備提供持續(xù)的供電［5］。

4 載波衰減隔離器安全設(shè)計(jì)

4.1 過流保護(hù)

載波衰減隔離器為應(yīng)對復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境，在進(jìn)線端設(shè)計(jì)有慢斷型的保險(xiǎn)管F1、F2，在被隔離設(shè)備出現(xiàn)短路過流故障時，可以有效地切斷電源，防止事故擴(kuò)大，減少損失。

4.2 雷擊浪涌保護(hù)

載波衰減隔離器在進(jìn)線端設(shè)計(jì)有壓敏電阻RV1，在電網(wǎng)出現(xiàn)雷擊浪涌強(qiáng)干擾時，能夠?qū)㈦妷呵段辉诎踩秶鷥?nèi)，同時電流變大，保險(xiǎn)管動作斷開，保護(hù)了自身和所隔離的設(shè)備。

4.3 外殼安全設(shè)計(jì)

載波衰減隔離器的外殼采用絕緣、阻燃、防紫外線的環(huán)保材料，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，體積小，安裝方式可靠，安裝位置靈活，能夠長期工作在惡劣的環(huán)境中。

4.4 工作指示設(shè)計(jì)

載波衰減隔離器設(shè)計(jì)有紅色工作指示燈D1，清晰指示工作狀態(tài)。

5 載波衰減隔離器的接線示意

圖4 接線示意

6 結(jié)語

根據(jù)本文設(shè)計(jì)出的載波衰減隔離器已經(jīng)在多個電力線載波集抄現(xiàn)場應(yīng)用，有效地抑制了同頻干擾，提高了電力線載波通信的信道質(zhì)量，抄到率達(dá)到國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，長期工作穩(wěn)定可靠，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

［1］王勇，盧中華.窄帶LC帶通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子對抗，2011，34（4）：115-117.

［2］楊麗，馬健，陳輝.波窄帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字通信，2011，38（4）：85-87.

［3］王冬梅.窄帶帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（15）：113-114.

［4］秦曾煌.電工學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［5］呂仲瑜，孟力，李璐.低壓電力線載波通信中的抗干擾問題［J］.電測與儀表，2003，40（6）：36-39.