电测装置交流输入通道设计及其抗干扰研究

1、电测装置交流输入通道设计及其抗干扰研究 (本文档由房地产英才网支持百度文库友情提供）1 引言随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，交流采样技术在电力参数的测量中得到了越来越多的应用，成为发展的趋势。这不单是因为随着集成电路技术的发展，AD芯片等硬件的功能越来越强大，可以轻松地完成多路高频率采样；更主要的是因为数字信号处理技术的发展，采用交流采样方法能够运用各种不同的软件算法对交流采样来的原始数据进行处理，从而提取出特定的参数信息，实现直流采样无法完成的许多功能，极大地促进了电测技术的发展。交流采样技术中，由于采用数字信号处理技术对输入信号进行处理，对交流输入通道的硬件电路设计要求相对降低。但

2、是，交流输入通道不可避免地要与电力系统发生电、磁的联系，大量实践证明，在电力参数测量产品中，交流输入回路是电磁干扰入侵的一个重要途径。因此，能否设计出具有良好抗干扰能力的交流输入回路，是一个产品能否适应电力系统这个强电磁干扰环境的关键问题之一。本文综合采用各种电磁干扰抑制方法，设计了一种实用的电力参数交流采样通道，对交流输入回路中可能产生的各种电磁干扰能够进行有效抑制，具有抗干扰性强、可靠性高、结构简单的特点。2 电力系统的电磁干扰分析处于运行状态的电力系统中的电磁干扰源很多，其中对电测装置等电子设备影响比较大的主要的有1：(1)断路器、隔离刀闸等一次设备和直流开关等二次设备操作产生的频率极高

3、的快速暂态过电压。(2)运行中的供用电设备产生的工频干扰，特别在系统发生故障时，故障电流产生的工频干扰更为严重。(3)输电线路上的电晕放电、污秽外绝缘表面的局部放电等瞬变干扰。(4)雷电波入侵。(5)静电放电。(6)其他无线电波，如对讲机、手机等无线通信产品。对这些干扰源发射的干扰信号进行分析可知，这些干扰信号一般都具有频率高、幅度大、前沿陡的特点，含有丰富的谐波分量，可以通过各种分布电容和分布电感耦合到二次回路和设备中去，对电子设备会造成骚扰。电磁骚扰的后果，轻则导致逻辑混乱、显示不正常、程序跑飞等故障，重则损坏设备、造成保护误动作。进一步分析这些干扰信号发现，对电子设备起主要干扰作用的是其

4、中大幅值的高频信号。因此，电测装置的交流通道设计的重点是采取各种有效措施尽可能地抑制这些高频干扰信号，阻止其通过交流采样通道侵入后续的电子电路，从而保证弱电电路的正常运行。3 交流输入通道设计电力参数的交流输入通道一般需要将二次回路中的交流100V的强电压信号和交流5A的强电流信号，调理成可供弱电集成器件接受的±5v弱电压信号。调理的目的在于尽可能地过滤掉各种干扰信号，尤其是高频干扰，只将装置需要的工频信号传输过去。为此，典型的电力测控装置的交流采样通道设计一般都采用隔离变换、低通滤波、过电压保护等一9 们2007年第26卷第10期 电测装置交流输入通道设计及其抗干扰研究电路环节，其

5、结构框图如图1所示。罨10V 电压 信萎号季 l 雯囊 l 5皇v董交流鲨 l 硼Hl 赫5H I 1 数字信号图1 交流采样通道结构框图31 隔离变换环节设计采用电流互感器电压互感器一方面将二次回路中的交流100V的强电压信号和交流5A的强电流信号，变换成可供弱电集成器件接受的±5V弱电压信号，另一方面互感器还起到电磁电的隔离作用，将强、弱电信号隔离开来。互感器设计时主要有以下问题：(1)互感器参数的确定 互感器主要参数有额定电压、额定电流、变比、容量和线性变换范围等，其选择不再详述。需要说明的是，互感器若接入的二次负荷超过额定二次负荷时，其准确度等级将下降。为保证测量的准确性，一

6、般要求电流互感器的二次负荷s2必须在额定二次负荷s2的25 100范围内，即：025 S2S2S2。(2)互感器的接地、屏蔽及空间位置互感器的隔离作用，对于50Hz及较低频率差不多可以做到完全抑制共模干扰 ；高频下，由于一次、二次绕组间存在耦合电容，共模抑制比会降低，为此，一次、二次绕组间的屏蔽层接地是必要的。另外从设备安全角度考虑，互感器屏蔽层也一定要可靠接地，一般要求接地电阻小于2mi2。常用的做法是将所有电压、电流互感器的屏蔽层以最短线路接到由较粗铜线制成的网格状接地网上，加粗并尽量缩短插件到装置总接地的连线。测控装置需要多路交流信号输入，不可避免地要将多个互感器集中布置，这样各个互感器

7、彼此之间的磁场交链，从而互相产生干扰。因此，互感器的布置要注意交流插件板铁心互相垂直，最大图2 互感器的接地及布置示意图可能地避免彼此之间的磁场交链，如图2所示。(3)其他措施 电流互感器电压互感器一次侧与二次侧引线应分开，两个闭合回路不能交叉，否则一96 会有耦合作用。考虑到一次侧绕组强电回路中干扰高频分量丰富，也可将电流互感器电压互感器用镀锌钢板罩屏蔽起来，限制其电磁干扰向周围空间辐射，干扰弱电回路。32 低通滤波环节的设计采用低通滤波器可以限制高频信号。低通滤波器分为有源低通滤波器和无源低通滤波器，由于有源滤波器电路环节相对较复杂，降低了电路可靠性；而无源滤波器具有结构简单、能经受较大的

8、浪涌冲击、可靠性高的特点，所以一般选择采用无源低通滤波器。无源低通滤波器有反射式低通滤波器和吸收式低通滤波器。由电容、电感组成的RC滤波器为无源低通滤波器，可以将干扰信号反射回发射源，但并不对于扰信号产生损耗。铁氧体(EMI)磁环属于吸收式低通滤波器，由于铁氧体自身特点，对直流或低频信号几乎没有功率损耗，而对高频噪声则有很强的损耗作用。因此铁氧体对干扰信号而言属于吸收材料，能够将干扰信号的能量最终以热的形式释放。这两种无源低通滤波器同时应用，可以对于扰信号起到更好的滤波作用。321 RC低通滤波器高阶低通模拟滤波器的滤波性能好，但会带来相位延迟，考虑到交流采样可以在软件中很方便地采用数字低通模

9、拟滤波器，因此这里选择了一阶RC低通模拟滤波器。一阶低通模拟滤波器的传递函数为1tt(s) 赢 (1)令60 = 1RC，则得到H(s)= 一 (2)S + 60n其幅频响应为厂 l n(j叫)l： (3)60 n + 60取J H(icu)J=0707，可以得到此一阶低通滤波器的截止角频率60 ：60 ，即滤波电阻电容满足关系1R 赢儿J L (4)根据采样定理，低通滤波器的截止频率取为采样频率的一半。当取截止频率为 =200Hz，取电容为c电测装置交流输入通道设计及其抗干扰研究 嘭 量调2007年第26卷第10期： 01gF，求得R=7 9570，实际可取为8k0。322 铁氧体磁环铁氧体

10、磁环中的铁氧体材料的基本组成部分是铁氧化物和其他成分，如锰、锌、钴、镍等。铁氧体的阻抗为复阻抗，包含实部和虚部，Z=R+j 。阻抗的虚部产生感抗，而实部提供纯电阻，并随频率变化而变化。当频率较低时， 和 均较低，呈低阻抗，随着频率增加，阻抗也迅速增加，并将达到一个峰值，此后，由于电容的影响，阻抗开始下降，如图3所示_3 J。1200a 900蜇 00300R、 、 、Z 、 、一一 、一一， 一_ 、， 一一 一_ _ 、3 10 30 1O0 300 l000频率MHz图3 铁氧体的阻抗曲线铁氧体磁环的阻抗Z = R+j2 厂铁氧体磁环的电感表达式L ： 02N lln(一t 2)。 r1式

11、中， 为材料相对磁导率；N为匝数。可以看出，为了得到大的阻抗，则磁环内径r越小、外径r 和长度z越大越好，但在实际使用中，r 、r2及z的选择要根据安装空间、价格及实际效果等因素综合考虑。33 过电压保护环节设计当交流输入回路遭到雷击等干扰时，有瞬时的高压窜人，线上会出现高能量的瞬时脉冲，经过隔离、滤波环节的衰减后还可能高于模拟数字转换器等电子器件的输入电压，因此必须设计瞬时过电压保护电路。双向瞬态电压抑制器TVS(Transient VoltageSuppressor)两极受到反向高能量冲击时，它能以1X 10 秒级的速度将其两极间的阻抗由高变低，吸收浪涌功率，使两极的电位钳位于预定值，有效

12、地保护自动化设备中元器件免受浪涌脉冲的损害。使用中，TVS的击穿电压要比被保护的电路工作电压峰值高10以上，以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压，使TVs泄漏电流影响电路正常工作。4 交流采样通道的整体原理综合以上设计，将各个环节连接起来可以得到整个交流采样回路的完整的原理图，如图4所示。图4 交流采样通遭原理图TA一互感器 CRI、cR2一铁氧体磁环 一电阻c一电容 Tvs一双向瞬态电压抑制器一般为防止强电回路对弱电回路的干扰，互感器与后续电路要分开布置在两个电路板上，即交流插件板与交流采样板。这样，有可能会出现插件插入不到位，交流回路断开，导致模拟数字转换器输入引脚悬空，产生过电压。为此，采用下拉电阻，在交流回路断开的情况下将模拟数字转换器输入引脚电位拉低到地电平，起到保护作用。由以上设计过程可见，整个交流采样通道的各个环节，对电力系统常见的大幅值的高频干扰信号进行了多重过滤，保证了后续交流采样电路中信号的准确、可靠传输。最后需要说明的是，以上这些只是交流通道的设计，如作为一个完整的产品，还有其他回路的设计以及软件的设计，不在本文讨论范围内。5 结束语基于以上原理的设计已经在多种型号的电力测控装置产品中得到应用，实践证明，这种电测装置的交流采样通道可以经受住电力系统现场恶劣