防止電子互感器通訊信號衰弱的措施

作者/王燕、馬學梅、俎春紅、王洪磊，國網山東省電力公司商河縣供電公司

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防止電子互感器通訊信號衰弱的措施

作者/王燕、馬學梅、俎春紅、王洪磊，國網山東省電力公司商河縣供電公司

文章摘要：電子式互感器是一種直接運行在高壓導線上的電子設備，接收的電磁干擾強度超過了其它任何電子設備，能夠抗御強電磁干擾并穩(wěn)定工作，己成為衡量產品可靠性最主要的指標，防護電磁干擾的方法也成為電子式互感器核心技術之一。本文通過分析電磁干擾對通訊信號的影響，提出了相應的保護措施。

關鍵詞：電子互感器 抗干擾 措施

前言

電子式互感器較傳統(tǒng)互感器增加了合并器、交換機等通信環(huán)節(jié)，總線式通信線路簡化了大量并行接線，但同時又將多重信息“系于一線”，通信系統(tǒng)的任何差錯都會造成繼電保護體系的故障。此外電子式互感器的微電子器件(采集器)被前移至戶外環(huán)境的高壓線、隔離開關、斷路器等強干擾源附近，這是前所未有的工業(yè)技術嘗試。目前，電磁兼容試驗標準滯后，產品的電磁干擾防護措施缺失，導致采集器功能失效和信號畸變，是電子式互感器應用面臨的最主要的問題之一。因此還需要加強對電子互感器通訊信號抗干擾措施的研究。

1.電子互感器信號干擾強度分級

■1.1測量誤差級干擾

在外電磁場的干擾作用下，測量電路仍能正常進行模數轉換操作，但測量結果產生誤差，這種干擾能量?。ㄐ∮诨虻扔谛盘枒C度），僅影響信號的準確度，所以歸類為誤差級干擾。這種較輕微的干擾，一般是由被測導線附近的其他導線的電磁場疊加引起的干擾作用，但外干擾作用消失后，誤差也自動消失。

■1.2程序錯亂級干擾

在外電磁場的干擾作用下，器件無損壞，仍在工作狀態(tài)，但邏輯器件間歇性的復位和程序飛出，致使測量數據不連續(xù)、摻雜隨機數，這是一種較為嚴重的程序故障級干擾，一般是由于外電磁干擾產生的電壓波動已經接近或達到邏輯電平（數伏電壓），足以引起邏輯器件內門電路的反轉和時序錯亂。在大多數應用中，僅在線路有開關操作時，電弧產生的強輻射干擾會在短時間內( 300-1000ms)導致程序故障，開關操作完成后，此類故障可自行恢復，作為互感器的數據采集器，經歷這種正常-錯亂-正常的循環(huán)過程也被認為是一種故障狀態(tài)[1]。

■1.3器件損壞級干擾

在外電磁場作用下，較強的干擾能量進入電路，產生超出器件安全限制的過電壓，導致電子器件被永久性擊穿失效，這種最嚴重的干擾也往往源于開關操作連帶的系列干擾效應。此種情況最容易發(fā)生在封閉式組合電器中，強烈的拉弧過程會產生上萬伏的暫態(tài)電位突變，其突然性相當于一個“電磁爆炸”，事件往往發(fā)生在隔離開關操作時，預防這種干擾的方法也是目前電子式互感器應用中需要深入的課題。

2.電子式互感器影響信號強度的途徑

■2.1信號線進入

由信號線進入采集電路的所有非測量信號都被定義為干擾信號，經由信號線進入的干擾可能有三種原因：其一是傳感器本身接收的干擾，由于傳感器是緊靠一次導體的部件，一次操作引起的電流、電壓的突變都會激發(fā)環(huán)周電磁場的突變，傳感器感測到高于圖1電磁干擾進入采集電路的途徑1kHz的信號，無論對計量還是保護都是無用的，應歸類于干擾信號；其二是較長的傳輸線可能接收到的空間電磁輻射干擾：其三是傳感器與采集器所安裝的殼體位置之間的電位差引起的一種干擾[2]。

圖1　電磁干擾進入采集電路的途徑

■2.2輻射進入

空間電磁波可以通過電路盒的插接端口、縫隙進入采集器箱內，直接干擾電子器件的工作，這種干擾已經無法區(qū)別是差模還是共模形式，已經進入電路盒的射頻干擾，無法采用濾波等方法進行有效的治理，所以對輻射干擾最有效的防護手段就是依靠金屬殼體的屏蔽作用，封堵或者削弱輻射波的進入。

■2.3電源線進入

通過電源線進入的干擾有可能來自以下兩個方面。

1）電源系統(tǒng)自身干擾：在普遍采用直流供電的條件下，由于掛接在同一電源上的其他電器帶電操動機構會導致諧波、脈沖群、間歇振蕩、浪涌等形式的干擾，這些干擾類型一般可以采用常規(guī)的EMC電源連接器進行防護。

2）裸露引線接收的強電磁干擾。采集電路的電源引線往往有數十乃至上百米長線布設在現(xiàn)場，如果引線沒有恰當的屏蔽措施，也會成為接收天線，據現(xiàn)場試驗，一個500kV隔離開關操作，強烈的電磁輻射在數米范圍產生lkUm量級的電場感應強度，在裸露的長引線上會感應數千伏電壓，嚴重的甚至會導致附近的電磁式繼電器動作，電源線接收的輻射干擾往往強于信號線，其原因在于電源布線的長度和人們對電源引線防護地電位引線措施重要性認識的不足，采用帶屏蔽層或穿金屬管電纜、有效接地等措施可防護此類干擾。

3.電子式互感器信號抗干擾的綜合防護

■3.1殼體屏蔽措施

1）電導率和磁導率：選用較高的電導率和磁導率材料可以提高屏蔽效果，當兩者不可兼得時，可采用兩層材料屏蔽，一層良導電材料加一層良導磁材料。測量線圈不可用導磁材料做外屏蔽，屏蔽殼不可形成閉合短路環(huán)。

2）厚度和層數：原則上厚板比薄板效果好，在總厚度不變條件下，將一層分成相互隔離的兩層，屏蔽效果優(yōu)于單層，這是由于除了殼體的衰減吸收作用外，還增加了一次反射作用。

3）殼體大小：殼體宜小不宜大，尺寸越大，殼體上感應電位差越大，內空間會有再生電磁波，當電子電路體積較大時，宜將大空間分隔成若干個小空間。

4）閉合性：殼體要求盡量閉合無縫，避免直通的孔洞和縫隙，以減弱“哨”效應。對必不可少的插接口，應采用包封、拐彎的結構，避免直通。

■3.2信號線的EMI防護

（1）屏蔽雙絞線

信號電纜帶有良好屏蔽包層，所起的作用與上述殼體屏蔽相同，屏蔽包層內的信號傳輸線采用雙絞線，雙絞線是指按一定節(jié)距相互纏繞的一對信號線，雙絞線可有效抑制外來電磁場感應的差模干擾，可傳輸高達100MHz帶寬的模擬或數字信號。

圖2所示為雙絞線抑制電磁干擾的原理。圖中，假定某一瞬間磁場方向向下，當磁力線穿過雙絞線的縫隙時，會在上下兩段線上感應出方向相反的電動勢，但由于一條導線在每個環(huán)節(jié)上交叉換位，所以每兩個相鄰的環(huán)節(jié)上感應的電勢是相反的，例如圖中深色線感應的節(jié)電勢en和en+1方向相反，相互兌消在輸出端的累加干擾電勢Ud=0；而平行線在各小節(jié)上感應的電勢方向相同，在輸出端累加的結果 Ud≠0。

同理，電場的作用也相似，所以雙絞線可以有效抑制差模干擾。

（2）整體電磁密封

包括傳感器、傳輸線、采集箱在內的所有模擬信號可能涉及的元器件應整體電磁密封，這種密封是指整個模擬信號傳輸系統(tǒng)采用金屬（或金屬網）層包裹，不留任何縫隙，并在適當地點接地[3]。

圖2　雙絞線消除空間電磁干擾原理

■3.3電源線的EMI防護

圖3所示為常用的電源輸入線電磁干擾防護電路，主要針對由電源線引入的差模和共模干擾，其中 X1、Y1a、Y1b為“安規(guī)”電容 X1，用于吸收差模干擾（也叫X電容），最高瞬時耐壓4kV；Y1a、Y1b用于吸收共模干擾（也叫Y電容）最高瞬時耐壓8kV；C1、C2 、C3 是普通高壓電容，與X、Y電容裝法對稱，可以補充吸收高頻共、差模干擾；L是共模抑制電感，與C3 、C2配合，濾除高頻共模干擾。這種電源濾波電路是任何一種電子設備都可通用的，它的最大防護等級：峰值電壓在3～5kV;干擾波頻率1MHz以下。對于電子式互感器，供電電源中的EMI防護組件是必不可少的，對于開關類組合電器應用，僅有以上防護是不夠的，還需要附加特殊防護措施。

圖3　電源輸入端EMI防護

4.結語

鑒于電磁干擾對電子互感器通訊信號的影響較大，以及電磁干擾的特殊性和嚴重性，電子式互感器在應用中如何進行EMI防護是一個全新的課題，其是電子式互感器的核心技術之一，互感器的安全性、穩(wěn)定性在很大程度上取決于電磁防護的技術水平，因此還需要在今后進一步加強研究。

【參考文獻】

＊[1]許靈潔,李航康,周琦,張衛(wèi)華.電子式互感器的現(xiàn)場誤差試驗及問題分析[J].浙江電力.2013(11).

＊[2]許韋華,鮑海,楊以涵,魏孝銘.壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制.2014(10).

＊[3]楊玲君,周冬旭,徐志超.電容分壓型電子電壓互感器的特性研究[J].電力自動化設備.2013(08).