智能組件電源電路的電磁干擾防護(hù)設(shè)計淺析

于維娟等

【摘 要】智能組件是智能高壓電器的重要組成部分，智能組件電源電路對智能組件工作可靠性有著重要影響。在分析智能組件電磁干擾類型和干擾原理的基礎(chǔ)上，針對不同電磁類型干擾提出了相應(yīng)防護(hù)措施，并通過具體電路設(shè)計和電磁兼容試驗驗證了電磁干擾防護(hù)措施的有效性。

【關(guān)鍵詞】高壓電器；智能組件；電磁干擾；電源電路

The Analysed of the Intelligent Power Circuit Components of Electromagnetic Interference Shielding Design

YU Wei-juan SONG Ya-kai

（Pinggao Group Co.， Ltd.， Pingdingshan Henan 467001， China）

【Abstract】Smart Component is an important part of smart high-voltage electrical appliances， intelligent power circuit components of the smart component reliability has an important impact. Based on the analysis of smart power circuit components of electromagnetic interference on the proposed intelligent power circuit components related to protective measures against electromagnetic interference， and the examples set forth by the specific application of circuit protection measures.

【Key words】High-voltage electrical appliances； Intelligent components； Electromagnetic interference； The power supply circuit

0 概述

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)一次設(shè)備智能化已經(jīng)成為智能電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。電力系統(tǒng)一次設(shè)備處于電力系統(tǒng)主電路中，正常工作狀態(tài)下一般都承受著高電壓、強電流，與高壓電器配套的智能組件裝置一般都安裝在高壓電器附近，其工作環(huán)境也面臨著復(fù)雜的電磁干擾，因此，智能組件需要較好的抗電磁干擾性能[1]。

對于電子裝置而言，電源電路自身的穩(wěn)定性和可靠性對裝置的整體性能有著至關(guān)重要的影響。一方面，電源電路需要為裝置的其它芯片或電路提供穩(wěn)定的工作電壓，另一方面，由于電源端口直接與外界連接，許多有破壞性的干擾會通過電源端口進(jìn)入裝置內(nèi)部，對內(nèi)部電路的正常工作造成影響甚至破壞，因此，在高壓電器智能組件的設(shè)計過程中，需要對電源電路進(jìn)行電磁兼容設(shè)計以提高電源電路的抗干擾能力[2]。

1 智能組件電源電路的電磁干擾問題

在變電站現(xiàn)場，按照對電子裝置影響的不同，智能組件電源電路的電磁干擾大致分為兩類，分別是破壞性干擾和非破壞性干擾。

1.1 破壞性干擾及其來源

破壞性干擾是能夠?qū)ρb置造成一定破壞性的干擾，此類干擾的特點是能量較大，一般是高電壓或大電流，或者是脈沖群。此類干擾一般具有較大的能量，通過端口耦合進(jìn)入電子電路中，可能對端口電路器件造成不可逆的破壞，如：雷擊、浪涌沖擊等干擾。

在變電站現(xiàn)場，能夠?qū)χ悄芙M件裝置產(chǎn)生破壞性的干擾主要來源于機械式高壓開關(guān)的操作、雷擊產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓和暫態(tài)過電流以及電網(wǎng)中故障或負(fù)荷突變引起的電壓變化、暫降等[3]。這些干擾可能通過導(dǎo)線耦合、電磁感應(yīng)等方式進(jìn)入到電源端口，對裝置內(nèi)部電路造成一定的破壞。目前，標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容試驗項目中，模擬此類干擾的主要是浪涌抗擾性試驗、振蕩波抗擾度試驗等。對于此類具有一定破壞性的干擾，在設(shè)計過程中，防護(hù)措施的思路以疏導(dǎo)、隔離為主。

1.2 非破壞性干擾及其來源

此類干擾對裝置本身并不會造成一定的破壞性，但是能夠干擾裝置的正常工作，對通信、解碼、運算等電路工作造成一定的影響，造成裝置誤動作或通信中斷等，此類干擾的能量較小，但是一般有較高的頻率，如：高頻輻射騷擾等。

在變電站現(xiàn)場，能夠?qū)χ悄芙M件裝置產(chǎn)生非破壞性干擾的主要來源是機械式高壓開關(guān)操作產(chǎn)生的振鈴波、局部放電和無線通信產(chǎn)生的高頻信號以及電力系統(tǒng)暫態(tài)過程產(chǎn)生的高頻電磁場輻射等。此類干擾容易通過輻射、耦合、沿導(dǎo)線傳導(dǎo)等方式從電源端口進(jìn)入到智能組件裝置內(nèi)部，對電源電路自身以及晶振、數(shù)據(jù)處理、通信等頻率較高的電路產(chǎn)生干擾從而引起裝置的誤動作、通信的中斷、裝置死機等故障，威脅智能組件裝置的可靠性。

2 智能組件電源電路的電磁干擾防護(hù)措施

針對上述兩種不同的干擾，在電路設(shè)計上可采取不同的措施。第一種干擾破壞性較強，因此在設(shè)計過程中以疏導(dǎo)釋放干擾能量的防護(hù)措施為主；第二種干擾能量較小，在設(shè)計過程中以消耗吸收、屏蔽干擾能量的抗干擾措施為主。

2.1 破壞性干擾的防護(hù)措施

在設(shè)計過程中，采用防護(hù)器件對破壞性干擾能力進(jìn)行泄放是應(yīng)對此類干擾的主要手段，此類防護(hù)器件的特性是：當(dāng)器件兩端低于自身閥值電壓時，器件表現(xiàn)出高阻抗特性，一旦器件兩端電壓高于自身閥值電壓，立刻表現(xiàn)為低阻抗、大通流能力的特性。目前常用的防護(hù)器件主要有以下幾種：

1）玻璃氣體放電管

此類器件既有氣體放電管的抗大浪涌電流能力，又有半導(dǎo)體器件的快速通斷能力，從而使器件表現(xiàn)出耐沖擊、響應(yīng)速度快（納秒級）、性能穩(wěn)定、可重復(fù)使用等優(yōu)良性能。目前，該類器件當(dāng)通流能力達(dá)到3000A時，其耐受電壓可以做到4500V。

2）壓敏電阻

壓敏電阻是一種半導(dǎo)體器件，其原料以氧化鋅（ZnO）為主，根據(jù)器件兩端承受的干擾信號的電壓特性不同，該類器件又可分為三種類型：第一，浪涌抑制型，此類型器件所要承受的電壓為隨機的瞬態(tài)過電壓；第二，高能型，此類器件需要吸收發(fā)電機勵磁線圈的能量；第三，高功率型，此類器件兩端所承受的干擾信號是脈沖群，單個脈沖的能量不大，但是由于頻率高，信號的平均功率比較大。

3）TVS管

TVS管（Transient Voltage Supperssor）又稱為瞬變電壓抑制二極管，該類器件的正向特性與普通二極管的特性一致，但是，其反向特性則表現(xiàn)為典型的PN結(jié)雪崩器件。當(dāng)承受瞬間的高能量時，該器件會以極高的速度降低其自身阻抗，與此同時，能量以器件為通道泄放掉。該類器件最大的優(yōu)點是自身阻抗的變化頻率可以很高，能夠達(dá)到10-12S量級速度。

4）接地與屏蔽

接地和屏蔽不是破壞性干擾問題的來源，但是，良好的接地系統(tǒng)以及電磁場屏蔽對解決此類問題具有良好的作用。接地系統(tǒng)設(shè)計的目的是提供一個低阻抗的瞬態(tài)干擾信號的泄放路徑；屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵是整個屏蔽結(jié)構(gòu)的電連續(xù)性。

2.2 非破壞性干擾的防護(hù)措施

頻率較高的非破壞性干擾，一般采用濾波的方式，將干擾信號濾除。目前，常用的濾波器件主要有以下幾種：

1）鐵氧體磁環(huán)

鐵氧體磁環(huán)，又稱電磁兼容環(huán)，是一種以鐵氧體為原材料的濾波器件。其特性是：當(dāng)通過磁環(huán)的信號頻率較低時，磁環(huán)自身的阻抗很小，當(dāng)通過磁環(huán)的信號頻率升高時，磁環(huán)的阻抗急劇增加。由于電源電路一般都是直流或者工頻，信號頻率較低，利用此特性，把磁環(huán)直接套在電源電纜上，可以吸收高頻干擾信號。

2）共模電感

一般情況下，把兩條線分別對地直接的干擾稱為是共模干擾[4]。干擾一般采用共模電感的方式去除。共模電感，將兩個線圈繞在同一個鐵心上，且匝數(shù)、相位均相同，正常電流流經(jīng)共模電感時，兩個線圈產(chǎn)生相反的磁場，相互抵消，共模電流流經(jīng)時，由于共模電流的同向性，兩個線圈產(chǎn)生大電感，表現(xiàn)出高阻抗特性。

3）電容

電容用于電源電路電磁兼容設(shè)計時，其作用有：濾波、穩(wěn)壓、去耦和旁路[5]。但是，在使用電容時需要注意，電容有其自諧振頻率，當(dāng)電路中信號頻率在自諧振頻率以上時，電容呈現(xiàn)出電感特性。

3 智能組件電源電路電磁干擾防護(hù)設(shè)計實例

如圖1所示，該電路是某智能組件電源端口電路，其外接DC24V直流電源，經(jīng)過一系列保護(hù)措施進(jìn)入組件電路板內(nèi)部，供智能組件電路使用。

24V電源端口處，正負(fù)線放置兩個放電管G1、G2，放電管的正極分別連接電源線的正負(fù)線，負(fù)極與屏蔽地FG（機殼）連接，正常工作時，端口線對地電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到放電管導(dǎo)通電壓，放電管閉合，電能正常進(jìn)入到后續(xù)電路，在端口遭受共模大電壓沖擊時，放電管導(dǎo)通，能量通過FG泄放，待沖擊消失后，放電管迅速恢閉合，電路正常工作。電容C23、C25組成濾波電路，對進(jìn)入端口的高頻信號進(jìn)行濾波。R3為壓敏電阻，其作用是防止差模大電壓信號沖擊。共模電感T的作用是濾除共模高頻干擾信號。電容C1、C2的作用是進(jìn)一步濾波。TVS管T2的作用是消除靜電干擾。

為了驗證上述電路設(shè)計的有效性，對圖1電路所屬的智能組件進(jìn)行了電磁兼容試驗，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該組件電源端口順利通過了浪涌（沖擊）抗擾度試驗（根據(jù)GB/T17626.5，4級）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗（根據(jù)GB/T17626.4，4級）、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗（根據(jù)GB/T17626.6，3級）等試驗項目，在試驗過程中，智能組件均能正常工作。

4 結(jié)論

本文分析了智能組件電源電路電磁干擾問題，對其干擾源和干擾原理進(jìn)行了探討，并針對不同類型的電磁干擾提出了相應(yīng)防護(hù)措施，設(shè)計了智能組件的具體電源電路，并通過電磁兼容試驗驗證了電磁干擾防護(hù)措施的有效性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳繼宣，楊立委.面向多對象電磁兼容浪涌抗擾度測試研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012，35：72.

[2]王釗利.高壓斷路器機械特性測試儀的硬件開發(fā)[J].商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010（5）：49-50.

[3]彭發(fā)東，等.高壓斷路器在線監(jiān)測設(shè)備浪涌抗擾度試驗[J].高壓電器技術(shù)，2007（8）：143-145.

[4]呂士斌，梁雪松.電磁兼容設(shè)計中接地技術(shù)的探討[J].艦船電子對抗，2012，12（6）：113-114.

[5]王靜，陳偉，劉志東，譚小鵬.DSP系統(tǒng)中電磁兼容問題的技術(shù)

研究[J].兵工自動化，2013（1）：32.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]