智能组件电源电路电磁干扰防护设计方案浅析

智能组件电源电路的电磁干扰防护设计浅析-机电论文智能组件电源电路的电磁干扰防护设计浅析于维娟宋亚凯(平高集团有限公司，河南 平顶山467001)【摘要】智能组件是智能高压电器的重要组成部分，智能组件电源电路对 智能组件工作可靠性有着重要影响。在分析智能组件电磁干扰类型和干扰原理的 基础上，针对不同电磁类型干扰提出了相应防护措施，并通过具体电路设计和电磁兼容试验验证了电磁干扰防护措施的有效性。关键词高压电器；智能组件；电磁干扰；电源电路The A nalysed of the I ntelligentP ower C ircuit C omponents ofE lectromagneticI nterfereneeS hieldingD esignYU Wei-juan SONG Ya kai(Pin ggao Group Co., Ltd., Pin gdi ngshan He nan 467001, Chi na)【Abstract 】Smart Component is an importantpart of smarthigh-voltage electrical appliances, intelligent power circuit components of the smart component reliability has an important impact. Based on the analysis of smart power circuit componentsof electromagneticinterfereneeon the proposed intelligent power circuit componentsrelated to protective measures aga inst electromag netic in terfere nee, and the examples set forth by the specific applicationof circuit protectionmeasures.【Key words 】High-voltage electricalappliances;Intelligent comp onen ts; Electromag netic in terfere nee; The power supply circuit作者简介：于维娟（1982 ）,女，黑龙江人，硕士，研究方向为开关设备 智能化关键技术。宋亚凯（1987 ），男，河南平顶山人，硕士，研究方向为智能组件开发技 术、电力电子技术等。0概述随着智能电网技术的进步，电力系统一次设备智能化已经成为智能电网发展 的趋势。电力系统一次设备处于电力系统主电路中，正常工作状态下一般都承受 着高电压、强电流，与高压电器配套的智能组件装置一般都安装在高压电器附近， 其工作环境也面临着复杂的电磁干扰， 因此，智能组件需要较好的抗电磁干扰性 能1。对于电子装置而言，电源电路自身的稳定性和可靠性对装置的整体性能有着 至关重要的影响。一方面，电源电路需要为装置的其它芯片或电路提供稳定的工 作电压，另一方面，由于电源端口直接与外界连接，许多有破坏性的干扰会通过 电源端口进入装置内部，对内部电路的正常工作造成影响甚至破坏，因此，在高压电器智能组件的设计过程中，需要对电源电路进行电磁兼容设计以提高电源电 路的抗干扰能力2。1智能组件电源电路的电磁干扰问题在变电站现场，按照对电子装置影响的不同，智能组件电源电路的电磁干扰 大致分为两类，分别是破坏性干扰和非破坏性干扰。1.1破坏性干扰及其来源破坏性干扰是能够对装置造成一定破坏性的干扰，此类干扰的特点是能量较 大，一般是高电压或大电流，或者是脉冲群。此类干扰一般具有较大的能量，通 过端口耦合进入电子电路中，可能对端口电路器件造成不可逆的破坏，女口：雷击、 浪涌冲击等干扰。在变电站现场，能够对智能组件装置产生破坏性的干扰主要来源于机械式高 压开关的操作、雷击产生的暂态过电压和暂态过电流以及电网中故障或负荷突变 引起的电压变化、暂降等3。这些干扰可能通过导线耦合、电磁感应等方式进 入到电源端口，对装置内部电路造成一定的破坏。 目前，标准的电磁兼容试验项 目中，模拟此类干扰的主要是浪涌抗扰性试验、 振荡波抗扰度试验等。对于此类 具有一定破坏性的干扰，在设计过程中，防护措施的思路以疏导、隔离为主。1.2 非破坏性干扰及其来源此类干扰对装置本身并不会造成一定的破坏性，但是能够干扰装置的正常工 作，对通信、解码、运算等电路工作造成一定的影响，造成装置误动作或通信中 断等，此类干扰的能量较小，但是一般有较高的频率，如：高频辐射骚扰等。在变电站现场，能够对智能组件装置产生非破坏性干扰的主要来源是机械式 高压开关操作产生的振铃波、局部放电和无线通信产生的高频信号以及电力系统 暂态过程产生的高频电磁场辐射等。 此类干扰容易通过辐射、耦合、沿导线传导 等方式从电源端口进入到智能组件装置内部，对电源电路自身以及晶振、数据处理、通信等频率较高的电路产生干扰从而引起装置的误动作、通信的中断、装置死机等故障，威胁智能组件装置的可靠性。2智能组件电源电路的电磁干扰防护措施针对上述两种不同的干扰，在电路设计上可采取不同的措施。第一种干扰破 坏性较强，因此在设计过程中以疏导释放干扰能量的防护措施为主； 第二种干扰 能量较小，在设计过程中以消耗吸收、屏蔽干扰能量的抗干扰措施为主。2.1破坏性干扰的防护措施在设计过程中，采用防护器件对破坏性干扰能力进行泄放是应对此类干扰的主要手段，此类防护器件的特性是：当器件两端低于自身阀值电压时， 器件表现 出高阻抗特性，一旦器件两端电压高于自身阀值电压， 立刻表现为低阻抗、大通 流能力的特性。目前常用的防护器件主要有以下几种：1）玻璃气体放电管此类器件既有气体放电管的抗大浪涌电流能力，又有半导体器件的快速通断 能力，从而使器件表现出耐冲击、响应速度快（纳秒级）、性能稳定、可重复使 用等优良性能。目前，该类器件当通流能力达到3000A时，其耐受电压可以做到 4500V 。2 ）压敏电阻压敏电阻是一种半导体器件，其原料以氧化锌（ZnO）为主，根据器件两端 承受的干扰信号的电压特性不同， 该类器件又可分为三种类型：第一，浪涌抑制 型，此类型器件所要承受的电压为随机的瞬态过电压；第二，高能型，此类器件 需要吸收发电机励磁线圈的能量； 第三，高功率型，此类器件两端所承受的干扰 信号是脉冲群，单个脉冲的能量不大，但是由于频率高，信号的平均功率比较大。3）TVS管TVS管（Transient Voltage Supperssor）又称为瞬变电压抑制二极管，该类器件的正向特性与普通二极管的特性一致，但是，其反向特性则表现为典型的PN结雪崩器件。当承受瞬间的高能量时，该器件会以极高的速度降低其自身阻 抗，与此同时，能量以器件为通道泄放掉。该类器件最大的优点是自身阻抗的变化频率可以很高，能够达到10-12S量级速度。4）接地与屏蔽接地和屏蔽不是破坏性干扰问题的来源，但是，良好的接地系统以及电磁场 屏蔽对解决此类问题具有良好的作用。接地系统设计的目的是提供一个低阻抗的 瞬态干扰信号的泄放路径；屏蔽系统的设计的关键是整个屏蔽结构的电连续性。2.2 非破坏性干扰的防护措施频率较高的非破坏性干扰，一般采用滤波的方式，将干扰信号滤除。目前， 常用的滤波器件主要有以下几种：1）铁氧体磁环铁氧体磁环，又称电磁兼容环，是一种以铁氧体为原材料的滤波器件。其特 性是：当通过磁环的信号频率较低时， 磁环自身的阻抗很小，当通过磁环的信号 频率升高时，磁环的阻抗急剧增加。由于电源电路一般都是直流或者工频， 信号 频率较低，利用此特性，把磁环直接套在电源电缆上，可以吸收高频干扰信号。2 ）共模电感一般情况下，把两条线分别对地直接的干扰称为是共模干扰4 o干扰一般采 用共模电感的方式去除。共模电感，将两个线圈绕在同一个铁心上，且匝数、相 位均相同，正常电流流经共模电感时，两个线圈产生相反的磁场，相互抵消，共 模电流流经时，由于共模电流的同向性，两个线圈产生大电感，表现出高阻抗特 性。3）电容电容用于电源电路电磁兼容设计时， 其作用有：滤波、稳压、去耦和旁路o 但是，在使用电容时需要注意，电容有其自谐振频率，当电路中信号频率在自谐振频率以上时，电容呈现出电感特性。3智能组件电源电路电磁干扰防护设计实例如图1所示，该电路是某智能组件电源端口电路， 其外接DC24V直流电源, 经过一系列保护措施进入组件电路板内部，供智能组件电路使用。25KVtiNU1图1智能组件电源端口电路24V电源端口处，正负线放置两个放电管 G1、G2，放电管的正极分别连接 电源线的正负线，负极与屏蔽地 FG （机壳）连接，正常工作时，端口线对地电 压远远达不到放电管导通电压，放电管闭合，电能正常进入到后续电路，在端口 遭受共模大电压冲击时，放电管导通，能量通过 FG泄放，待冲击消失后，放电 管迅速恢闭合，电路正常工作。电容 C23、C25组成滤波电路，对进入端口的 高频信号进行滤波。R3为压敏电阻，其作用是防止差模大电压信号冲击。共模 电感T的作用是滤除共模高频干扰信号。电容 C1、C2的作用是进一步滤波。 TVS管T2的作用是消除静电干扰。为了验证上述电路设计的有效性， 对图1电路所属的智能组件进行了电磁兼 容试验，按照相关标准，该组件电源端口顺利通过了浪涌（冲击）抗扰度试验（根 据GB/T17626.5 , 4级)、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验(根据 GB/T17626.4 ,4级)、射频场感应的传导骚扰抗扰度试验(根据 GB/T17626.6 , 3级)等试验 项目，在试验过程中，智能组件均能正常工作。4 结论本文分析了智能组件电源电路电磁干扰问题，对其干扰源和干扰原理进行了 探讨，并针对不同类型的电磁干扰提出了相应防护措施，设计了智能组件的具体电源电路，并通过电磁兼容试验验证了电磁干扰防护措施的有效性。参考文献1 陈继宣，杨立委面向多对象电磁兼容浪涌抗扰度测试研究J.科技创新导报,2012,35:72.2 王钊利高压断路器机械特性测试仪的硬件开发J.商丘职业技术学院学报,2010(5):49-50.3 彭发东，等.高压断路器在线监测设备浪涌抗扰度试验J.高压电器技术,2007(8):143-145.4 吕士斌，梁雪松.电磁兼容设计中接地技术的探讨J.舰船电子对抗,2012,12(6):113-114.5 王静，陈伟，刘志东,谭小鹏.DSP系统中电磁兼容问题的技术研究J.兵工自动化,2013(1):32.责任编辑：邓丽丽