電測裝置交流輸入通道設(shè)計及其抗干擾研究

1、電測裝置交流輸入通道設(shè)計及其抗干擾研究 (本文檔由房地產(chǎn)英才網(wǎng)支持百度文庫友情提供）1 引言隨著計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，交流采樣技術(shù)在電力參數(shù)的測量中得到了越來越多的應(yīng)用，成為發(fā)展的趨勢。這不單是因為隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，AD芯片等硬件的功能越來越強大，可以輕松地完成多路高頻率采樣；更主要的是因為數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，采用交流采樣方法能夠運用各種不同的軟件算法對交流采樣來的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而提取出特定的參數(shù)信息，實現(xiàn)直流采樣無法完成的許多功能，極大地促進(jìn)了電測技術(shù)的發(fā)展。交流采樣技術(shù)中，由于采用數(shù)字信號處理技術(shù)對輸入信號進(jìn)行處理，對交流輸入通道的硬件電路設(shè)計要求相對降低。但

2、是，交流輸入通道不可避免地要與電力系統(tǒng)發(fā)生電、磁的聯(lián)系，大量實踐證明，在電力參數(shù)測量產(chǎn)品中，交流輸入回路是電磁干擾入侵的一個重要途徑。因此，能否設(shè)計出具有良好抗干擾能力的交流輸入回路，是一個產(chǎn)品能否適應(yīng)電力系統(tǒng)這個強電磁干擾環(huán)境的關(guān)鍵問題之一。本文綜合采用各種電磁干擾抑制方法，設(shè)計了一種實用的電力參數(shù)交流采樣通道，對交流輸入回路中可能產(chǎn)生的各種電磁干擾能夠進(jìn)行有效抑制，具有抗干擾性強、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單的特點。2 電力系統(tǒng)的電磁干擾分析處于運行狀態(tài)的電力系統(tǒng)中的電磁干擾源很多，其中對電測裝置等電子設(shè)備影響比較大的主要的有1：(1)斷路器、隔離刀閘等一次設(shè)備和直流開關(guān)等二次設(shè)備操作產(chǎn)生的頻率極高

3、的快速暫態(tài)過電壓。(2)運行中的供用電設(shè)備產(chǎn)生的工頻干擾，特別在系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電流產(chǎn)生的工頻干擾更為嚴(yán)重。(3)輸電線路上的電暈放電、污穢外絕緣表面的局部放電等瞬變干擾。(4)雷電波入侵。(5)靜電放電。(6)其他無線電波，如對講機、手機等無線通信產(chǎn)品。對這些干擾源發(fā)射的干擾信號進(jìn)行分析可知，這些干擾信號一般都具有頻率高、幅度大、前沿陡的特點，含有豐富的諧波分量，可以通過各種分布電容和分布電感耦合到二次回路和設(shè)備中去，對電子設(shè)備會造成騷擾。電磁騷擾的后果，輕則導(dǎo)致邏輯混亂、顯示不正常、程序跑飛等故障，重則損壞設(shè)備、造成保護(hù)誤動作。進(jìn)一步分析這些干擾信號發(fā)現(xiàn)，對電子設(shè)備起主要干擾作用的是其

4、中大幅值的高頻信號。因此，電測裝置的交流通道設(shè)計的重點是采取各種有效措施盡可能地抑制這些高頻干擾信號，阻止其通過交流采樣通道侵入后續(xù)的電子電路，從而保證弱電電路的正常運行。3 交流輸入通道設(shè)計電力參數(shù)的交流輸入通道一般需要將二次回路中的交流100V的強電壓信號和交流5A的強電流信號，調(diào)理成可供弱電集成器件接受的±5v弱電壓信號。調(diào)理的目的在于盡可能地過濾掉各種干擾信號，尤其是高頻干擾，只將裝置需要的工頻信號傳輸過去。為此，典型的電力測控裝置的交流采樣通道設(shè)計一般都采用隔離變換、低通濾波、過電壓保護(hù)等一9 們2007年第26卷第10期 電測裝置交流輸入通道設(shè)計及其抗干擾研究電路環(huán)節(jié)，其

5、結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。罨10V 電壓 信萎號季 l 雯囊 l 5皇v董交流鯊 l 硼Hl 赫5H I 1 數(shù)字信號圖1 交流采樣通道結(jié)構(gòu)框圖31 隔離變換環(huán)節(jié)設(shè)計采用電流互感器電壓互感器一方面將二次回路中的交流100V的強電壓信號和交流5A的強電流信號，變換成可供弱電集成器件接受的±5V弱電壓信號，另一方面互感器還起到電磁電的隔離作用，將強、弱電信號隔離開來?；ジ衅髟O(shè)計時主要有以下問題：(1)互感器參數(shù)的確定 互感器主要參數(shù)有額定電壓、額定電流、變比、容量和線性變換范圍等，其選擇不再詳述。需要說明的是，互感器若接入的二次負(fù)荷超過額定二次負(fù)荷時，其準(zhǔn)確度等級將下降。為保證測量的準(zhǔn)確性，一

6、般要求電流互感器的二次負(fù)荷s2必須在額定二次負(fù)荷s2的25 100范圍內(nèi)，即：025 S2S2S2。(2)互感器的接地、屏蔽及空間位置互感器的隔離作用，對于50Hz及較低頻率差不多可以做到完全抑制共模干擾 ；高頻下，由于一次、二次繞組間存在耦合電容，共模抑制比會降低，為此，一次、二次繞組間的屏蔽層接地是必要的。另外從設(shè)備安全角度考慮，互感器屏蔽層也一定要可靠接地，一般要求接地電阻小于2mi2。常用的做法是將所有電壓、電流互感器的屏蔽層以最短線路接到由較粗銅線制成的網(wǎng)格狀接地網(wǎng)上，加粗并盡量縮短插件到裝置總接地的連線。測控裝置需要多路交流信號輸入，不可避免地要將多個互感器集中布置，這樣各個互感器

7、彼此之間的磁場交鏈，從而互相產(chǎn)生干擾。因此，互感器的布置要注意交流插件板鐵心互相垂直，最大圖2 互感器的接地及布置示意圖可能地避免彼此之間的磁場交鏈，如圖2所示。(3)其他措施 電流互感器電壓互感器一次側(cè)與二次側(cè)引線應(yīng)分開，兩個閉合回路不能交叉，否則一96 會有耦合作用?？紤]到一次側(cè)繞組強電回路中干擾高頻分量豐富，也可將電流互感器電壓互感器用鍍鋅鋼板罩屏蔽起來，限制其電磁干擾向周圍空間輻射，干擾弱電回路。32 低通濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計采用低通濾波器可以限制高頻信號。低通濾波器分為有源低通濾波器和無源低通濾波器，由于有源濾波器電路環(huán)節(jié)相對較復(fù)雜，降低了電路可靠性；而無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、能經(jīng)受較大的

8、浪涌沖擊、可靠性高的特點，所以一般選擇采用無源低通濾波器。無源低通濾波器有反射式低通濾波器和吸收式低通濾波器。由電容、電感組成的RC濾波器為無源低通濾波器，可以將干擾信號反射回發(fā)射源，但并不對于擾信號產(chǎn)生損耗。鐵氧體(EMI)磁環(huán)屬于吸收式低通濾波器，由于鐵氧體自身特點，對直流或低頻信號幾乎沒有功率損耗，而對高頻噪聲則有很強的損耗作用。因此鐵氧體對干擾信號而言屬于吸收材料，能夠?qū)⒏蓴_信號的能量最終以熱的形式釋放。這兩種無源低通濾波器同時應(yīng)用，可以對于擾信號起到更好的濾波作用。321 RC低通濾波器高階低通模擬濾波器的濾波性能好，但會帶來相位延遲，考慮到交流采樣可以在軟件中很方便地采用數(shù)字低通模

9、擬濾波器，因此這里選擇了一階RC低通模擬濾波器。一階低通模擬濾波器的傳遞函數(shù)為1tt(s) 贏 (1)令60 = 1RC，則得到H(s)= 一 (2)S + 60n其幅頻響應(yīng)為廠 l n(j叫)l： (3)60 n + 60取J H(icu)J=0707，可以得到此一階低通濾波器的截止角頻率60 ：60 ，即濾波電阻電容滿足關(guān)系1R 贏兒J L (4)根據(jù)采樣定理，低通濾波器的截止頻率取為采樣頻率的一半。當(dāng)取截止頻率為 =200Hz，取電容為c電測裝置交流輸入通道設(shè)計及其抗干擾研究 嘭 量調(diào)2007年第26卷第10期： 01gF，求得R=7 9570，實際可取為8k0。322 鐵氧體磁環(huán)鐵氧體

10、磁環(huán)中的鐵氧體材料的基本組成部分是鐵氧化物和其他成分，如錳、鋅、鈷、鎳等。鐵氧體的阻抗為復(fù)阻抗，包含實部和虛部，Z=R+j 。阻抗的虛部產(chǎn)生感抗，而實部提供純電阻，并隨頻率變化而變化。當(dāng)頻率較低時， 和 均較低，呈低阻抗，隨著頻率增加，阻抗也迅速增加，并將達(dá)到一個峰值，此后，由于電容的影響，阻抗開始下降，如圖3所示_3 J。1200a 900蜇 00300R、 、 、Z 、 、一一 、一一， 一_ 、， 一一 一_ _ 、3 10 30 1O0 300 l000頻率MHz圖3 鐵氧體的阻抗曲線鐵氧體磁環(huán)的阻抗Z = R+j2 廠鐵氧體磁環(huán)的電感表達(dá)式L ： 02N lln(一t 2)。 r1式

11、中， 為材料相對磁導(dǎo)率；N為匝數(shù)?？梢钥闯?，為了得到大的阻抗，則磁環(huán)內(nèi)徑r越小、外徑r 和長度z越大越好，但在實際使用中，r 、r2及z的選擇要根據(jù)安裝空間、價格及實際效果等因素綜合考慮。33 過電壓保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計當(dāng)交流輸入回路遭到雷擊等干擾時，有瞬時的高壓竄人，線上會出現(xiàn)高能量的瞬時脈沖，經(jīng)過隔離、濾波環(huán)節(jié)的衰減后還可能高于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等電子器件的輸入電壓，因此必須設(shè)計瞬時過電壓保護(hù)電路。雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS(Transient VoltageSuppressor)兩極受到反向高能量沖擊時，它能以1X 10 秒級的速度將其兩極間的阻抗由高變低，吸收浪涌功率，使兩極的電位鉗位于預(yù)定值，有效

12、地保護(hù)自動化設(shè)備中元器件免受浪涌脈沖的損害。使用中，TVS的擊穿電壓要比被保護(hù)的電路工作電壓峰值高10以上，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVs泄漏電流影響電路正常工作。4 交流采樣通道的整體原理綜合以上設(shè)計，將各個環(huán)節(jié)連接起來可以得到整個交流采樣回路的完整的原理圖，如圖4所示。圖4 交流采樣通遭原理圖TA一互感器 CRI、cR2一鐵氧體磁環(huán) 一電阻c一電容 Tvs一雙向瞬態(tài)電壓抑制器一般為防止強電回路對弱電回路的干擾，互感器與后續(xù)電路要分開布置在兩個電路板上，即交流插件板與交流采樣板。這樣，有可能會出現(xiàn)插件插入不到位，交流回路斷開，導(dǎo)致模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入引腳懸空，產(chǎn)生過電壓。為此，采用下拉電阻，在交流回路斷開的情況下將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入引腳電位拉低到地電平，起到保護(hù)作用。由以上設(shè)計過程可見，整個交流采樣通道的各個環(huán)節(jié)，對電力系統(tǒng)常見的大幅值的高頻干擾信號進(jìn)行了多重過濾，保證了后續(xù)交流采樣電路中信號的準(zhǔn)確、可靠傳輸。最后需要說明的是，以上這些只是交流通道的設(shè)計，如作為一個完整的產(chǎn)品，還有其他回路的設(shè)計以及軟件的設(shè)計，不在本文討論范圍內(nèi)。5 結(jié)束語基于以上原理的設(shè)計已經(jīng)在多種型號的電力測控裝置產(chǎn)品中得到應(yīng)用，實踐證明，這種電測裝置的交流采樣通道可以經(jīng)受住電力系統(tǒng)現(xiàn)場惡劣