在线监测系统中智能终端的抗瞬时电磁干扰的设计与实践

1、在线监测系统中智能终端的抗瞬时电磁干扰的设计与实践曹建 龙俊(北京华电云通电力技术有限公司)摘要：高压电力设备状态维修策略中的重要环节是通过在线监测获得准确的电力设备的状态信息，提高在线监测中负责前端信息采集的智能终端的电磁兼容性能是非常关键的。本文介绍了一种在线监测智能终端设备的电磁兼容性设计方法。根据电站恶劣电磁环境特殊情况，分析了电磁干扰的来源，种类，耦合的方式和特点，提出切断或减少干扰源的耦合途径和增强智能终端本身的抗干扰能力的方法，就智能终端的机箱腔体设计，传输电缆的电磁屏蔽和通过损耗元件对电磁波的衰减，智能终端的各种输入输出端口的抗干扰设计方法进行了讨论。通过试验证明，经过设计优化

2、后，智能终端的抵抗各种电磁干扰的能力得到了有效的提高。关键词：电磁兼容性，智能终端，在线监测，高电压设备1 引言变电站和电厂电磁环境十分复杂，存在着各种各样的干扰源，主要包括工频电磁场和谐波的干扰。目前在线监测系统中一般都是由传感器，智能终端和工控计算机组成的一个多层次网络，这些系统模块处在复杂的电磁环境中，要使它们能长时间的可靠运行，能够抵抗各种干扰源的冲击是系统能有效运行的起码条件。智能终端处在变电站现场，其中又带有精度很高的预处理电路和微电脑芯片，成为复杂电磁环境中非常脆弱的一个环节。智能终端在受到瞬时的干扰脉冲冲击下，有可能发生电路故障，程序跑飞，采集或输出的数据错误，通讯连接出现乱码

3、等。目前，对电磁干扰源的量化分析和电磁干扰耦合途径建模分析的研究还不成熟，要定量的预测与分析电站环境中的电磁冲击参数存在较大的难度。对电磁干扰源的定位和定量检测目前都还处于初期的研究阶段，很大程度上依赖于工程实践中对具体环境的经验分析。分析要优先解决两个问题：干扰的来源种类以及干扰的传播途径。2 电磁干扰源和传播途径的分析电力系统的电磁干扰源按照频谱范围可分为窄带干扰源和宽带干扰源。瞬时干扰是典型的宽带干扰源，其来源有多种：（1）断路器、隔离开关和继电器的动作；（2）大容量设备的启停；（3）雷电；（4）短路；（5）点火设备的启运；（6）高频电流引起的地电位升高；（7）偶然产生的二次设备间相互干

4、扰。从干扰源到智能终端有一定的空间距离，电磁干扰传递的方式有传导和辐射，而传导的方式又可以按照它的耦合特性分为电导性耦合、电容性耦合、和电感性耦合。电导性耦合来源于智能终端电路与干扰源的电流流过公共阻抗时会出现的阻抗耦合，干扰源的瞬时电流在智能终端上产生干扰电压，干扰电压与干扰信号的频率无关。电容性耦合来源于电路都存在分布电容，干扰源在电路上由于分布电容的作用感生出干扰电压。这种耦合的特点是：干扰源频率越高，干扰电压越高；干扰源与智能终端靠得越近，干扰电压越高；平行线段越长，干扰强度越大。电感耦合是因为电路中存在磁性元件，当干扰源的电流产生突变是，引起通过智能终端的礠通发生改变，进而感应出干扰

5、电压，特点是：干扰频率越高，干扰强度越大；回路间的互感越大，干扰强度越大。辐射耦合是干扰源的能量以电磁波的形式传播，通过智能终端的电路或它的连接电缆，在电路中产生共模或差模干扰。电磁波在近场可分为电场波和磁场波，电场波是干扰源中的高电压，小电流产生的。而磁场波是由干扰中的低电压，大电流产生的。辐射耦合一般可用屏蔽的方法来消除。为了使在线监测设备智能终端能够在强电磁干扰环境下长期可靠稳定运行，必须提高其抵抗电磁干扰的能力，也就是说要提高它的电磁兼容性能。根据以上分析，提高电磁兼容性能应从三个方面入手：（1）抑制干扰源的发射强度；（2）切断电磁干扰的耦合途径；（3）提高智能终端的抗干扰能力。从工程

6、实践上看，第一点很难做到。因为上述的干扰源在电站环境中是客观存在的，难以消除和降低强度。而且随着电力系统的电压等级的升高，某些发射强度还会越来越大。所以提高电磁兼容性能只能从后两个方面入手。3 切断电磁干扰耦合的途径分析进行电磁屏蔽是一项非常有效的切断电磁干扰耦合途径的措施。同时，电磁屏蔽也是唯一不影响电路正常工作的抑制电磁干扰的方法。电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种方法，屏蔽体要既能防止电子设备产生的电磁波辐射出去，又要能防止外来干扰电磁波对电子设备产生不良影响。对于智能终端本体可用一层或多层金属外壳对电磁波的辐射耦合进行屏蔽，但智能终端由于要通讯和连接前端传感器，所以还要有外

7、接电缆，通过电缆的干扰信号也会以不同的耦合方式影响到智能终端电路。对于连接电缆可采用单层或多层屏蔽线的方式以及在电缆的输入输出口串入有频率选择性的损耗器件的方式切断电磁波的耦合。3.1 金属机箱的电磁屏蔽效能根据电磁屏蔽的schelkunoff理论，对金属板屏蔽效果采取三种损失合成处理方式，当电磁波入射时，它的屏蔽效果总和SE可由下式来表示：SE=A+B+M (dB)式中：A-吸收损耗B-反射损耗M-多重损耗吸收损耗与屏蔽材料的电导率、磁导率、厚度及工作频率有关。反射损耗很大程度上依赖于反射波与屏蔽材料表明阻抗的匹配程度，同时也与电磁波的类型有关。多重损耗是电磁波经屏蔽体多次反射的一个修正项，

8、当屏蔽体很薄时，由于内部多次反射的相位接近，会导致能量相互迭加，起了抵消单次反射衰减的作用而成为一个较大的负值。但当屏蔽体较厚时，抵消作用减小，总的衰减增大，屏蔽效果就增加。通过以上电磁屏蔽的理论，可得到以下结论： 电导率和磁导率大的材料屏蔽效果好； 屏蔽体越厚，屏蔽效果越好； 多层材料比单层材料屏蔽效果好。密闭的金属腔体的屏蔽效果应当是比较好的，但机箱上不可避免的留有各种缝隙，散热孔，通风口，各种引线孔，通讯口等。这些孔洞和缝隙使其外壳屏蔽不完全，产生电磁泄露，屏蔽性能下降。对于缝隙处的处理，可以通过增加缝隙深度，减小缝隙长度，提高传输损耗和屏蔽效果。在缝隙处加铍铜簧片，涂上导电涂料也能提高

9、屏蔽效果。通风口一般是机箱上的最大开口，它的存在往往可使金属腔体的屏蔽效果下降60dB以上。可以在通风口覆盖金属网来减小电磁泄露。金属网采用环形压圈通过紧固螺丝安装。为了得到良好的导电接触，还须加导电橡胶衬垫。3.2 电缆的电磁屏蔽信号传输电缆铺设在强电磁环境下，肯定会有电磁干扰耦合进来，使信号发生畸变，导致控制器波动，甚至损坏电路元件。采用带金属编织层的屏蔽电缆是切断干扰源的有效方法，有必要时还应采用双层的屏蔽电缆。提高屏蔽电缆的电磁干扰防护水平要正确理解电缆的屏蔽层的作用，要妥善处理屏蔽层正确接地的问题。目前，国内外对屏蔽电缆应用什么方式接地还有争论。通过工程实践，我们认为电站中应用的电缆

10、应该是双屏蔽层，采用一端接地的方式。3.3 采用损耗器件来切断干扰从传输线上的耦合在信号传输电缆上加装吸收式滤波器将电磁波吸收掉以达到滤波的目的，工程上一般采用铁氧体磁环、磁珠等损耗器件，对高频的电磁波干扰信号有非常好的抑制作用。铁氧体磁芯元件是近年来发展起来的新型价廉物美的干扰抑制器件，其作用相当于低通滤波器。该磁芯元件的阻抗由两部分组成，感抗和电阻，两者都与频率有关。在低频段，铁氧体抗干扰磁芯呈现出非常低的感性阻抗值，不影响数据线或信号线上有用的信号传输，而在高频段，阻抗增大，其感抗分量仍很小，但电阻性分量却迅速增加，当有高频能量通过时，电阻性分量就会把这些能量转化为热量耗散掉。这样就构成

11、一个低通滤波器，而且这个滤波器优于普通的纯电抗滤波器。后者会产生谐振，造成新的干扰，而铁氧体却没有这个现象。铁氧体磁芯元件使用简单，当应用磁环时，只要将传输线环绕磁环绕制几圈就能起到很好的抑制作用。对电站现场在更高频率段(数百MHz到GHz)上的电磁干扰，就必须加装穿心电容才能消除。电容对高频干扰信号有很好的旁路作用，但由于普通电容有引线电感的存在，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用，而且导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低滤波效果。穿心电容之所以能有效的滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题，而且穿心电容可以直接安装在金属面板上，利用金

12、属面板起到高频隔离的作用。4 提高智能终端设备本身的抵抗干扰的能力电磁干扰以辐射和传导方式侵害设备，各类端口就是干扰信号传输入侵的界面，通过这些端口，电磁干扰进入或输出该设备。干扰的性质和强度与端口的类型有关。辐射干扰出现在设备周围的媒介中，传导干扰出现在各种金属性介质中。提高智能终端抗干扰能力的最根本的途径是在设计的研制阶段就考虑到电磁兼容的要求，进行电磁兼容性能的考核。在智能终端的设计中，从以下几个方面来提高智能终端的抗干扰能力。4.1 采集信号传输端口智能终端作为在线监测系统的前端控制单元，要对安装在被监测高压电力设备上的传感器采集的信号进行处理，每个传感器的信号在终端电路上有一个输入端

13、口，该输入端口也会成为干扰脉冲的主要通道之一。所以必须应用好的干扰抑制措施来消除或者减少干扰对后续电路的损害。图2是输入端的保护电路。图1 输入端口的保护电路图中TVS为瞬态电压抑制器，参数的选取一般为保护电压的1.2至1.4倍。4.2 通讯端口在通讯端口，采用了两级保护。图3是电路示意图。图2 通讯端口的保护电路气体放电管G1、G2作为第一级保护器，主要目的是用于泄放暂态大电流。瞬态电压抑制器V1,V2作为第二级，主要目的是在G1、G2动作之前，对沿通道线来的干扰电压进行抑制。4.3 开关量输入端口外部的开关信号经光耦隔离后输入到智能终端CPU的I/O口上，而光电管开通和关断时，负载阻抗变化

14、非常大，采用滤波器串联的方法可以减小阻抗变化的影响。图4是电路示意图。4.4 电源端口电源端口是电磁干扰最容易进入的通道，而且从其他端口串入的干扰信号都可以通过电源构成回路，从而降低设备的抗干扰能力。电源回路采用分布式供电，多个模块独立供电，模块之间不会产生相互干扰。在电源入口处安装放射式电源滤波器和雷击浪涌吸收器来阻止干扰信号通过。在DC-DC模块出口处安装吸收式滤波器来吸收外界和开关电源产生的干扰信号。图3 开关量输入通道抗干扰设计雷击浪涌吸收器开关电 源DC-DC电源BDC-DC电源CDC-DC电源D吸收式滤波器吸收式滤波器吸收式滤波器反射式滤波 器DC-DC电源A吸收式滤波器CPU运放

15、继电器通讯图4 电源的结构配置图5 结果与讨论（1）铁氧体磁环对干扰有很好的抑制作用。实验显示，磁环对干扰的抑制长度不仅与本身的磁导率有关，还与其几何尺寸有关。图5显示出在信号端口安置铁氧体磁环后对电快速瞬变脉冲群的抑制效果图。图5a为在信号端口没有加装磁环时的电快速瞬变脉冲图，出现很大的尖峰脉冲，而加装了磁环后，尖峰脉冲有很大程度的衰减（图5b）。 时间 (微秒) (a) 时间 (微秒) (b)图5 铁氧体磁环对干扰信号的抑制作用（2）在信号输入端口加保护电路后，由于保护电路中TVS管和压敏电阻的结合，对信号输入单元起到了有效的保护。图6 显示了其保护效果。将电快速瞬变脉冲加在传感器信号上，在输入信号单元的入口，所测量的波形如图中显示。在1KV电快速瞬变脉冲的冲击下，输入信号叠加有脉冲信号，但经保护电路后的脉冲强度大大降低，峰峰值变化在2V以内，对输入电路不会造成损坏。 时间 (微秒