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电力系统中电子设备抗干扰技术研究与应用


第 21 卷第 6 期 电 力 自 动 化 设 备 Vol. 21 No. 6                               2001 年 6 月 Electric Power Automation Equipment Jun. 2001

电力系统中电子设备 抗干扰技术研究与应用
吴维宁 ,张文亮 ,吴   峡
( 国家电力公司武汉高压研究所 ,湖北 武汉 430074)

0  引言

电力系统中大量应用着电子设备 。以微电子电 路为主体的电子测控设备的测控对象往往是高电 压、 大电流等强电装置 ,这些电子设备的工作环境常 常会受到电磁辐射 、 电磁脉冲 、 静电感应 、 高压输电 线上的放电 、 雷电冲击 、 高频噪声和电源谐波等有害 干扰的影响 ,这些干扰轻则会引起电子装置工作可 靠性降低 ,严重的会使系统产生误动作 。有的电子 设备甚至根本就不能在强电环境中正常运行 。这是 电力系统和相关领域 ( 如通信系统) 的运行人员经常 遇到的问题 。通过对数字式高压瞬态测量系统 [1 ] 、 电网过电压在线监测系统和其它电力测控装置等的 研究和它们在电力系统中的实际使用 , 对其中电子 装置的综合抗干扰技术进行了较为深入的研究 , 提 出并采用了一系列抗干扰措施 。这些措施一方面把 电磁辐射 、 电磁脉冲 、 静电干扰 、 雷电冲击 、 电源谐波 等干扰的影响控制在电子装置可以接受的水平之 内 ,另一方面还有效地减少了电子设备的对外幅射 ( EMI) 干扰 , 使其电磁兼容性达到现场运行的设计 要求 [2 ] 。

1  抗干扰电源

对电源的干扰有两种来源 , 一是雷电冲击或切 合大容量感性负载造成的电源瞬间欠压 、 过载 ,产生 尖峰 、 浪涌干扰等 , 雷击尖峰电压可在 10 kV 以上 , 波峰电流可达 1~ 40 kA , 持续时间为 1 ~ 8 μs ; 二是 电网中的谐波高频干扰 , 电源干扰是传导干扰的重 要途径 ,在电源的设计上 , 应采用宽工作电压范围 (AC 85~265 V) 并有隔离作用的开关电源 , 以提高
收稿日期 :2000 - 09 - 07

摘要 : 针对电力系统中静电感应 、 高压放电 、 雷电冲击 、 电源谐波和强电磁辐射环境中电子设备的 电磁兼容问题 ,提出在电源设计中使用瞬变电压抑制器 ( TVS) 抑制尖峰 、 浪涌干扰 , 使用滤波器抑 制高频共模干扰和应用铁氧体材料增强电源抗干扰性能 ; 对电子线路板的抗干扰设计提出了一些 原则 ; 并对电子设备的屏蔽方式和信号传输线路的抗干扰提出解决方案 。通过对电子装置各环节 采取综合抗干扰措施能有效地提高其抗干扰能力和满足在恶劣电磁环境下可靠运行的要求 。 关键词 : 电力系统 ; 电力测控设备 ; 抗干扰 中图分类号 : TN 97313     文献标识码 : B     文章编号 : 1006 - 6047 ( 2001) 06 - 0020 - 03 标称电压值 ≥ 效值) ; d U 为相对电压变化 。
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电源抗电网电压跌落能力 。在电源输入端的隔离变 压器初级和次级间应加入接地的金属屏蔽层 。此金 属屏蔽层可以减小因雷击或瞬时电网过电压给电子 设备的电源造成反击而引起的干扰 。考虑到隔离变 压器原副边仍有杂散的耦合电容 , 高频干扰信号还 可能通过这个途径传导至测控装置的电源中 ,所以 , 还应对电源系统的设计采用如下措施 。 111   采用 TVS 抑制尖峰 、 浪涌干扰 TVS ( Transient Voltage Suppressor) 即瞬变电压抑 制器 ,在反向应用时与压敏电阻一样 。当系统遭到 雷击等干扰时 ,电源线上会出现一个高能量的瞬时 脉冲 ,这时 TVS 工作阻抗立即降至很低的导通值 , 并允 许 大 电 流 通 过 , 瞬 时 把 电 压 箝 制 到 预 定 值 。 TVS 承受瞬时脉冲电流峰值可达数百安培 , 而其箝 位时间 ( 从 0 V~击穿电压最小值 ) 仅为 1 × - 12 s , 10 非常适合吸收瞬间的尖峰 、 浪涌电压 。隔离变压器 次级设计双极性的 TVSC , 在电源的直流输出端 , 设 计量值一定的单极性 TVS , 对降低干扰水平十分有 效 ,其箝位电压值和标称电压值的选取可采用如下 公式 : 箝位电压值 = 1 . 56 UN 式中  UN为电路额定直流电压 ; Uop 为工作电压 ( 有
112   电源滤波器抑制高频干扰

消除对电源供电环节造成影响的高频共模干扰

的有效办法是在电源输入端加装滤波电路 。滤波器

中的共模扼流圈由导线绕在磁环上形成 , 采用双线 并绕可在同一磁环上绕成两个相同匝数的线圈 。由 式 X C = 1/ (ωC) ( 式中 C 为旁路电容) 和 XL = ω 可 L
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2 ×Uop ( 1 + d U ) 019

第 6 期            吴维宁 , 等 : 电力系统中电子设备抗干扰技术研究与应用             1 2

知 , 当高频信号输入时 , 串在线路中的电感会对其产 生很大的阻尼作用 , 从而使高频信号的幅值被大大 地衰减 。通过旁路电容可起到高频信号对地短路的 作用 , 电感对直流信号没有影响 。消除共模干扰主 要由共模扼流圈完成 , 这是电源线的输入 、 输出电流 所产生的磁通在磁环中相互抵消的结果 , 因此它对 常模信号基本上无电感作用 , 而电源和地之间的共 模干扰在进入扼流圈时由于具有相同的方向 , 从而 产生很强的电感抑制作用 , 能很好地去除共模干扰 。
113   电路中铁氧体材料的运用

在电源与负载之间设计加装的导线在铁氧体磁

环中穿过并绕几匝也是一种抑制高频干扰的有效途 径 , 它相当于在电路中串接了一个有损电感 。铁氧 体的阻抗可由下式计算 :
Z=
2 π 2 R + ( 2 fL )

由于铁氧体的特性参数 R 和 XL 随频率升高而

大幅度增加 , 因此在导线中串入铁氧体对抑制高频 干扰十分有效 , 而且也很经济 。此外 , 它还能减小电 子设备通过电源而对电网中其它设备的干扰 。

2  电子电路的抗干扰措施

211   电路板抗扰性设计 PCB ( 印刷电路板 ) 布线应正确合理 , 尽量减少

同一电路板上不同部分之间的耦合干扰 , 为达此目 的 , 电路板的设计原则如下 : a . 电源线 、 地线的布线尽量加粗和缩短以减少 环路电阻 ,转角要圆滑 ; b. 对低频电路部分尽量采用单点并联接地方 式 ,在实际布线有困难的情况下可以先部分串联再 并联接地 ; c. 对高频电路宜采用多点就近接地 ; d. 对于高频元件如晶振电路 、 D 转换器等周 A/ 围尽量用复铜栅格形式地箔包围 ; e. 信号线尽可能远离电源线 , 模拟信号线与数 字信号线不要平行并排布置 ; f . 如果有些重要的信号线不得不绕很远才能 走通时 ,宁可不把这些线布入电路板中 ,而直接改用 外连接线 ; g. 电源和低频信号连接线最好用小节距的双 绞线 ,在多根信号线用一扁平排线连接时 ,信号线与 信号线间应插入地线进行隔离 。 212   减小电路板中的电磁干扰 一台电子设备通常由几个部分 ( 即由一块以上 的电路板或多个部件 ) 共同组成 。就是在一块电路 板中 ,也存在多个电路单元 ( 如测量 、 、 控制 显示等) 。 因此 ,电路与电路之间和电路板与电路板之间的电

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磁干扰对系统可靠性产生的不利影响也是不容忽 视的 。 在设计 PCB 电路时 ,使 PCB 板的电源线与地线 尽量靠近 ,以减小所包围的面积 ,从而减小外界磁场 切割环路产生的电磁干扰 , 同时也减少环路对外的 电磁辐射 。在有条件的情况下 , 可考虑使用多层线 路板 ,因为多层线路板有专门的地层和电源布线层 , 信号可以就近接地 ,从而减小接地电阻 、 环路面积及 接地电位差 。 213   减小电路器件耦合干扰 在 PCB 板中选择合适量值的退耦电容退耦 , 可 以旁路来自电源的干扰信号 , 提高电路的抗干扰水 平 。通常选择 011 μF 的瓷片电容或独石电容来减 少耦合干扰 。 为了保证电路器件的退耦作用 , 还可在原来支 路上串联一个阻抗元件 , 如小阻值电阻 、 Q 值电 低 感或铁氧体珠等可有效地旁路电源的干扰信号 。 214   屏蔽珠抑制高频电磁干扰 屏蔽珠又称抗干扰珠 ( Anti2Interference Head ) 、 电磁/ 射频干扰抑制器 ( EMI/ RFI Suppressor) ,它具有 很好的抗高频干扰作用 , 在电子线路中可用来屏蔽 连线和电缆中的传导性干扰 。其阻抗与频率有关 , 低频段较小 ,高频段很大 。使用时让原有高频干扰 信号线或电源线穿过磁芯 , 磁芯阻抗使高频干扰得 到抑制 ,有用信号顺利通过 。在该器件的参数选取 上 ,设计时要预测高频噪声的频率范围和屏蔽珠对 抑制高频噪声的衰减程度 , 有时要综合几种铁氧体 材料的屏蔽珠 ,才能得到宽频率范围电路对噪声的 衰减量 , 使高频干扰降低到电子电路可以承受的 水平 。 215   光电隔离措施 采用光电耦合器和 DC/ DC 电源变换 ,将状态信 号和控制信号驱动器悬浮 , 与接口电路的其它部分 隔离 。这样 ,在一定程度上减弱了一次设备和控制 系统之间因地电位差产生的共模干扰电压对电子设 备内部电路的冲击 。

3  电子装置的屏蔽

在电子装置内部 , 作为电路板衬板的白铁板与 电路板的地应是绝缘的 , 此白铁板与机壳地直接连 接 ,电路板的地与电源地也直接相连 ,电源地与机壳 地一点相连 。这样做的目的是从外部来看 , 通过地 流过的电流尽可能不要通过电路板的衬板等多条路 径流经电路板的地中 。 在电子装置的外屏蔽设计中 , 控制部分的机箱 应尽可能选择安装方便的 19″ 工业级标准机箱结构 , 有条件的还应采用双层屏蔽结构的机箱 , 同时还应 注意通风散热孔等处的屏蔽 。
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                   电 22











备                 2001 年

4  信号传输线路抗干扰
411   输入信号线缆

结构可提高电子装置的抗干扰能力和抗静电放电 ( ESD) 干扰的能力 ,并可有效减低设备的辐射干扰 , 提高系统的电磁兼容性 。

在电子测控系统信号传输线的选择和使用上 , 在频率允许条件下最好选用屏蔽双绞线输入模拟信 号 ;有条件时应采用双层屏蔽双绞线电缆作为模拟 信号 TA ,TV 的引入线 ,且外层屏蔽层应在一次设备 端就近接地 。在二次控制设备端则采取悬空形式 , 以减小因地电位不平衡引起的干扰 。 412   开关状态信号线 根据控制信号和状态信号传输线的使用场合和 特点 ,控制信号的控制对象往往是继电器等 ,状态信 号线传输的信号多数是开关信号等 。因此 , 在选择 双绞线作为传输线时 ,应注意以下几点 : a . 尽可能采用平行的传输形式 ,使其具有较好 的抗共模干扰能力 ; b. 传输线中应尽可能避免使用接插件等不连 续连接的器件 ; c. 选择小节距的双绞线 。当多根双绞线一起 敷设时 ,最好采用不同节距双绞线 。当用两对长距 离双绞线作引线时 ,每隔一段距离 ,两对绞线位置就 应交叉一次 ,这种情况相当于增大节距的绞合 ,从而 抑制噪声 。 d. 用长传输线传输信号时 ,应注意在终端两点 间接上 “匹配阻抗” 以消除反射 , 而始端则应采用串 联阻抗 。 413   控制信号电缆的 EMI 设计 在控制信号的输出电缆线上设计了铁氧体电磁 信号吸收磁环 , 通常绕在电缆线上或互连电缆上 。 这样做对有用信号不产生任何影响 , 却可吸收继电 器触点处电火花放电形成的 10 MHz 以上的干扰信 号 。由铁氧体阻抗的计算公式可知 , 通过 EMI 吸收 磁环进行阻波 ,既可减小测控设备内部因控制器件 对电路板电子线路的辐射干扰 , 又可减小因控制线 通过一次设备侧传输长线引入的干扰 。因此 , 这种

5  结论
a . 在以电子线路为主体的电子测控设备装置

中 ,通过对电源 、 电路板 、 控制信号电缆 、 传输信号线 路和系统结构等环节综合采用抗电磁干扰设计 , 能 极大地提高系统的抗干扰能力 ,满足测控系统在各 种恶劣的干扰环境下长期稳定运行的要求 。 b. 使用 TVS 、 铁氧体 、 屏蔽珠等新器件能将电 磁干扰降到微电子线路可以接收的水平 。
c. 实践证明 , 采用上述研究成果设计的 6 ~ 35 kV自动跟踪补偿消弧装置中的微机控制装置 ,已

在变电站等强干扰环境中获得广泛应用 , 该装置系 统是在线运行方式 ,无死机或误动情况 ,抗强干扰效 果好 。 d. 文中提出的抗干扰措施均在电力系统强电 环境中实际应用并取得明显效果 , 对提高微电子设 备电磁兼容性水平提供了有实际价值的参数 。 参考文献 :
[1 ]   吴维宁 ,张文亮 ,徐勇 ,等 . 数字式高压瞬态测量系统的

研制 [J ] . 高电压技术 ,1998 ,24 (1) :19 - 24.
[2 ]   张文亮 , 邬雄 . 电磁兼容及其标准和认证 [J ] . 电压技

术 ,1996 ,22 (4) :42 - 45.

( 责任编辑 : 张喜兰)
作者简介 : 吴维宁 (1964 - ) , 男 , 湖北咸宁人 , 高级工程师 , 从事电 力系统自动化与电磁兼容研究 ; 张文亮 (1954 - ) , 男 , 广东梅州人 , 教授级高级工程师 , 从事电力系统与电磁兼容研究 ; 吴   (1962 - ) , 男 , 上海人 , 高级工程师 , 从事电力系 峡 统自动化与高压绝缘技术研究 。

WU Wei2ning ,ZHANG Wen2liang ,WU Xia ( Wuhan High Voltage Research Institute ,Wuhan 430074 ,China) Abstract : For EMC of electronic devices in electrostatic field ,high voltage flashover ,lightning impulse ,source harmonic and strong electric magnetic interference situations ,different measures are applied. TVS is applied to limit peak or surge interference ,filter to restrict high frequency common mode interference and ferrite to in2 crease the capability for source interference. The PCB design rules are presented ,and the solutions for device shielding modes and anti2interference of signal transmission lines are proposed. By the composite anti2interfer2 ence measures for electronic devices ,the anti2interference ability can be raised and the operation requirement in severe electromagnetic interference situations reached. Key words : electric power system ; electronic measurement and/ or control device ; anti2interference measures
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The Research and Application of Anti2Interference Techniques for Electronic Device in Power System


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