變電站微機(jī)保護(hù)測控裝置的電磁兼容及應(yīng)對措施

李紅兵 張展華

(中國船舶重工集團(tuán)公司712研究所，武漢 430064 )

1 引言

微機(jī)保護(hù)測控裝置以其先進(jìn)的原理及結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試簡單，運(yùn)行維護(hù)方便，保護(hù)動(dòng)作迅速、靈敏度高，可靠性強(qiáng)且能自動(dòng)記錄故障信息等顯著優(yōu)點(diǎn)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

作為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的底層終端設(shè)備，通常安裝在現(xiàn)場開關(guān)柜上，這就對設(shè)備的整體綜合可靠性提出了特殊的要求，微機(jī)保護(hù)測控裝置在生產(chǎn)現(xiàn)場存在嚴(yán)酷的電磁環(huán)境，而變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部各自子系統(tǒng)都為低電平的弱電系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的信號處理器件（傳感器、變送器、傳輸線）靈敏度高，對電磁干擾的敏感性強(qiáng)，該裝置在強(qiáng)電磁干擾下，會出現(xiàn)運(yùn)行異常，甚至元器件損壞，即該裝置的電磁兼容問題所致。

2 電磁兼容

2.1 電磁兼容的產(chǎn)生使裝置受到的干擾

電磁兼容，簡單的說就是一個(gè)裝置在電磁干擾環(huán)境中的正常工作的適應(yīng)能力。電磁干擾在變電站微機(jī)保護(hù)測控裝置中無處不在，對變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)造成不良后果。

（1）電源回路受干擾；

（2）模擬量輸入通道受干擾；

（3）開關(guān)量輸入、輸出通道受干擾；

（4）CPU和數(shù)字電路受干擾。

對微機(jī)保護(hù)測控裝置來說，要提高系統(tǒng)的可靠性，就是采取相應(yīng)的抗電磁干擾防護(hù)措施消除或降低干擾帶來的危害。下面從硬件和軟件兩個(gè)方面來列出微機(jī)保護(hù)測控裝置抗電磁干擾所采取的防護(hù)措施。

2.2 裝置硬件方面的抗電磁干擾措施

硬件通常抑制電磁干擾的措施包括三方面的內(nèi)容：一方面是積極地防范電磁干擾的措施，即抑制干擾源；另一方面是消極防患電磁干擾措施，即阻斷干擾途徑；再一方面是預(yù)防性抑制電磁干擾的措施，即降低受干擾裝置的噪聲敏感度。微機(jī)保護(hù)研究的重點(diǎn)是“阻斷電磁干擾途徑”及提高微機(jī)保護(hù)測控裝置的抗電磁干擾水平。

通常，微機(jī)保護(hù)測控裝置在硬件設(shè)計(jì)上采用以下抗電磁干擾措施：

（1）阻塞耦合通道

電源濾波、旁路/退耦電容、輔助變流器/變壓器電屏蔽、光電隔離、弱電系統(tǒng)浮地、強(qiáng)弱電信號走線分離、磁屏蔽、單點(diǎn)接地、雙絞線、PCB板內(nèi)合理分塊布線等措施；

（2）提高敏感設(shè)備的電磁敏感度

去耦電容、多層印制板、電磁波屏蔽、邏輯與5 V系統(tǒng)總線不外引，各CPU間通訊采用雙絞線等措施；

下面給出了本裝置機(jī)箱及對外引線端子所采取的屏蔽及隔離措施：

（1）機(jī)箱：用防銹鋁板，采用 2.5mm的薄板，成形后再作導(dǎo)電氧化處理。機(jī)箱前后兩面開口，其余各面用型材料螺釘安裝而成，組裝容易，接縫嚴(yán)密，可防止孔縫泄漏，接地良好，裝置就能順利通過靜電放電干擾試驗(yàn)和工頻磁場干擾試驗(yàn)。

（2）電源：從干擾源入手抑制開關(guān)電源內(nèi)部噪聲；從干擾傳輸途徑入手在開關(guān)電源輸入端口的濾波；從敏感設(shè)備入手在弱電回路設(shè)置濾波；從減少5 V，5 V GND的長度及其環(huán)路面積入手采用分布電源。

（3）開關(guān)量輸入、輸出回路：

①慎重選取光耦器件；設(shè)計(jì)印制板時(shí)，一定要樹立“光耦器件是一個(gè)比較敏感的器件”的概念；電路中設(shè)置EMI器件，以提高共?；芈返淖杩箒硪种聘蓴_；

②依靠軟件延時(shí)、連續(xù)多次讀取開關(guān)量輸入來確認(rèn)開關(guān)量狀態(tài)。

（4）交流回路：減小輔助變流器/變壓器原、副邊的耦合電容；增加共模騷擾回路的阻抗。

（5）各電路印制板與主板之間安裝和取出方便，印制板的屏蔽和間距良好地解決了電磁干擾問題。

2.3 裝置軟件方面的抗電磁干擾措施

采用硬件抗電磁干擾措施可大大提高裝置的可靠性。一旦干擾突破了由硬件組成的防線，可由軟件進(jìn)行糾正，以防造成微機(jī)工作出錯(cuò)，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)。微機(jī)保護(hù)測控裝置在軟件方面采取了以下抗電磁干擾措施：

（1）系統(tǒng)自檢程序可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，自檢程序可對內(nèi)部RAM、FLASH ROM、I/O通道、傳感器等進(jìn)行故障檢測和診斷，這樣就能了解系統(tǒng)各個(gè)器件的運(yùn)行狀況，進(jìn)行及時(shí)有效的維護(hù)。并可避免因器件原因使系統(tǒng)受干擾而不能工作的情況；

（2）對開關(guān)量的采集采用多次采集進(jìn)行表決，才確認(rèn)開關(guān)變位；對故障采用連續(xù)多次的確認(rèn)方法；

（3）采用數(shù)字濾波可以克服計(jì)量算法的分散性，如電壓、電流的計(jì)算采用了滑動(dòng)平均濾波的方法，有效地消除了瞬時(shí)干擾的影響；

（4）程序每次上電初始化時(shí)，均對整定值進(jìn)行校驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則啟用備份數(shù)據(jù)；

（5）程序中設(shè)計(jì)了自檢程序，可通過人機(jī)接口測試?yán)^電器、指示燈、校驗(yàn)RAM、校驗(yàn)定值、A/D通道等；

（6）軟件采用數(shù)據(jù)冗余及看門狗等技術(shù)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3 微機(jī)保護(hù)測控裝置的抗擾度要求

3.1 裝置各個(gè)端口電磁兼容要求

GB/T 7261-2000及IEC 60255-26提案規(guī)定了量度繼電器和保護(hù)裝置各個(gè)端口的電磁發(fā)射及抗擾度的試驗(yàn)項(xiàng)目及水平。發(fā)射試驗(yàn)規(guī)定了機(jī)箱外殼端口及電源端口產(chǎn)生的電磁騷擾不得超過影響到其它裝置正常工作的限值，抗擾度試驗(yàn)考核了連續(xù)的瞬態(tài)傳導(dǎo)性騷擾、靜電放電及輻射騷擾對量度繼電器和保護(hù)裝置影響情況。具體的抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

3.2 幾種瞬變騷擾分析、比較

裝置電磁兼容試驗(yàn)包括：靜電放電(ESD)干擾試驗(yàn)、輻射電磁場干擾試驗(yàn)、1 MHz和100 kHz衰減振蕩波干擾試驗(yàn)、浪涌(沖擊)干擾試驗(yàn)、快速瞬變脈沖群干擾試驗(yàn)。

GB/T 7261-2000和GB/T 17626.X (idt IEC 61000-4-X)抗擾度試驗(yàn)中有相當(dāng)數(shù)量是傳導(dǎo)性瞬變騷擾干擾。瞬變騷擾的起因是多種多樣，如開關(guān)動(dòng)作、電網(wǎng)故障、自然現(xiàn)象等。由于電子設(shè)備發(fā)展趨向于數(shù)字系統(tǒng)，使得瞬變騷擾試驗(yàn)顯得尤其重要。描述瞬變騷擾的重要特征:

a) 干擾是單方向的，還是振蕩的瞬變；

b) 干擾幅度及持續(xù)時(shí)間；

c) 振蕩瞬變的衰減系數(shù);

d) 脈沖強(qiáng)度或能量；

e) 上升時(shí)間(或最大電壓梯度dv/dt)；

f) 干擾的重復(fù)率。

此外，瞬變騷擾對敏感設(shè)備的作用的方式:共模瞬變干擾、差模瞬變干擾。

表2給出了靜電放電ESD,1MHz衰減振蕩波、電快速瞬變EFT、浪涌四種典型的瞬變騷擾信號的特性比較。

瞬變騷擾的快速上升沿是破壞電路工作的最主要因素，因?yàn)樗鼈冊趥鬏斶^程中衰減最小，并在感性地線和信號線中產(chǎn)生較大的電壓。對數(shù)字電路影響較大。電源回路瞬態(tài)包括差模及共模兩種形式。差模尖峰電壓往往有較慢的上升時(shí)間和較高的能量，為了防止輸入電路損壞，需要采取抑制措施。而抑制共模瞬態(tài)更困難一些。

表1 各個(gè)端口對應(yīng)的抗擾度試驗(yàn)

表2 幾種瞬態(tài)干擾比較

4 結(jié)論

本文從分析變電站微機(jī)保護(hù)測控裝置的電磁兼容問題來源著手，綜合采取各種軟硬件抗電磁干擾措施消除或降低電磁干擾帶來的危害，使微機(jī)保護(hù)測控裝置在變電站使用中運(yùn)行更合理、更安全。相應(yīng)的措施使微機(jī)保護(hù)測控裝置通過了國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式試驗(yàn)，取得了電磁兼容檢驗(yàn)證書，為變電站安全可靠的運(yùn)行提供了有力的保障。

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