淺述電磁兼容技術(shù)在電力自動化系統(tǒng)中設(shè)計

1、淺述電磁兼容技術(shù)在電力自動化系統(tǒng)中設(shè)計 摘要：當(dāng)今，隨著電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的研發(fā)，電磁兼容問題越來越引起人們的重視，筆者就電磁兼容技術(shù)在電力自動化系統(tǒng)中的相關(guān)問題進行了簡要的闡述分析。供設(shè)計生產(chǎn)人員參考。 關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)自動化；電磁兼容 ；試驗方法；設(shè)計 引言： 電磁兼容技術(shù)是以解決電氣、電子設(shè)備間的電磁干擾而出現(xiàn)并發(fā)展起來的一門學(xué)科。隨著電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的電磁兼容問題顯得越來越突出。特別是電力系統(tǒng)繼電保護、通信、控制和測量領(lǐng)域中應(yīng)用的計算機系統(tǒng)相互間兼容狀態(tài)越來越難以獲得。在發(fā)達國家較早就形成了一套完整的EMC 技術(shù)工作體系，包括理論研究、試驗與測

2、試、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及抗干擾技術(shù)等，近年我國經(jīng)過廣大科技人員的努力EMC技術(shù)的研究和技術(shù)管理工作方面得到了長足的發(fā)展，使EMC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)管理標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)逐漸接軌，為提高我國電力系統(tǒng)自動化設(shè)備在國際市場和國際招標(biāo)的競爭能力提供了良好的平臺。 一、電磁兼容對電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的幾個干擾與破壞問題 由于電力系統(tǒng)本身是眾多一次系統(tǒng)設(shè)備和二次系統(tǒng)設(shè)備的集合體，因此電力系統(tǒng)自動化設(shè)備作為二次系統(tǒng)設(shè)備的一部分，其電磁干擾的來源十分復(fù)雜。外來電磁輻射、一次系統(tǒng)設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備之間、自動化設(shè)備內(nèi)部元件之間、各傳送通道間的電磁干擾均對自動化設(shè)備產(chǎn)生干擾與破壞。 1.1電力系統(tǒng)自動化設(shè)備均包含有以微

3、機系統(tǒng)為核心的大規(guī)模數(shù)字電路和模擬電路，其中應(yīng)用最多的是二極管、集成電路塊、A/ D 轉(zhuǎn)換電路等，它們既是干擾源， 又是對干擾敏感的器件， 尤其以CMOS、D/ A 最為敏感。 1.2干擾信號在微機系統(tǒng)表現(xiàn)的形態(tài)有差模與共模兩種形態(tài)。電磁干擾侵入微機系統(tǒng)的主要途徑有電源系統(tǒng)、傳導(dǎo)通路、對空間電磁波的感應(yīng)3 方面(包括內(nèi)部空間的靜電場、電磁場的感應(yīng)) 。其中靜電場、電磁場的感應(yīng)在微機系統(tǒng)內(nèi)部普遍存在，靜電是CMOS 電路的大敵。由于微機系統(tǒng)工作于低電壓大電流方式，電源線、輸入輸出線構(gòu)成高速大電流回路，故有較強的電磁感應(yīng)。 1.3微機系統(tǒng)之間的內(nèi)部傳輸線有延時、波形畸變、受外界干擾等3 方面問題。

4、 1.4脈沖干擾是研究的重點，因為微機系統(tǒng)是以識別二進制碼為前題的，其組成以數(shù)字電路為主，數(shù)字電路傳送的是脈沖信號，同時也易對脈沖干擾敏感。以開關(guān)模式工作的開關(guān)及開關(guān)電源變化頻率高達幾十萬Hz ，容易在內(nèi)外產(chǎn)生脈沖干擾。 1.5對電源影響比較敏感。電源對電子系統(tǒng)的影響有電源波動影響和系統(tǒng)作用影響兩個方面。所謂電源波動影響是指由于電源波動引起的信號紊亂和系統(tǒng)失調(diào)。系統(tǒng)作用影響是指因電源是系統(tǒng)所有信號的交叉點而引起的系統(tǒng)各信號之間的相互影響。系統(tǒng)作用的大小與電源功率裕度、濾波能力及電源連線方式、分布形狀有關(guān)。 二、電磁兼容技術(shù)的設(shè)計方法 影響微機系統(tǒng)電磁兼容性的因素見下式： N () = G()

5、C() / I () 式中： N () 干擾對系統(tǒng)(或設(shè)備) 的影響； G() 干擾的強弱； C() 干擾傳輸?shù)鸟詈虾瘮?shù)； I () 受干擾系統(tǒng)(或設(shè)備) 的抗干擾能力，即敏感度閥值。 顯然，影響系統(tǒng)(或設(shè)備) 受干擾嚴(yán)重程度的因素有3 個方面，他們都是頻率的函數(shù)。該數(shù)學(xué)模型提示了提高抗干擾能力的原理是： 切斷干擾源， 即減小G() ； 減小耦合， 即減小C() ； 提高受干擾系統(tǒng)(或設(shè)備) 的敏感度閥值，即加大I () 。在實際情況中，往往是3 個因素綜合考慮，并按的順序去采取措施，以獲得最佳的效果。 電磁兼容技術(shù)的設(shè)計要從電磁兼容的3 個基本要素著手，從原理的可行性、元器件的選擇、加工生產(chǎn)

6、工藝、安裝運行環(huán)境等幾個方面來考慮。把握不同類型電磁干擾的本質(zhì)，對不同的干擾頻率、頻譜采用相應(yīng)的濾波、隔離、接地、屏蔽等措施。 2.1濾波 濾波是利用濾波器來抑制電磁干擾，濾波器是由集中參數(shù)的電阻、電容和電感，或者是分布參數(shù)的電阻、電容、電感構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)只允許有用信號的頻率分量通過，阻止其他干擾頻率通過，使電磁干擾減少到滿意的工作電平上。濾波器是防止傳導(dǎo)電磁干擾的主要措施。其工作方式有兩種：一種是不讓無用信號通過，并把它們反射回信號源；另一種是把無用信號在濾波器里消耗掉。在采用濾波方法來抑制傳導(dǎo)干擾時，首先要了解干擾源的頻譜、干擾源在頻帶中的分布情況，干擾波幅值等?？梢酝ㄟ^干擾儀器

7、來檢測，獲得干擾源的頻帶分布和幅值，有針對性地選擇濾波器的種類或者設(shè)計濾波器電路。 2.2隔離 隔離是干擾線路(饋線) 周圍存在干擾電磁場，當(dāng)其他線路(導(dǎo)線) 在其附近時，由于電磁耦合而形成干擾。防止這種干擾最簡單而有效的方法是將干擾線路與其它線路隔離開來，以切斷或削弱它們之間的電磁耦合。隔離的原則和方法是： (1)干擾線路和其他線路盡可能不要平行排列，如必須平行，導(dǎo)線間距L 與導(dǎo)線直徑D 之比應(yīng)不小于40 ( L / D 40) ， 在可能情況下導(dǎo)線間距應(yīng)盡量大些，并且平行部分的長度越小越好； (2)敏感線路與一般線路如平行排列，其間距應(yīng)大于50 mm； (3)電源饋線與信號線應(yīng)予隔離，當(dāng)他

8、們平行排列時，其間距應(yīng)大于50 mm； (4)高頻導(dǎo)線是對其他線路干擾最大的線路，一般都要屏蔽； (5)有些脈沖線路的脈沖功率較大，對其他線路構(gòu)成嚴(yán)重干擾，應(yīng)按干擾線路對待。至于電平較低，功率很低的數(shù)字電路可按一般線路處理，原則上按敏感電路對待，也可根據(jù)具體情況處理。 2.3接地 接地是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個接地面之間建立導(dǎo)電的低電阻的通路，把系統(tǒng)中電子元件的零電位互相連接起來，再把它們同時與某個等價于“地”的參考點連起來。接地的主要目的是防止電磁干擾，消除公共電路阻抗的耦合，也是為了保障人身和設(shè)備的安全?；窘拥丶夹g(shù)有浮地、單點接地、多點接地和混合接地4 種。 (1)浮地常用于電路或設(shè)備

9、工作狀態(tài)不能與公共地或大地相連接，它的原理近似于起到隔離變壓器的作用； (2)單點接地是所有需要接地的引線全部接到一個點，再由這個點直接與地相連接。一般用于抑制頻率在1 MHz 以下的干擾信號； (3)多點接地是指系統(tǒng)或設(shè)備中所需接地的引線直接接到離它們最近的地上。一般用于抑制頻率在10 MHz 以上的干擾信號； (4)混合接地是在復(fù)雜情況下，設(shè)備或單元電路的接地難以通過一個簡單的接地形式來解決而采取的混合形式，用于干擾信號頻率在110 MHz 的情況。 利用接地的方式可以減少或衰減干擾源的能量，但應(yīng)注意以下幾點： 接地線盡量短； 接地線阻抗要盡可能??； 應(yīng)采用金屬材料相同的導(dǎo)線作為接地線；

10、接地線的接地點應(yīng)有良好的導(dǎo)電性能； 接地線的連接點要有足夠的機械強度。 2.4屏蔽 屏蔽就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮小?、屏、板等將電磁能限制在一定空間范圍內(nèi)，使場的能量從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r，受到很大衰減而防止電磁干擾的措施。有電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽3 種方法。 電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的電磁兼容技術(shù)也是基于上面的理論，對不同功能、不同安裝地點、不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備應(yīng)分別有側(cè)重點的采取不同的電磁兼容技術(shù)措施。 三、電磁兼容的技術(shù)分析 電力系統(tǒng)自動化設(shè)備是由微機系統(tǒng)(或單片機系統(tǒng)) ，D/ A 轉(zhuǎn)換電路、A/ D 轉(zhuǎn)換電路、電源回路、外圍驅(qū)動電路、外圍電路、通訊電路等構(gòu)成的一個系統(tǒng)或者一個網(wǎng)絡(luò)。在研

11、究電力系統(tǒng)自動化設(shè)備電磁兼容問題的同時，也要對其各個構(gòu)成電路或系統(tǒng)的電磁兼容性加以重點研究。目前，我國電力系統(tǒng)自動化設(shè)備電磁兼容技術(shù)主要有以下幾種： 3.1頻率設(shè)計技術(shù) 頻率設(shè)計技術(shù)要解決的是頻率兼容的問題，也是微機系統(tǒng)設(shè)計中的比較復(fù)雜的技術(shù)之一。頻率設(shè)計包括電平(幅度邊沿和頻率) 核實、最高工作頻率設(shè)計以及降頻和諧波分離(低頻信號的頻率不與高頻信號成整倍數(shù)，特別是A/ D 轉(zhuǎn)換的速率) 技術(shù)； 3.2接地技術(shù) 接地技術(shù)包括兩個方面，一方面是電源內(nèi)阻分析技術(shù)，另一方面是接地點和地線設(shè)計技術(shù)。電源內(nèi)阻的分析實際上就是對電源最大瞬時功率的分析。接地點和地線分析設(shè)計的原則是做到頻率隔離、功率隔離。頻

12、率隔離是指高低頻系統(tǒng)分開， 功率隔離是指弱功率和大功率分開； 3.3電源技術(shù) 電源技術(shù)一方面包括了電源特性的設(shè)計，例如電源要保證有適當(dāng)?shù)娜菪噪娏魑漳芰鸵欢ǖ墓β试６?，另一方面還包括系統(tǒng)電源性質(zhì)的選擇，如使用電池還是使用整流電源，所有電源的種類，電源之間是否需要交換，集中供電還是分布式供電等； 3.4布線技術(shù) 要降低各管腳和連線之間的相互影響，必須對分布參數(shù)加以限制。分布參數(shù)主要由系統(tǒng)的布線所決定，因此，布線是系統(tǒng)或設(shè)備電磁兼容技術(shù)的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)或設(shè)備電磁兼容技術(shù)設(shè)計的基本體現(xiàn)。布線技術(shù)包括環(huán)繞布線、線徑選擇、分層處理等； 3.5降頻控制技術(shù) 對輸出的高頻信號，在保證系統(tǒng)正常工作的情況下盡

13、量降低頻率，對某些輸出信號采取平滑措施(例如L ED 驅(qū)動電路中加入適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙? 。對功率較大的輸出信號(包括低頻階躍信號， 如PWM 輸出等) 尤其要考慮降頻處理； 3.6多層板去耦技術(shù) 隨著微機系統(tǒng)的頻率越來越高以及電路的幾何尺寸不斷縮小，多層板電路已成為印制電路板的主要模式。多層板的一個重要功能就是可以大大地降低系統(tǒng)各連線之間的分布參數(shù)影響； 3.7表面貼片技術(shù) 表面貼片是一種使集成電路與印制電路板形成一體的電路制作技術(shù)。集成電路出廠時不加封裝，而是直接出廠裸芯片。電路制作時利用焊接技術(shù)把裸芯片粘貼到印制電路板表面，這種電路不僅體積小，而且電磁兼容的性能大為提高； 3.8軟件技術(shù)方

14、法 (1)當(dāng)外界干擾竄入并破壞了程序的正常運行時，就會產(chǎn)生程序“跑飛”，程序走，中斷不響應(yīng)和芯片內(nèi)信息發(fā)生變化，從而產(chǎn)生誤動作等。通?？梢酝ㄟ^如下幾種方法實現(xiàn)軟件抗干擾： 加入空指令，目的是使微機的指令地址納入正規(guī)，以便執(zhí)行下面的指令； 收留井法，即在空指令后再增加處理“跑飛”的程序； 定時監(jiān)視主程序 由主程序監(jiān)視中斷運行情況 采取容錯技術(shù)，用時間冗余或信息冗余方法進行抗干擾和提高可靠性。 (2)由于電力系統(tǒng)自動化設(shè)備運行的電磁環(huán)境十分惡劣，因此，必須對其安裝運行環(huán)境采取相應(yīng)的抗干擾措施。目前，工程上采取的方法如下： 良好導(dǎo)磁材料機箱的選用及合理設(shè)計(機箱的尺寸大小，接插件的合理布置，接線端子

15、的引出方式等)； 設(shè)備安裝環(huán)境應(yīng)采取的措施(主控室應(yīng)采取屏蔽、接地等措施)； 設(shè)備運行和管理人員必要的電磁兼容知識的培訓(xùn)； 其他措施。 四、電磁兼容的試驗方法 檢驗電磁兼容措施實施的效果要通過一些必要的試驗，常用的電磁兼容試驗有：諧波試驗、間諧波試驗、信號系統(tǒng)干擾試驗、阻尼振蕩試驗、快速瞬變試驗、靜電放電試驗等。 五、電磁兼容問題的新動向 微機系統(tǒng)是電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的核心部分。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化設(shè)備必將向著高速度、高靈敏度、小型化、多功能、大系統(tǒng)的方向發(fā)展，這就使電力系統(tǒng)自動化設(shè)備電磁兼容問題有了一定的新內(nèi)容。例如，高速度帶來寬帶噪聲，高靈敏度使原可略去的弱小干擾信號不

16、可忽略，小型化增加了內(nèi)部的耦合干擾，大系統(tǒng)使干擾源增多，干擾問題更為惡化。預(yù)計今后的電磁兼容性將涉及如下問題： (1)集成電路元件的封裝材料含有微量的天然放射性同位素釷和鈾，它們的原子裂變將產(chǎn)生射線，使存儲器誤動作。因此，要從元器件的制造技術(shù)和系統(tǒng)的制造兩個方面考慮電磁兼容的設(shè)計問題； (2)數(shù)字邏輯電路與軟件技術(shù)的微妙結(jié)合，正成為抑制干擾的有力武器。軟件的應(yīng)用將占越來越大的比重。例如，利用錯誤糾正碼的軟件手段檢查并糾正錯誤，是去掉進入系統(tǒng)后的干擾的危害或切斷干擾的有力手段； (3)在抗靜電干擾措施中，用“分布式的靜電保護涂覆”彌補靜電保護的不足。在CMOS ，A/ D等芯片板及印制電路板的接頭上作靜電涂覆，取得了很好的效