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监控用电力仪表的电磁兼容设计与解决手段
发布时间2014-12-31   点击次数25423次

前言

电力行业常用的监控仪表与传统的电参量变送器相比逐步向智能化集成化多功能化方向发展并且在电磁兼容性能上也有很高的要求ţͣ和ţͣ试验均有相关要求设计者如何选择适当的ţͣ设计方案对产品设计的成败起到决定性作用本文就如何进行电力监控仪表的电磁兼容设计进行了综合阐述

标准解读

 判定标准

结?#29616;?#24037;业产品通用标准电力监控用电力仪表需要满足的ţ?#21360;ţͣ上?#30446;及评判等级见图.

标准解读

干扰通常分为?#20013;?#24178;扰和瞬态干扰两类如广播电台手机信号步话机等属于?#20013;?#24178;扰由于开关切换电机制动等造成电网的波动此类干扰我们称为瞬态干扰图中瞬态干扰包含浪涌ӣգңǣţ静电ţ?#27169;?#30005;快速脉冲?#28023;ţƣ?£电压暂降短时中断和电压变化?#27169;ɣУё中?#24178;扰包含传导敏感度ãӣ辐射敏感度?#21360;?/span>

评判等级?#20102;?#36848;的“性能不降低”即干扰施加后?#24067;?#26080;损害干扰施加过程中无死机复位数据掉帧或误码?#24335;?#39640;等问题好像无干扰施加到产品一样通常?#20013;?#24615;的干扰的评判等级均采用此评判等级瞬态干扰为偶然性发生且引起的电网干扰时间不长?#35797;?#26102;性能降低也就是评判等级.

?#22330;ţͣ?#35797;验项目?#26696;?#25200;实质分析

?#20445;?#28010;涌ӣգңǣţ波形?#20445;?μ󡢣/μ是一种脉冲宽度为几十个μ的脉冲是一种传导性干扰因其脉冲携带较强能量?#24066;?#35201;对所有功能端口做相应程度的防护否则会引起内部电路元件的永久性硬损伤

静电ţ?#27169;?#27874;形上升沿为?#20445;?#26159;一种脉冲宽度为几十个的脉冲因其峰值电压?#27573;?#22312;数千至上万伏故脉冲也具有一定的能量须在端口做防护由于其上升沿很陡故其携带的高频谐波很丰富可达ͣȣ所以静电在仪表所有裸露的金属部件包含端子螺钉等进行接触放电或孔缝包含̣ţ指示灯的开孔各种散热和观察孔时或分别对水平耦合板和垂直耦合板间接放电时均会在放电点?#24425;?#24418;成一个高频电场通过空间对电路进行干扰这种干扰是共模干扰因此静电设计时应注意端口保护和空间高频辐射场两方面内容 
?#24120;?#30005;快速脉冲?#28023;ţƣ?£波形上升沿为波形为数个周期脉冲串的组合能量很低干扰的性质和静电一样是共模干扰路径既包括传导也包含辐射

传导敏感度ãӣ共模干扰干扰频段从?#20445;ˣx?#21040;ͣȣ在进行项目试验时其干扰信号源至仪表的线缆长度与干扰频段?#24120;ͣx?#23545;应的波长λ的/比拟故在施加干扰电压的调制频率超过?#24120;ͣx?#26102;因趋肤效应干扰信号主要以空间辐射方式出现低于?#24120;ͣx?#26102;主要还是以传导方式干扰

辐射敏感度ңӣ共模干扰干扰频段从ͣȣ到?#20445;x?#38656;注意外拖的线缆充当接收天线干扰为电磁场的远场

ţͣ试验项目?#26696;?#25200;实质分析

ţͣ试验包含传导发射ã?#22836;?#23556;发射ңšã考察的频段为?#20445;kȣ~?#24120;ͣxb?#32771;察的频段为?#24120;ͣx~?#20445;x?#36890;常按类设备要求对电力仪表而言主要考察其内部电源通常为开关电源晶振包括有源晶振和无源晶振等主要骚扰源通过天线由外拖线缆充当形成的传导?#22836;?#23556;在设计时应特别注意对上述骚扰源的处理

?#22330;?#30005;磁兼容设计方法

?#24120;?电磁兼容设计的基本思路

出现ţͣ问题必须有干扰源耦?#19979;?#24452;及敏感设备三要素缺少任何一个环节均不能构成ţͣ问题因此针对ţͣ问题其设计就是针对三要素中的一个或几个采取技术措施限制或消除其影响基本思路可分为“堵”和“疏”两类“堵”就是通过增加共模?#30636;?#22120;采用光耦等隔离或线缆套磁环等方式增加共模阻抗ڣ“疏”就是通过电容形成高频通路将共模干扰引入阻抗更低的地Уţ或金属壳一个ţͣ设计往往可以通过既“堵”又“疏”的方式在成本增加不大的情况下可获得较好的ţͣ性能

?#24120;ţͣ?#35299;决手段

屏蔽接地和?#30636;?#26159;ţͣ解决的三种手段在下文中将详细说明

  原理图级设计

在确定仪表需要满足的电磁兼容项目及试验等级后在原理图设计?#26412;?#26377;必要对相关试验项目进行设计最大程度降低电磁兼容风险和节省项目开发时间

端口设计

仪表的端口包括电源端口及信号端口在ţͣ测试项目中针对端口的试验包括浪涌ӣգңǣţ静电ţ?#27169;?#30005;快速脉冲?#28023;ţƣԣn?#20256;导敏感度ãӣ传导发射ãţ电压暂降短时中断和电压变化?#27169;ɣУ印?#22240;此在设计中应遵循先进行浪涌防护后进行隔离/共模?#30636;?#30340;顺序进行

?#20445;?#28010;涌防护设计

根据仪表端口的定义浪涌分为差模浪涌和共模浪涌两?#24103;?#22914;信号端口也包含工作电源端口的进线和回线间为差模浪涌电路的进线和回线分别对地接地端子为共模浪涌

抑制浪涌最常用的器件就是浪涌抑制器件如气体防电管压敏电阻ԣ?#21360;?#19981;同的端口根据其功能选用不同的组合方案进行浪涌的防护例如当仪表是三相四线输入因为电压端口为高阻输入在浪涌等级要求不太高时一般无须采用压敏电阻和气体放电管

共模?#30636;?#22120;的设计

通过在端口附近设计共模?#30636;?#22120;对共模干扰进?#20449;?#36335;滤除共模干扰?#37096;?#37319;取设计隔离元件等增大共模阻抗的方式或通过电容接地如果端口设计有接地端子应满足相应安全要求的方式来实现

设计共模?#30636;?#22120;首先应明确共模干扰的频段以便选择合适的电?#23567;?#30005;容参数若需要同时抑制低中高频的共模干扰有时可采用低频和高频共模?#30636;?#22120;串联的方式来解决

仪表电源端口往往采用开关电源由于开关电源是一个重要的对外干扰源需要在端口设计ţͣ?#30636;?#22120;另外从ţͣ角度考虑由于隔离变压器的输入输出间存在较大的分布电容高频共模干扰可以毫无衰减地从输入耦?#29616;?#36755;出因此也需要在开关电源前设计?#30636;?#22120;

电源端口基本?#30636;?#30005;?#26041;?#26500;见图当无У时共模电容省略共模扼流圈在绕制中会产生?#20445;?#24038;右的漏感可直?#27704;?#29992;来进行差模?#30636;?#33509;要加强差模?#30636;?#21017;可在扼流圈后增加差模电感设计需要强调的是图所示?#30636;?#22120;在进行Уã布板时应尽量摆放在靠近于端口的位置且印制线走线应注意控制环?#35775;?#31215;让?#30636;?#22120;获得最大的插入损耗

敏感电路及器件设计

在设计中需要注意对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件的设计尽量采用抗扰度高的器件在功能满足的情况下尽量降低晶振的频率尽量选择上升沿较缓的器件

电容电感非理想器件的寄生参数在高频时将会大大影响其?#30636;?#25928;果所以对不同频段的干扰信号应选择不同的?#30636;?#21442;数以电容为例其频?#39318;?#25239;曲线见图.这里需要强调的是该类器件的引线过长时其高频下寄生参数会降低自身的谐振频率建议尽量采用贴片器件一个常用的做法是选择参数相差?#20445;?#20493;的电容进行并联以保证在其较宽的频段?#27573;?#20869;始终保持电容特性

数?#20013;?#29255;均应做去耦设计特别是携带丰富高次谐波的数字电源引脚通常用μ电容与?#20445;?#30005;容并联对于数?#20013;?#29255;中因结构传输路径等客观因素影响的关键信号均应做去耦设计去耦时应注意不要影响信号的正常传输

对于特别敏感的电路单元在成本?#24066;?#21644;结构设计时应充分考虑针对辐射试验项目ң和ңţ屏蔽材料选择铝或铜等金属设计时为保证足够的屏蔽效能应保证低接地阻抗在?#30636;?#20316;详细说明

结构级Уã级设计

结构上需要考虑静电放电射频电磁场辐射辐射发射三项ţͣ试验项目下面主要以因结构限制在Уã设计中常出现的一些问题进行分析

常见问题一仪表因自身结构紧凑内部常由几块Уã构成Уã之间通过插针互联排线等连接如何进行ţͣ防护

这些都是ţͣ最为脆弱的环节当连线长度与干扰频率的波长可比拟时既容易接收到外界的干扰也容易将内部干扰带出产品引起ţͣ超标

设计时可?#21491;?#19979;三方面着手解决对插针中传递的信号进?#26032;瞬?#23613;量减少插针互联排线的长度从工艺角度可将其捆扎增加地针数目最好采用“地——信号——地——信号——地——信号——地”方式减少信号的回?#35775;?#31215;降低不同Уã之间的ڣ.

常见问题二针对液晶显示屏̣ţ指示灯孔缝?#28909;?#20309;进行静电ţӣ防护

在设计中建议对液晶显示屏采取透明材料绝缘处理或增大与内部电路的放电距离

Уã布线时应注意?#30636;?#22120;设计时不要让输入输出分开避免耦合最好采用“一”或“”型对关键芯片的敏感信号去耦时去耦电容应紧?#31185;?#31649;脚以减小回?#35775;?#31215;敏感信号不能从晶振底部穿越也不能离靠近仪表端口长距离传输时应注意采用包地方式尽量缩短关键信号的传递路径距离采用伴地设计时注意增加地过孔的数目注意不要让敷地存在地割裂情况通过增加距离来降低相信号通道间的空间耦合通过正交来解决У?#38706;?#23618;和底层信号的相互影响模拟地和数字地在一点处连接/通常视作模拟器件

常见问题三如何“接地”一个产品只有一个接地点因而对于接地点位置的选择十分重要设计时应保证接地点位于干扰信号注入端口且具有低的接地阻抗通过电容可对共模干扰信号能进?#20449;?#36335;若仪表端口设计时预留了一个接地端子可以是前端三相四线输入电压̣ᡢ̣⡢̣㡢Σ的保护地Уţ?#37096;?#20197;是其交流工作电源̡Σ的保护地У或者还有可能是ңӣ通讯£的保护地У/屏蔽地ƣ.

地设计时还应保证这个地是干净的地即ţͣ中所述的“静地”当地不干净时共模干扰信号可能会从地反窜流入信号造成地污染所?#36234;?#26500;设计和Уã设计时常用做法是在端口预留一块铜箔让其与内部其它信号分割开来且留有一定的距离安全要求考虑

结束语

电子产品在进行功能设计时就需要进行电磁兼容方面的考虑电力监控用电力仪表也不例外ţͣ设计需要从原理图Уã和结构等方面进行综合考虑并根据?#23548;是?#20917;进行相互调整这样才能最大程度的降低ţͣ风险减少ţͣ整改成本最?#31456;?#36275;相关标准的要求

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