电磁兼容技术在电力自动化系统中的应用分析

电磁兼容技术在电力自动化系统中的应用分析

摘要: 随着电力系统自动化设备的广泛应用,电磁兼容技术问题越来越突出,必须充分注意并加以研究。本文是作者在近几年的工作中，就电磁兼容技术在电力自动化系统中的应用相关问题进行了简要的阐述和分析。以供参考！

关键词:电磁兼容 电力系统自动化 应用分析

0前言

电磁兼容性( Elect romagnetic Compatibility 简称EMC) 指的是设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰能力。电磁兼容技术是以解决实践中的电磁干扰而出现并发展起来的一门新兴学科。随着电力系统自动化设备的迅猛发展和广泛应用,电力系统自动化设备的电磁兼容问题显得越来越突出。特别是电力系统继电保护、通信、控制和测量领域中应用的计算机系统(包括单片机系统) ,电磁兼容问题更为突出。在发达国家目前形成了一套完整的EMC 技术工作体系,包括理论研究、试验与测试、规范标准及抗干扰技术等,为了提高我国电力系统自动化设备在国际市场和国际招标的竞争能力,亟需加强EMC技术的研究和技术管理工作,使EMC 技术标准和技术管理标准与国际标准接轨。

1．电力系统自动化设备电磁兼容问题

由于电力系统本身是众多一次系统设备和二次系统设备的集合体,因此电力系统自动化设备作为二次系统设备的一部分,其电磁干扰的来源十分复杂。外来电磁辐射、一次系统设备、二次系统设备、二次系统设备之间、自动化设备内部元件之间、各传送通道间的电磁干扰均对自动化设备产生干扰与破坏。

(1)电力系统自动化设备均包含有以微机系统为核心的大规模数字电路和模拟电路,其中应用最多的是二极管、集成电路块、A/ D 转换电路等,它们既是干扰源, 又是对干扰敏感的器件, 尤其以CMOS、D/ A 最为敏感。

(2)干扰信号在微机系统表现的形态有差模与共模两种形态。电磁干扰侵入微机系统的主要途径有电源系统、传导通路、对空间电磁波的感应3 方面(包括内部空间的静电场、电磁场的感应) 。其中静电场、电磁场的感应在微机系统内部普遍存在,静电是CMOS 电路的大敌。由于微机系统工作于低电压大电流方式,电源线、输入输出线构成高速大电流回路,故有较强的电磁感应。

(3)微机系统之间的内部传输线有延时、波形畸变、受外界干扰等3 方面问题。

(4)脉冲干扰是研究的重点,因为微机系统是以识别二进制码为前题的,其组成以数字电路为主,数字电路传送的是脉冲信号,同时也易对脉冲干扰敏感。以

开关模式工作的开关及开关电源变化频率高达几十万Hz ,容易在内外产生脉冲干扰。

(5)对电源影响比较敏感。电源对电子系统的影响有电源波动影响和系统作用影响两个方面。所谓电源波动影响是指由于电源波动引起的信号紊乱和系统失调。系统作用影响是指因电源是系统所有信号的交叉点而引起的系统各信号之间的相互影响。系统作用的大小与电源功率裕度、滤波能力及电源连线方式、分布形状有关。

2．电磁兼容技术的设计方法

影响微机系统电磁兼容性的因素见下式:

N (ω) = G(ω) C(ω) / I (ω)

式中: N (ω) ———干扰对系统(或设备) 的影响;

G(ω) ———干扰的强弱;

C(ω) ———干扰传输的耦合函数;

I (ω) ———受干扰系统(或设备) 的抗干扰能力,即敏感度阀值。

显然,影响系统(或设备) 受干扰严重程度的因素有3 个方面,他们都是频率的函数。该数学模型提示了提高抗干扰能力的原理是: ①切断干扰源, 即减小G(ω) ; ②减小耦合, 即减小C(ω) ; ③提高受干扰系统(或设备) 的敏感度阀值,即加大I (ω) 。在实际情况中,往往是3 个因素综合考虑,并按①②③的顺序去采取措施,以获得最佳的效果。

电磁兼容技术的设计要从电磁兼容的3 个基本要素着手,从原理的可行性、元器件的选择、加工生产工艺、安装运行环境等几个方面来考虑。把握不同类型电磁干扰的本质,对不同的干扰频率、频谱采用相应的滤波、隔离、接地、屏蔽等措施。

2. 1滤波

滤波是利用滤波器来抑制电磁干扰,滤波器是由集中参数的电阻、电容和电感,或者是分布参数的电阻、电容、电感构成的一种网络,这种网络只允许有用信号的频率分量通过,阻止其他干扰频率通过,使电磁干扰减少到满意的工作电平上。滤波器是防止传导电磁干扰的主要措施,如电源滤波器解决传导干扰的问题;滤波器同时也是解决辐射干扰的重要武器,如抑制无线电干扰,在发射机的输出端和接收机的输入端安装相应的电磁干扰滤波器,滤掉干扰信号,以达到电磁兼容的目的。滤波器工作方式有两种:一种是不让无用信号通过,并把它们反射回信号源;另一种是把无用信号在滤波器里消耗掉。在采用滤波方法来抑制传导干扰时,首

先要了解干扰源的频谱、干扰源在频带中的分布情况,干扰波幅值等。可以通过干扰仪器来检测,获得干扰源的频带分布和幅值,有针对性地选择滤波器的种类或者设计滤波器电路。

2. 2隔离

隔离是干扰线路(馈线) 周围存在干扰电磁场,当其他线路(导线) 在其附近时,由于电磁耦合而形成干扰。防止这种干扰最简单而有效的方法是将干扰线路与其它线路隔离开来,以切断或削弱它们之间的电磁耦合。隔离的原则和方法是:

(1)干扰线路和其他线路尽可能不要平行排列,如必须平行,导线间距L 与导线直径D 之比应不小于40 ( L / D ≥40) , 在可能情况下导线间距应尽量大些,并且平行部分的长度越小越好;

(2)敏感线路与一般线路如平行排列,其间距应大于50 mm ;

(3)电源馈线与信号线应予隔离,当他们平行排列时,其间距应大于50 mm ;

(4)高频导线是对其他线路干扰最大的线路,一般都要屏蔽;

(5)有些脉冲线路的脉冲功率较大,对其他线路构成严重干扰,应按干扰线路对待。至于电平较低,功率很低的数字电路可按一般线路处理,原则上按敏感电路对待,也可根据具体情况处理。

2. 3接地

接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的低电阻的通路,把系统中电子元件的零电位互相连接起来,再把它们同时与某个等价于“地”的参考点连起来。具体方法可以将理想的接地体作为一个零电位、零电阻的物理实体,作为与各有关电路中信号电平的参考点,任何不需要的电流通过它都不产生电压降,这种理想的接地体实际上是近似的,在设备上接地是为了使设备本身所流过的干扰电流经过接地线流入大地,减少干扰源所传播和发布的能量。接地的主要目的是防止电磁干扰,消除公共电路阻抗的耦合,也是为了保障人身和设备的安全。基本接地技术有浮地、单点接地、多点接地和混合接地4 种。

(1)浮地常用于电路或设备工作状态不能与公共地或大地相连接,它的原理近似于起到隔离变压器的作用;

2)单点接地是所有需要接地的引线全部接到一个点,再由这个点直接与地相连接。一般用于抑制频率在1 MHz 以下的干扰信号;

(3)多点接地是指系统或设备中所需接地的引线直接接到离它们最近的地上。一般用于抑制频率在10 MHz 以上的干扰信号;

(4)混合接地是在复杂情况下,设备或单元电路的接地难以通过一个简单的接地形式来解决而采取的混合形式,用于干扰信号频率在1～10 MHz 的情况。

利用接地的方式可以减少或衰减干扰源的能量,但应注意以下几点: ①接地线尽量短; ②接地线阻抗要尽可能小; ③应采用金属材料相同的导线作为接地线; ④接地线的接地点应有良好的导电性能; ⑤接地线的连接点要有足够的机械强度。

2. 4屏蔽

屏蔽就是用导电或导磁材料制成的盒、壳、屏、板等将电磁能限制在一定空间范围内,使场的能量从屏蔽体的一面传到另一面时,受到很大衰减而防止电磁干扰的措施。有电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽3 种方法。

电力系统自动化设备的电磁兼容技术也是基于上面的理论,对不同功能、不同安装地点、不同结构的设备应分别有侧重点的采取不同的电磁兼容技术措施。

3．电磁兼容技术在电力系统自动化设备中的应用

电力系统自动化设备是由微机系统(或单片机系统) ,D/ A 转换电路、A/ D 转换电路、电源回路、外围驱动电路、外围电路、通讯电路等构成的一个系统或者一个网络。在研究电力系统自动化设备电磁兼容问题的同时,也要对其各个构成电路或系统的电磁兼容性加以重点研究。目前,我国电力系统自动化设备电磁兼容技术主要有以下几种:

(1)频率设计技术。频率设计技术要解决的是频率兼容的问题,也是微机系统设计中的比较复杂的技术之一。微机系统要能使用统一频率元,保证频率特性的要求。频率设计包括电平(幅度边沿和频率) 核实、最高工作频率设计以及降频和谐波分离(低频信号的频率不与高频信号成整倍数,特别是A/ D 转换的速率) 技术;

(2)接地技术。接地技术包括两个方面,一方面是电源内阻分析技术,另一方面是接地点和地线设计技术。电源内阻的分析实际上就是对电源最大瞬时功率的分析。接地点和地线分析设计的原则是做到频率隔离、功率隔离。频率隔离是指高低频系统分开, 功率隔离是指弱功率和大功率分开;

(3)电源技术。电源技术一方面包括了电源特性的设计,例如电源要保证有适当的容性电流吸收能力和一定的功率裕度,另一方面还包括系统电源性质的选择,如使用电池还是使用整流电源,所有电源的种类,电源之间是否需要交换,集中供电还是分布式供电等;

(4)布线技术。要降低各管脚和连线之间的相互影响,必须对分布参数加以限制。分布参数主要由系统的布线所决定,因此,布线是系统或设备电磁兼容技术

的关键,也是系统或设备电磁兼容技术设计的基本体现。布线技术包括环绕布线、线径选择、分层处理等;

(5)降频控制技术。对输出的高频信号,在保证系统正常工作的情况下尽量降低频率,对某些输出信号采取平滑措施(例如L ED 驱动电路中加入适当的电阻和电容) 。对功率较大的输出信号(包括低频阶跃信号, 如PWM 输出等) 尤其要考虑降频处理;

(6)多层板去耦技术。随着微机系统的频率越来越高以及电路的几何尺寸不断缩小,多层板电路已成为印制电路板的主要模式。多层板的一个重要功能就是可以大大地降低系统各连线之间的分布参数影响;

(7)表面贴片技术。表面贴片是一种使集成电路与印制电路板形成一体的电路制作技术。集成电路出厂时不加封装,而是直接出厂裸芯片。电路制作时利用焊接技术把裸芯片粘贴到印制电路板表面,这种电路不仅体积小,而且电磁兼容的性能大为提高;

(8)软件技术方法。当外界干扰窜入并破坏了程序的正常运行时,就会产生程序“跑飞”,程序走,中断不响应和芯片内信息发生变化,从而产生误动作等。通常可以通过如下几种方法实现软件抗干扰: ①加入空指令,目的是使微机的指令地址纳入正规,以便执行下面的指令; ②收留井法,即在空指令后再增加处理“跑飞”的程序; ③定时监视主程序; ④由主程序监视中断运行情况; ⑤采取容错技术,用时间冗余或信息冗余方法进行抗干扰和提高可靠性。

由于电力系统自动化设备运行的电磁环境十分恶劣,因此,必须对其安装运行环境采取相应的抗干扰措施。目前,工程上采取的方法如下: ①良好导磁材料机箱的选用及合理设计(机箱的尺寸大小,接插件的合理布置,接线端子的引出方式等) ; ②设备安装环境应采取的措施(主控室应采取屏蔽、接地等措施) ; ③设备运行和管理人员必要的电磁兼容知识的培训; ④其他措施。

4．电磁兼容的试验方法

检验电磁兼容措施实施的效果要通过一些必要的试验,常用的电磁兼容试验有:谐波试验、间谐波试验、信号系统干扰试验、阻尼振荡试验、快速瞬变试验、静电放电试验等。

5．电力系统自动化设备电磁兼容问题的新动向

微机系统是电力系统自动化设备的核心部分。

随着计算机技术的高速发展,电力系统自动化设备必将向着高速度、高灵敏度、小型化、多功能、大系统的方向发展,这就使电力系统自动化设备电磁兼容问题有了一定的新内容。例如,高速度带来宽带噪声,高灵敏度使原可略去的弱小干扰信号不可忽略,小型化增加了内部的耦合干扰,大系统使干扰源增多,干扰问

题更为恶化。预计今后的电磁兼容性将涉及如下问题:

(1)集成电路元件的封装材料含有微量的天然放射性同位素钍和铀,它们的原子裂变将产生α射线,使存储器误动作。因此,要从元器件的制造技术和系统的制造两个方面考虑电磁兼容的设计问题;

(2)数字逻辑电路与软件技术的微妙结合,正成为抑制干扰的有力武器。软件的应用将占越来越大的比重。例如,利用错误纠正码的软件手段检查并纠正错误,是去掉进入系统后的干扰的危害或切断干扰的有力手段;

(3)在抗静电干扰措施中,用“分布式的静电保护涂覆”弥补静电保护的不足。在CMOS ,A/ D等芯片板及印制电路板的接头上作静电涂覆,取得了很好的效果;

(4)随着干扰情况的复杂化,统计处理的方法将得以充分利用;

(5)采用光纤电路抗电磁脉冲干扰被认为是最理想的途径。目前,光纤通讯已进入电力系统自动化设备的实用阶段,随着纤维光学和光计算机技术的发展,电力系统自动化设备的电磁兼容技术必将提高到一个新的阶段。

结束语

随着电力系统自动化设备的广泛应用,电磁兼容技术问题越来越突出,必须充分注意并加以研究。结合电力系统电磁兼容的特点,阐述了电力系统自动化设备的电磁兼容的特殊性,提出了几种实用的电磁兼容技术和电磁兼容技术的设计和试验方法,并对电力系统自动化设备电磁兼容的新问题做了预测，同时也说明，当前的首要工作是要大力推广现有的、成熟的电磁兼容技术,建立完善的试验、测试制度和检验标准,培养专门的研究电磁兼容技术的人才,研究电磁兼容技术的新问题、新方向,促进电力系统自动化设备电磁兼容技术的大力发展。