影響電能表電磁兼容影響量試驗結(jié)果的誤判原因和抑制措施

劉文芳

(河南省計量科學研究院，鄭州 450008)

0　引言

同一塊電能表在進行電磁兼容影響量試驗時，不同的檢測機構(gòu)得到的相對于參比條件下影響量的變化引起的附加的百分數(shù)誤差(以下簡稱誤差改變量)重復性不高，甚至于不同的檢測機構(gòu)可能得到合格與不合格兩種截然不同的試驗結(jié)論。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因是由于作為輔助設備的EMC試驗用標準裝置(以下簡稱標準裝置)受到干擾后，功能發(fā)生紊亂造成的。這就要求檢測人員在試驗中能夠正確判斷造成誤差改變量超標的原因，是來自輔助設備還是來自被試電能表，以免產(chǎn)生誤判。本文從電磁兼容影響量試驗原理入手，以試驗實例介紹了由于輔助設備受到干擾造成試驗結(jié)果誤判的例子和抑制措施。

1　試驗原理

圖1是按照GB/T 17215.211—2006 《交流電測量設備 通用要求、試驗和試驗條件 第11部分：測量設備》進行電能表電磁兼容影響量試驗的試驗線路示意圖。EMC試驗用標準裝置作為電磁兼容影響量試驗的輔助設備，主要功能是為被試電能表提供參比條件所需的參比電壓和參比電流，并具有直接讀取相對于參比條件下影響量的變化引起的附加的百分數(shù)誤差(以下簡稱誤差改變量)的功能。試驗中，標準裝置通過耦合去耦網(wǎng)絡與被試電能表連接，干擾信號發(fā)生器產(chǎn)生的干擾信號經(jīng)耦合去耦網(wǎng)絡通過一定的耦合方式施加到被試電能表，同時通過去耦網(wǎng)絡消除標準裝置端的干擾信號。

圖1　電能表電磁兼容影響量試驗示意圖

2　試驗實例

對編號為0001的1.0級靜止式有功電能表進行電快速瞬變脈沖群影響量試驗，試驗前被試表加參比試驗電壓為220V，參比試驗電流為2.5A。試驗中發(fā)現(xiàn)誤差改變量超過50％，經(jīng)觀察受試電能表的脈沖指示燈閃爍正常，用萬用表和鉗形電流表監(jiān)測發(fā)現(xiàn)試驗中試驗電壓變?yōu)?01V，試驗電流變?yōu)?.2A，已經(jīng)不符合GB/T 17215.321—2006的要求(GB/T 17215.321—2006交流電測量設備 特殊要求、第21部分：靜止式有功電能表(1級和2級)第8.2款規(guī)定：應單獨地對某個影響量引起的誤差改變量進行測試，所有其他影響量保持為參比條件。)，如果直接判該電能表不合格將造成誤判。

3　試驗結(jié)果誤判原因分析

3.1　由于標準裝置的電壓、電流線路受干擾引起的誤判

理想情況下，標準裝置不應受到干擾信號的影響，但在實際情況下，由于耦合解耦網(wǎng)絡的去耦功能不夠徹底，一部分干擾信號耦合到作為輔助設備的標準裝置，導致標準裝置提供給被試電能表的參比電壓和參比電流發(fā)生變化；另一方面，如圖2所示，當被試表受到電磁輻射干擾時，電磁場既可與被試表內(nèi)部電路和導線以差模直接耦合產(chǎn)生差模干擾電流IDM,又可在火線(L)與大地(E) 、地線(N)與大地(E)間感應共模干擾電流ICM。

圖2　電能表受差模、共模干擾示意圖

3.2　由標準裝置脈沖信號輸入端受干擾引起的誤判

干擾信號通過脈沖采樣線耦合到標準裝置的脈沖信號輸入回路，將高頻干擾信號也作為受試電能表的脈沖輸出信號送到標準裝置的誤差計算器與標準信號進行誤差計算，導致誤差改變量超標。

實際上, 受試電能表的計量芯片只對符合一定頻寬要求的脈沖信號才進行電能量的累加，因此，這些高頻干擾信號只是引起了標準裝置的功能紊亂，而影響量試驗考察的是受試電能表的功能，對于這種原因?qū)е碌恼`差改變量超標，不應判斷為受試電能表不合格。

4　幾種有效的抑制措施

4.1　在電壓、電流回路安裝濾波器

經(jīng)大量試驗發(fā)現(xiàn)，在標準裝置的電壓回路和電流回路中使用濾波器可以有效抑制干擾信號，保證標準裝置輸出的參比電壓和參比電流不發(fā)生變化。下面提供一種抑制差模干擾電流IDM和共模干擾電流ICM的基本電路，如圖3所示。圖中，C1、C2為差模濾波電容，主要用來旁路差模干擾電流IDM，共模扼流圈L有兩個繞在高磁導率磁芯上的下昂同繞線構(gòu)成(如圖4所示)，這種結(jié)構(gòu)使差模電流產(chǎn)生的磁場相抵銷,并以較小的體積獲得較大的電感值,通常為0～10mH，且不用擔心由于工作電流大而導致磁飽和。每個繞組的電感可以有效衰減火線(L)與大地(E) 、地線(N)與大地(E)間流動的共模干擾電流ICM。同時, 共模扼流圈的漏電感也能對差模干擾電流IDM起到一定的抑制作用，C3、C4為共模濾波電容,對共模電流起旁路作用。

圖3　抑制差模干擾、共模干擾基本電路圖

圖4　共模扼流圈結(jié)構(gòu)圖

4.2　在脈沖采集回路采用脈寬檢測電路

在脈沖采集回路采用脈寬檢測電路可有效抑制標準裝置的脈沖信號輸入端的電磁干擾。脈寬檢測電路是由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4098、雙D觸發(fā)器4013和反相器4069構(gòu)成(如圖5所示)。當電路工作時，電能表的輸入脈沖同時加到4098的TR+端和4013的D端，4098的輸出端Q作為D觸發(fā)器的時鐘，當單穩(wěn)態(tài)過程結(jié)束時，4098的Q端輸出脈沖上升沿，將輸入數(shù)據(jù)傳入至4013的輸出端Q，當輸入為低電平時，通過4069的1個門反相后使4013復位，如果在輸入中竄入干擾的噪聲信號，由于干擾的信號寬度小于單穩(wěn)脈沖輸出，盡管也觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，但是在單穩(wěn)結(jié)束時(由暫態(tài)回至穩(wěn)態(tài))，4098的Q端發(fā)生波形跳變，4013的D端已呈低電平狀態(tài)，所以，輸出仍為低電平狀態(tài)(波形圖如圖6所示)，這樣便有效地抑制了干擾。

圖5　脈寬檢測電路

圖6　脈寬檢測電路時序波形圖

通常，按國家標準要求，電能表的輸出脈沖寬度為80ms±20ms，由于干擾信號的頻率很高，且單個脈沖寬度都很小，如電快速瞬變脈沖群的脈沖寬度是50ns，所以，可采用上述脈寬檢測電路設計，當采樣的脈沖寬度大于30ms時，視為有效脈沖，小于30ms時，為無效脈沖，這樣就可以把電能表的正常脈沖采集下來，而把干擾信號的脈沖給予濾除。

在脈沖采集回路加裝脈寬檢測電路后，通過對編號為0001的1.0級靜止式有功電能表重新進行電快速瞬變脈沖群影響量試驗，結(jié)果誤差改變量由超過50％降為1.5％，達到預期的試驗效果;再進一步對標準裝置按照上述措施進行了整改，經(jīng)長期監(jiān)測其輸出電壓和輸出電流，證明上述措施非常有效。

用脈寬檢測電路做抑制干擾信號的方法與濾波的方法相比，有以下優(yōu)點：首先這是一種脈沖寬度檢測，不會產(chǎn)生濾波方法中濾不干凈的現(xiàn)象；第二是該方法不會對有效的電能表正常脈沖幅值進行衰減，可保證有效的觸發(fā)計數(shù)；第三是該方法保證了采樣波形幅值的完整性。

5　結(jié)語

電能表電磁兼容影響量試驗復現(xiàn)性差，檢測人員必須正確判斷造成誤差改變量超差的原因是否由被試電能表的功能降低所引起，才不致于引起試驗結(jié)果誤判。對有些誤差改變量超差較大的被試電能表，從脈沖指示燈與試驗前相比明顯不一致可以明確判斷該電能表電磁兼容影響量試驗不合格，對于誤差改變量超差較小的被試電能表，不能從顯示的誤差改變量馬上判斷該電能表電磁兼容影響量試驗不合格，可延長試驗時間，從被試電能表的電能累計值判斷該電能表的電磁兼容影響量試驗是否合格。經(jīng)過大量試驗證明，通過電能累計值和標準裝置兩種方法得到的電能表電磁兼容影響量試驗結(jié)果是一致的。

作者認為國家標準還應該對耦合解耦網(wǎng)絡的技術(shù)指標作出要求，如果干擾信號經(jīng)去耦后能夠徹底消除，也就從根本上解決了作為輔助設備的標準裝置受到干擾從而影響試驗結(jié)果的問題。目前，其它電子產(chǎn)品的電磁兼容試驗也有類似問題，被試設備正常工作，但輔助設備受到干擾后無法正常工作，甚至損壞，造成試驗無法進行。因此，提高耦合解耦網(wǎng)絡的去耦效果是一種更為有效的措施。

[1]JJF 1245.1—2010安裝式電能表型式評價大綱通用要求

[2]GB/T 17215.211—2006交流電測量設備通用要求、試驗和試驗條件第11部分：測量設備

[3]GB/T 17215.321—2006交流電測量設備特殊要求、第21部分：靜止式有功電能表(1級和2級)

[4]劉文芳，趙軍，邵峰. 脈寬檢測法抑制電能表電磁干擾的方法.電測與儀表，2013(S1)

[5]趙軍，王卓，楊明鏡. 如何正確判斷電能表電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗的結(jié)果.計量技術(shù)，2002(9)