論文調(diào)頻電源諧振裝置抗干擾探討

1、調(diào)頻電源諧振裝置抗干擾探討湖南省超高壓管理局電網(wǎng)建設(shè)一分公司 李鑫 羅杰1 引言可輸出高電壓、帶負(fù)載能力強、適合電力現(xiàn)場作業(yè)的，多用于耐壓及局放試驗的大型調(diào)頻電源諧振裝置由于本身工作原理及工作環(huán)境，在工作過程中，常常因為電磁干擾、高頻干擾等等干擾現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)失真，甚至引起設(shè)備損壞，應(yīng)引起我們的重視。為此，如何使調(diào)頻電源諧振裝置在其所處的工作環(huán)境中，能夠正常的工作，且對該環(huán)境中工作的其它設(shè)備或系統(tǒng)不造成不可承受的干擾，是在研發(fā)、改進(jìn)及使用過程中一項及其重要的研究課題。2 主要干擾源及耦合方式21 主要干擾源調(diào)頻電源諧振裝置由于工作原理本身就是一個電磁干擾源，在正常和故障情況下都易產(chǎn)生各種電磁干

2、擾、高頻干擾。而且調(diào)頻電源諧振裝置的工作環(huán)境基本以變電站、高壓實驗室為主，這些環(huán)境本身也是個大磁場，干擾源也很多。22 干擾傳播途徑1、電磁干擾電磁干擾途徑可分為電場耦合、磁場耦合和電磁場輻射。電磁干擾總是以電磁場的形式存在的。現(xiàn)場不可能存在完全的電場或完全的磁場。不過在近場范圍內(nèi)(離干擾源的距離小于最高干擾頻率的波長的0167倍)，可以認(rèn)為高電壓的作用產(chǎn)生電場，大電流的作用產(chǎn)生磁場。這樣的簡化已足夠精確。在遠(yuǎn)場范圍內(nèi)，干擾源的發(fā)射應(yīng)看成是電磁波傳播。調(diào)頻電源諧振裝置因為工作原理和工作環(huán)境，電磁干擾的原因有很多，在下文簡略闡述。干擾波形如圖1、圖2。 圖1 圖2(1)電場耦合(電容耦合)任何電

3、氣設(shè)備之間都存在分布電容。在變電站中還有補償電容、耦合電容、電容式電壓互感器等電容性元件。某一導(dǎo)體上的電壓通過這些電容影響其它導(dǎo)體上的電位。這就是所謂的傳導(dǎo)型干擾。 (2)磁場耦合(電感耦合)載流導(dǎo)體產(chǎn)生的交變磁場會在其周圍閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。(3)電磁輻射干擾輻射干擾是指強電系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻電磁干擾的輻射能量通過空間電磁波的形式傳播到弱電系統(tǒng)中并產(chǎn)生干擾，隨弱電系統(tǒng)電纜接地方式的不同而形成共模干擾或差模干擾。這是調(diào)頻電源諧振裝置的主要干擾途徑之一。(4)公共阻抗耦合這是指因公共地線上流過電流產(chǎn)生的電位差對信號造成的干擾。當(dāng)雷擊電流或短路電流流入地網(wǎng)時，盡管地網(wǎng)電阻很小，但畢竟不為零， 因而

4、將使地電位升高，且接地網(wǎng)上不同點的電位也不同，這將使接在地網(wǎng)不同點設(shè)備的地電壓也不同。這也是調(diào)頻電源諧振裝置的主要干擾途徑之一。2、自激振蕩圖3由于功率放大電路多為多級功放電路，級間存在著許多干擾，若未采取屏蔽措施，這些干擾將通過電源內(nèi)阻和接地線內(nèi)阻產(chǎn)生自激振蕩，出現(xiàn)了圖3中的干擾信號。 3 屏蔽及電子屏蔽原理3.1 屏蔽定義屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

5、因為屏蔽體對來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。3.2 電磁屏蔽原理電磁屏蔽是用屏蔽導(dǎo)體阻止電磁場在空間傳播的一種措施。它采用低電阻的導(dǎo)體材料，并利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面產(chǎn)生反射以及在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生吸收和多次反射而起到屏蔽作用的，其目的是為了有效地阻止電磁波從一側(cè)空間向另一側(cè)空間傳播。用于電磁屏蔽的屏蔽效能由下式表示：SE(總屏蔽效能，dB)=R+A+B式中，R (反射損耗)的取值如下：平面波： 磁

6、場波： 電場波：A(吸收損耗)=1.314B（反射損耗）=式中，為相對磁導(dǎo)率；為相對電導(dǎo)率；為頻率(Hz)； 為屏蔽材料厚度(cm)；為干擾源到屏蔽體的距離(cm)。由上述公式可以看出，材料的相對電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率對提高電磁屏蔽效能有直接的影響。公式是把屏蔽體看成是一個結(jié)構(gòu)上完全密閉的金屬殼體，電器上連續(xù)均勻無孔隙，是一理想的完整屏蔽體，很容易取得lOOdB以上的屏蔽效能。但在實際的電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中這種理想的完整屏蔽體是不存在的，常常達(dá)不到這種衰減，任何實際應(yīng)用的屏蔽體都有各種必要的孔和縫的泄漏，由此屏蔽效能的表達(dá)式變?yōu)椋篠E (總的屏蔽效能，dB)=R+A+B-泄漏效應(yīng)此公式可以看出，總

7、屏蔽效能還取決于電磁波的泄漏。通過一種或多種的泄漏，損害了屏蔽材料的完整性，大大降低了屏蔽效能。4 電磁屏蔽的具體措施上文提到了理想屏蔽體的概念，但是由于實際的調(diào)頻電源諧振裝置，均有接縫及孔隙等電器不連續(xù)因素，而屏蔽設(shè)計的關(guān)鍵是如何抑制電磁能量從縫隙、通風(fēng)孔、表頭、開關(guān)、指示燈、輸入輸出連接器等因素中的泄漏，使屏蔽效能盡量得以恢復(fù)到接近理論計算值。為了抑制以上諸因素引起的干擾，一般采取如下相應(yīng)的措施。41縫隙的屏蔽縫隙是最常見的泄漏途徑，由于屏蔽體連接處接合表面不平，都會在接合處留下一些細(xì)長的縫隙。調(diào)頻電源諧振裝置的屏蔽體機柜與機柜的側(cè)板和面板、柜體與柜體的蓋板等，當(dāng)這些縫隙長度達(dá)001或更長

8、時，就會引起電磁能量的大量泄漏，在縫隙尺寸不變的情況下，隨著頻率的提高，縫隙泄漏的影響就越大。因此被屏蔽的場頻越高，就越要盡可能減小屏蔽體的縫隙。42通風(fēng)孔的屏蔽為了滿足被屏蔽對象（調(diào)頻電源裝置）的通風(fēng)散熱要求，必須在屏蔽體上開通風(fēng)孔。孔的泄漏與多種因素有關(guān)，如離開場源的距離、電磁場的頻率、開孔的面積和開孔的形狀等。對于某一具體場源而言，泄漏將隨著孔的面積增加而增加，在開孔面積相同的情況下，長方形的孔比正方形的泄漏大正方形的孔比圓孔泄漏大。一般在不同的頻率要求下屏蔽效能的高低，采用的結(jié)構(gòu)形式不同。(1)通風(fēng)孔覆蓋金屬絲網(wǎng)采用環(huán)形壓圈通過緊固螺釘把金屬絲網(wǎng)安裝在屏蔽體的通風(fēng)孔上。如果網(wǎng)孔密、網(wǎng)絲

9、粗及網(wǎng)絲的導(dǎo)電性能好，則網(wǎng)的屏蔽效能就高。一般在100kHz到100MHz的頻段內(nèi)，銅網(wǎng)有較高的屏蔽效能，如果采用雙層銅網(wǎng)，中間處加防塵材料進(jìn)行濾塵，則屏蔽效能可更高。 (2)穿孔金屬板作通風(fēng)孔當(dāng)工作頻率比較低，對屏蔽效能要求不甚高時，用許多小孔代替大口徑的通風(fēng)孔是提高屏蔽體屏蔽效能的有效方法，它可以直接在屏蔽體上開許多小孔進(jìn)行通風(fēng)散熱。與金屬絲網(wǎng)相比，其特點是屏蔽性能穩(wěn)定，因為它不存在金屬絲網(wǎng)固有的網(wǎng)絲交叉點接觸電阻不穩(wěn)定的問題，具有結(jié)構(gòu)與工藝簡單，成本低等優(yōu)點。4.3 電纜連接器的屏蔽連接器也是引進(jìn)干擾的一條途徑，它們的屏蔽效能往往是影響電子設(shè)備整體電磁密封性能的重要因素之一。從屏蔽效能看

10、，螺紋式的連接器高于卡口。1GHz可達(dá)70dB。后者小于30dB。4.4 內(nèi)部連接電纜采用金屬網(wǎng)雙層屏蔽線通常，電線電纜單層銅絲編織密度為80%-90%（相當(dāng)于網(wǎng)眼很小的編織網(wǎng)）。根據(jù)相關(guān)資料，其單層鋼絲編織屏蔽效能可達(dá)50-60dB，而雙層銅絲編織可達(dá)80-90dB。資料表明，在最主要的電磁干擾頻率（1-100MHz）下，雙層金屬網(wǎng)的屏蔽效能可達(dá)50-100dB。且單位長度的銅絲網(wǎng)眼越密（或目數(shù)越大），其屏蔽效能越好。因此，只要恰當(dāng)選擇網(wǎng)眼尺寸的大小，就能得到滿意的屏蔽效能。 表1 雙層銅網(wǎng)的屏蔽性能 （dB）銅網(wǎng)規(guī)格磁場電場60Hz15kHz15kHz1GHz10GHz9目/cm紫銅0.3

11、8mm2368120120777目/cm黃銅0.28mm04012011057指每厘米有9個網(wǎng)眼，紫銅絲的直徑為0.38mm，其他類同。4.5 接地處理 正確的接地是提高整個裝置靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段，接地端子PE的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線截面積應(yīng)2平方毫米。4.6 安裝濾波和隔離變?yōu)V波是壓縮干擾頻譜的一種有效方法，當(dāng)干擾頻譜不同于有用信號的頻帶時，可以用濾波裝置將干擾濾除，恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對抑制傳導(dǎo)干擾十分重要。在調(diào)頻電源諧振裝置的交流輸入側(cè)安裝隔離變壓器，也可以提高輸入電源質(zhì)量，有效地抑制電源干擾。 4.7 軟件抗干擾設(shè)計 在調(diào)頻電源諧振裝置的控制箱的單片機軟件控制部分，也采取必要的抗干擾設(shè)計，如：（1）多用查詢代替中斷，把中斷減到最少，以避免誤觸發(fā)和感應(yīng)觸發(fā)。 （2）A/D轉(zhuǎn)換采用數(shù)字濾波，以防止突發(fā)性干擾。如采用平均法、比較平均法等。(3）在軟件中的關(guān)鍵地方設(shè)置看門狗和軟件陷阱,即使軟件跑飛也能使系統(tǒng)處于受控狀態(tài)。 (4）對于輸入的開關(guān)信號進(jìn)行延時去抖動。 (5）I/O口正確操作，檢查I/O口執(zhí)行命令情況，防止外部故障不執(zhí)行控制命令。 5 總結(jié)本文著重剖析了用于電力系統(tǒng)耐壓、局放試驗的調(diào)頻電源諧振裝置中干擾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、現(xiàn)象，著重闡述了屏蔽、電子屏蔽理論及電磁干擾