高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能組件電磁抗干擾方法研究

王大偉，陳富國(guó),2，蔡 杰，李燕華，陳 亮

（1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山467001；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安710049）

引言

電磁兼容技術(shù)是一門(mén)快速發(fā)展并持續(xù)的學(xué)科，并交叉電力電子、計(jì)算機(jī)控制、信息通信等多個(gè)領(lǐng)域[1]。電力系統(tǒng)中的二次設(shè)備，通常安裝在變電站變壓器、電抗器、互感器等能產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)的設(shè)備附近，設(shè)備能正常工作的先決條件就是要能夠承受變電站的工業(yè)干擾[2]，一旦干擾影響到繼電保護(hù)裝置，產(chǎn)生誤動(dòng)作，甚至導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)紊亂，進(jìn)一步導(dǎo)致電力系統(tǒng)的瓦解乃至崩潰[3]。電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的逐漸提升并趨于完善，電磁兼容技術(shù)的重要性日益凸顯，總體運(yùn)行情況顯示，保護(hù)裝置的準(zhǔn)確性已符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定性也日益提升，但在網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)信息處理等方面，尤其是暴露在電磁干擾環(huán)境下，還是反映出部分問(wèn)題[4]。本文結(jié)合實(shí)際，簡(jiǎn)單介紹電磁兼容的內(nèi)容和幾種常用的抗電磁干擾技術(shù)措施。

1 電路設(shè)計(jì)方法

1.1 元件的選擇

在電路基本元件選擇方面，元件的帶外特性和電路封裝方式通常影響其本身的電磁兼容特性。電磁兼容特性通常是由遠(yuǎn)離基頻的元件響應(yīng)特性來(lái)決定的，而在多數(shù)情況下，電路封裝又決定著帶外響應(yīng)和不同元件之間耦合程度[5]。選擇電容、電阻、電感等主要電路基本元件的具體規(guī)則是：電容器具有等效串聯(lián)電阻和寄生電感。電容器的工作頻率應(yīng)低于其自諧振頻率。為改善自諧振頻率特性，可將大容量的電解電容器并聯(lián)小容量的陶瓷電容器使用。對(duì)于有引腳的電阻，從寄生電感角度考慮，應(yīng)首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻，最后是線(xiàn)繞電阻。電感中的磁性材料有鐵和鐵氧體。鐵芯電感用于低頻場(chǎng)合（幾十KHz），而鐵氧體磁芯電感用于高頻場(chǎng)合（到數(shù)MHz），因此鐵氧體磁芯電感更適合于電磁干擾強(qiáng)的場(chǎng)景。繼電器應(yīng)選用帶屏蔽殼體的，并帶有屏蔽殼體的接地端子。設(shè)備內(nèi)部的互連信號(hào)線(xiàn)應(yīng)使用屏蔽信號(hào)線(xiàn)，以防信號(hào)線(xiàn)之間的騷擾耦合[6]。

1.2 電氣設(shè)計(jì)

電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)遵循自上而下的原則，即：根據(jù)電氣功能、結(jié)構(gòu)的不同，將系統(tǒng)劃分為若干單元，在單元輸入、輸出端口采取措施，防止外部過(guò)量電磁干擾進(jìn)入單元內(nèi)部，產(chǎn)生電磁敏感性問(wèn)題，或單元內(nèi)部過(guò)量電磁干擾釋放到外部空間，通過(guò)輻射或公共阻抗耦合的方式干擾系統(tǒng)其他單元。此外，根據(jù)單元電磁兼容問(wèn)題的特點(diǎn)處理其內(nèi)部問(wèn)題。

（1） 電源：設(shè)備電源的EMI 耦合涉及對(duì)供電線(xiàn)上的傳導(dǎo)發(fā)射的敏感度和傳導(dǎo)到供電線(xiàn)上的發(fā)射。一方面，電源產(chǎn)生的無(wú)用信號(hào)很容易耦合到其他單元中去，另一方面，一個(gè)單元中的無(wú)用信號(hào)可能通過(guò)電源的（公共阻抗）耦合到其它單元去。

（2） 控制單元：控制單元和設(shè)備主體往往離得較遠(yuǎn)，因此必須正確運(yùn)用接地和屏蔽方法，防止構(gòu)成地環(huán)路和耦合無(wú)用信號(hào)。

（3） 放大器：放大器一般作為系統(tǒng)前后級(jí)的接口電路，涉及到干擾信號(hào)的產(chǎn)生和耦合。放大器在電路中的布局應(yīng)設(shè)計(jì)成利用最短的距離來(lái)傳送低電平的信號(hào)，否則容易受電磁干擾影響。對(duì)所有放大器的輸入端進(jìn)行去耦，只讓有用信號(hào)進(jìn)入放大器，多級(jí)放大器各級(jí)之間應(yīng)去耦。

2 屏蔽和機(jī)殼設(shè)計(jì)方法

安裝底板和機(jī)殼是一種為控制設(shè)備或功能單元提供屏蔽的最有效方式。屏蔽的程度取決于結(jié)構(gòu)材料和裝配方式。

2.1 屏蔽原則

屏蔽體應(yīng)是一個(gè)完整的電連接體，屏蔽外殼的端口應(yīng)有完善的濾波措施，具有良好的接地。電磁場(chǎng)的特性變化與離天線(xiàn)的距離有關(guān)，可變電磁場(chǎng)通常劃分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，場(chǎng)域劃分如下：

近場(chǎng)區(qū)：d＜d0/3

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：d＞3d0

其中：d0=λ/2π≈0.159λ，λ 為天線(xiàn)發(fā)射電磁波波長(zhǎng)。近場(chǎng)是感應(yīng)場(chǎng)-靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)，對(duì)外不輻射能量。遠(yuǎn)場(chǎng)是輻射場(chǎng)，向外輻射能量。

2.2 電磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)分析

利用近似電路理論處理電磁場(chǎng)屏蔽的問(wèn)題，即使用集總電容考察電場(chǎng)相互耦合，以集總互感考察磁場(chǎng)相互耦合。

（1） 若波源的電壓高、電流小，則電場(chǎng)的作用更明顯，應(yīng)采取電場(chǎng)屏蔽法。消除電場(chǎng)的影響可用法拉第屏蔽。其電場(chǎng)感應(yīng)可看作分布電容的相互耦合。如圖1 所示，干擾源A 和被干擾物B 的對(duì)地電位分別為UA、UB，則UA、UB之間滿(mǎn)足：

圖1 增加屏蔽前的電場(chǎng)感應(yīng)等效電路圖

式中，C1、C2分別為A、B 及B 對(duì)地的分布電容。由上式可見(jiàn)：為了減弱B 的感應(yīng)電場(chǎng)，可以增大A、B 間距，減少C1，以期分到更多的電壓；可以使B 貼近地平面，增大C2，以期分到更低的電壓。如圖2 所示，可以通過(guò)增加屏蔽金屬的方法加以解決。由于金屬板的存在，增加了兩個(gè)電容，C3和C4，其中C3被金屬板短接，其影響可以忽略，重新形成的C11由于需要繞過(guò)金屬板，其值遠(yuǎn)小于C1，B 點(diǎn)對(duì)地電容由C2和C4兩部分電容并聯(lián)構(gòu)成，其值遠(yuǎn)大于C2，因此，B 點(diǎn)新的對(duì)地電位較之屏蔽前大大減小。

圖2 增加屏蔽后的電場(chǎng)感應(yīng)等效電路圖

遠(yuǎn)場(chǎng)屬于傳播場(chǎng)，其屏蔽效能需要依靠金屬箱體的良好導(dǎo)電性加以反射，并可借助電磁場(chǎng)仿真軟件加以計(jì)算和優(yōu)化。

（2） 相反，若波源的電壓低、電流大，則磁場(chǎng)的影響更明顯，應(yīng)采用磁場(chǎng)屏蔽法，扭曲回路磁通，或?qū)⑵湟蛩?，避免與另一回路交叉，消除磁場(chǎng)相互耦合。

2.3 機(jī)箱材料的選擇與處理原則

為了達(dá)到良好的電場(chǎng)及電磁屏蔽效果，機(jī)箱材料的選擇應(yīng)遵循以下原則：

（1） 電場(chǎng)屏蔽則需要良導(dǎo)體。底板和機(jī)殼的材料應(yīng)選用如銅、鋁以及其他高電導(dǎo)率的金屬或合金，其屏蔽原理是反射信號(hào)。

（2） 對(duì)磁場(chǎng)屏蔽則需要鐵磁材料，如高導(dǎo)磁率合金和鐵，其屏蔽原理是吸收信號(hào)。

（3） 在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，機(jī)箱材料要能屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)，則需要鐵磁材料結(jié)構(gòu)完整，屏蔽效能與材料厚度、搭接方式及接地方法的有關(guān)。

（4） 對(duì)于塑料殼體，在其內(nèi)壁涂敷屏蔽材料層或在采用金屬纖維骨架。

3 信號(hào)完整性的仿真

3.1 仿真計(jì)算流程

選擇專(zhuān)門(mén)用于電路板高頻特性分析的Ansoft Siwave 模塊進(jìn)行電路板電磁兼容設(shè)計(jì)，仿真流程如圖3 所示。

圖3 Siwave 進(jìn)行電路板仿真的流程圖

3.2 求解頻段的設(shè)置

求解頻段的設(shè)置主要考慮以下因素：

（1） 工作環(huán)境電磁干擾的主要頻段。

（2） 電路板載波頻譜的主要分布范圍。

以塑殼斷路器監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)為例：分?jǐn)噙^(guò)程以及EFT 抗擾度試驗(yàn)中，干擾信號(hào)的頻譜主要集中于100 MHz 以?xún)?nèi)，同時(shí)，考慮到EFT 干擾脈沖在整個(gè)1 GHz 頻段內(nèi)都有分布，以及邏輯電平的頻譜分布，以Siwave 對(duì)電路板進(jìn)行1 GHz 的本征問(wèn)題求解。圖4 為裸板的本征模式，由圖可見(jiàn)，在電路板的所有本征模當(dāng)中，其中心一般是相應(yīng)的電場(chǎng)分布最小的位置，在電路板的整體布局時(shí)用來(lái)放置相對(duì)重要的器件，例如程序處理芯片。

圖4 裸板共振模式的仿真

3.3 屏蔽效能計(jì)算原理

電場(chǎng)、磁場(chǎng)的屏蔽效能計(jì)算原理如下：

式（2）中：

SE——電場(chǎng)屏蔽效能，單位dB;

E1——無(wú)屏蔽的電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m；

E2——屏蔽下的電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m。

SH——磁場(chǎng)屏蔽效能，單位dB；

H1——無(wú)屏蔽的磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位A/m；

H2——屏蔽下的磁場(chǎng)強(qiáng)度/ A/m；

采用Ansoft HFSS 計(jì)算屏蔽效能，其計(jì)算流程如圖5 所示。

圖5 HFSS 計(jì)算流程圖

HFSS 計(jì)算步驟如下：（1） 依據(jù)物理結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性建立模型；（2） 設(shè)計(jì)激勵(lì)和邊界，求解頻段和精度；（3） 根據(jù)物理結(jié)構(gòu)、材料頻率自動(dòng)生成網(wǎng)格；（4）求解離散化結(jié)構(gòu)的Maxwell 方程；（5） 計(jì)算當(dāng)前與前一次網(wǎng)格場(chǎng)值的差異；（6） 比較求解與目標(biāo)精度，評(píng)估收斂情況，進(jìn)行循環(huán)求解，直至收斂于目標(biāo)精度；（7）頻率掃描仿真，輸出Full-wavespice 模型。

4 結(jié)論

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能組件是變電站中普遍使用的裝置，高電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的電磁兼容是影響其運(yùn)行穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的重要因素。本研究從電路設(shè)計(jì)和電磁屏蔽兩個(gè)方面，進(jìn)行了電磁抗干擾技術(shù)的分析。簡(jiǎn)要分析了電容、電阻、電感等主要電路基本元件的選型方法，并根據(jù)電路不同功能單元電磁兼容問(wèn)題的特點(diǎn)，提出了電源、控制單元、放大器等典型單元的設(shè)計(jì)原則。從電磁干擾的機(jī)理出發(fā)，通過(guò)結(jié)構(gòu)材料的選擇和裝配中所用的設(shè)計(jì)技術(shù)兩個(gè)方面分析了屏蔽抗干擾和機(jī)殼設(shè)計(jì)方法。借助信號(hào)完整性仿真和計(jì)算的工具，以塑殼斷路器監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了合理布置去耦電容的有效性。本研究提出的電磁抗干擾方法，能較好地解決復(fù)雜電磁環(huán)境下高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能組件的電磁兼容問(wèn)題，為該類(lèi)電力裝置的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了有力支撐。