作者/王燕、馬學(xué)梅、俎春紅、王洪磊，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司商河縣供電公司

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防止電子互感器通訊信號(hào)衰弱的措施

作者/王燕、馬學(xué)梅、俎春紅、王洪磊，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司商河縣供電公司

文章摘要：電子式互感器是一種直接運(yùn)行在高壓導(dǎo)線上的電子設(shè)備，接收的電磁干擾強(qiáng)度超過(guò)了其它任何電子設(shè)備，能夠抗御強(qiáng)電磁干擾并穩(wěn)定工作，己成為衡量產(chǎn)品可靠性最主要的指標(biāo)，防護(hù)電磁干擾的方法也成為電子式互感器核心技術(shù)之一。本文通過(guò)分析電磁干擾對(duì)通訊信號(hào)的影響，提出了相應(yīng)的保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：電子互感器 抗干擾 措施

前言

電子式互感器較傳統(tǒng)互感器增加了合并器、交換機(jī)等通信環(huán)節(jié)，總線式通信線路簡(jiǎn)化了大量并行接線，但同時(shí)又將多重信息“系于一線”，通信系統(tǒng)的任何差錯(cuò)都會(huì)造成繼電保護(hù)體系的故障。此外電子式互感器的微電子器件(采集器)被前移至戶外環(huán)境的高壓線、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器等強(qiáng)干擾源附近，這是前所未有的工業(yè)技術(shù)嘗試。目前，電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)滯后，產(chǎn)品的電磁干擾防護(hù)措施缺失，導(dǎo)致采集器功能失效和信號(hào)畸變，是電子式互感器應(yīng)用面臨的最主要的問(wèn)題之一。因此還需要加強(qiáng)對(duì)電子互感器通訊信號(hào)抗干擾措施的研究。

1.電子互感器信號(hào)干擾強(qiáng)度分級(jí)

■1.1測(cè)量誤差級(jí)干擾

在外電磁場(chǎng)的干擾作用下，測(cè)量電路仍能正常進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換操作，但測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，這種干擾能量?。ㄐ∮诨虻扔谛盘?hào)慍度），僅影響信號(hào)的準(zhǔn)確度，所以歸類(lèi)為誤差級(jí)干擾。這種較輕微的干擾，一般是由被測(cè)導(dǎo)線附近的其他導(dǎo)線的電磁場(chǎng)疊加引起的干擾作用，但外干擾作用消失后，誤差也自動(dòng)消失。

■1.2程序錯(cuò)亂級(jí)干擾

在外電磁場(chǎng)的干擾作用下，器件無(wú)損壞，仍在工作狀態(tài)，但邏輯器件間歇性的復(fù)位和程序飛出，致使測(cè)量數(shù)據(jù)不連續(xù)、摻雜隨機(jī)數(shù)，這是一種較為嚴(yán)重的程序故障級(jí)干擾，一般是由于外電磁干擾產(chǎn)生的電壓波動(dòng)已經(jīng)接近或達(dá)到邏輯電平（數(shù)伏電壓），足以引起邏輯器件內(nèi)門(mén)電路的反轉(zhuǎn)和時(shí)序錯(cuò)亂。在大多數(shù)應(yīng)用中，僅在線路有開(kāi)關(guān)操作時(shí)，電弧產(chǎn)生的強(qiáng)輻射干擾會(huì)在短時(shí)間內(nèi)( 300-1000ms)導(dǎo)致程序故障，開(kāi)關(guān)操作完成后，此類(lèi)故障可自行恢復(fù)，作為互感器的數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)歷這種正常-錯(cuò)亂-正常的循環(huán)過(guò)程也被認(rèn)為是一種故障狀態(tài)[1]。

■1.3器件損壞級(jí)干擾

在外電磁場(chǎng)作用下，較強(qiáng)的干擾能量進(jìn)入電路，產(chǎn)生超出器件安全限制的過(guò)電壓，導(dǎo)致電子器件被永久性擊穿失效，這種最嚴(yán)重的干擾也往往源于開(kāi)關(guān)操作連帶的系列干擾效應(yīng)。此種情況最容易發(fā)生在封閉式組合電器中，強(qiáng)烈的拉弧過(guò)程會(huì)產(chǎn)生上萬(wàn)伏的暫態(tài)電位突變，其突然性相當(dāng)于一個(gè)“電磁爆炸”，事件往往發(fā)生在隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)，預(yù)防這種干擾的方法也是目前電子式互感器應(yīng)用中需要深入的課題。

2.電子式互感器影響信號(hào)強(qiáng)度的途徑

■2.1信號(hào)線進(jìn)入

由信號(hào)線進(jìn)入采集電路的所有非測(cè)量信號(hào)都被定義為干擾信號(hào)，經(jīng)由信號(hào)線進(jìn)入的干擾可能有三種原因：其一是傳感器本身接收的干擾，由于傳感器是緊靠一次導(dǎo)體的部件，一次操作引起的電流、電壓的突變都會(huì)激發(fā)環(huán)周電磁場(chǎng)的突變，傳感器感測(cè)到高于圖1電磁干擾進(jìn)入采集電路的途徑1kHz的信號(hào)，無(wú)論對(duì)計(jì)量還是保護(hù)都是無(wú)用的，應(yīng)歸類(lèi)于干擾信號(hào)；其二是較長(zhǎng)的傳輸線可能接收到的空間電磁輻射干擾：其三是傳感器與采集器所安裝的殼體位置之間的電位差引起的一種干擾[2]。

圖1　電磁干擾進(jìn)入采集電路的途徑

■2.2輻射進(jìn)入

空間電磁波可以通過(guò)電路盒的插接端口、縫隙進(jìn)入采集器箱內(nèi)，直接干擾電子器件的工作，這種干擾已經(jīng)無(wú)法區(qū)別是差模還是共模形式，已經(jīng)進(jìn)入電路盒的射頻干擾，無(wú)法采用濾波等方法進(jìn)行有效的治理，所以對(duì)輻射干擾最有效的防護(hù)手段就是依靠金屬殼體的屏蔽作用，封堵或者削弱輻射波的進(jìn)入。

■2.3電源線進(jìn)入

通過(guò)電源線進(jìn)入的干擾有可能來(lái)自以下兩個(gè)方面。

1）電源系統(tǒng)自身干擾：在普遍采用直流供電的條件下，由于掛接在同一電源上的其他電器帶電操動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致諧波、脈沖群、間歇振蕩、浪涌等形式的干擾，這些干擾類(lèi)型一般可以采用常規(guī)的EMC電源連接器進(jìn)行防護(hù)。

2）裸露引線接收的強(qiáng)電磁干擾。采集電路的電源引線往往有數(shù)十乃至上百米長(zhǎng)線布設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)，如果引線沒(méi)有恰當(dāng)?shù)钠帘未胧?，也?huì)成為接收天線，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一個(gè)500kV隔離開(kāi)關(guān)操作，強(qiáng)烈的電磁輻射在數(shù)米范圍產(chǎn)生lkUm量級(jí)的電場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度，在裸露的長(zhǎng)引線上會(huì)感應(yīng)數(shù)千伏電壓，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致附近的電磁式繼電器動(dòng)作，電源線接收的輻射干擾往往強(qiáng)于信號(hào)線，其原因在于電源布線的長(zhǎng)度和人們對(duì)電源引線防護(hù)地電位引線措施重要性認(rèn)識(shí)的不足，采用帶屏蔽層或穿金屬管電纜、有效接地等措施可防護(hù)此類(lèi)干擾。

3.電子式互感器信號(hào)抗干擾的綜合防護(hù)

■3.1殼體屏蔽措施

1）電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率：選用較高的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率材料可以提高屏蔽效果，當(dāng)兩者不可兼得時(shí)，可采用兩層材料屏蔽，一層良導(dǎo)電材料加一層良導(dǎo)磁材料。測(cè)量線圈不可用導(dǎo)磁材料做外屏蔽，屏蔽殼不可形成閉合短路環(huán)。

2）厚度和層數(shù)：原則上厚板比薄板效果好，在總厚度不變條件下，將一層分成相互隔離的兩層，屏蔽效果優(yōu)于單層，這是由于除了殼體的衰減吸收作用外，還增加了一次反射作用。

3）殼體大小：殼體宜小不宜大，尺寸越大，殼體上感應(yīng)電位差越大，內(nèi)空間會(huì)有再生電磁波，當(dāng)電子電路體積較大時(shí)，宜將大空間分隔成若干個(gè)小空間。

4）閉合性：殼體要求盡量閉合無(wú)縫，避免直通的孔洞和縫隙，以減弱“哨”效應(yīng)。對(duì)必不可少的插接口，應(yīng)采用包封、拐彎的結(jié)構(gòu)，避免直通。

■3.2信號(hào)線的EMI防護(hù)

（1）屏蔽雙絞線

信號(hào)電纜帶有良好屏蔽包層，所起的作用與上述殼體屏蔽相同，屏蔽包層內(nèi)的信號(hào)傳輸線采用雙絞線，雙絞線是指按一定節(jié)距相互纏繞的一對(duì)信號(hào)線，雙絞線可有效抑制外來(lái)電磁場(chǎng)感應(yīng)的差模干擾，可傳輸高達(dá)100MHz帶寬的模擬或數(shù)字信號(hào)。

圖2所示為雙絞線抑制電磁干擾的原理。圖中，假定某一瞬間磁場(chǎng)方向向下，當(dāng)磁力線穿過(guò)雙絞線的縫隙時(shí)，會(huì)在上下兩段線上感應(yīng)出方向相反的電動(dòng)勢(shì)，但由于一條導(dǎo)線在每個(gè)環(huán)節(jié)上交叉換位，所以每?jī)蓚€(gè)相鄰的環(huán)節(jié)上感應(yīng)的電勢(shì)是相反的，例如圖中深色線感應(yīng)的節(jié)電勢(shì)en和en+1方向相反，相互兌消在輸出端的累加干擾電勢(shì)Ud=0；而平行線在各小節(jié)上感應(yīng)的電勢(shì)方向相同，在輸出端累加的結(jié)果 Ud≠0。

同理，電場(chǎng)的作用也相似，所以雙絞線可以有效抑制差模干擾。

（2）整體電磁密封

包括傳感器、傳輸線、采集箱在內(nèi)的所有模擬信號(hào)可能涉及的元器件應(yīng)整體電磁密封，這種密封是指整個(gè)模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)采用金屬（或金屬網(wǎng)）層包裹，不留任何縫隙，并在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)接地[3]。

圖2　雙絞線消除空間電磁干擾原理

■3.3電源線的EMI防護(hù)

圖3所示為常用的電源輸入線電磁干擾防護(hù)電路，主要針對(duì)由電源線引入的差模和共模干擾，其中 X1、Y1a、Y1b為“安規(guī)”電容 X1，用于吸收差模干擾（也叫X電容），最高瞬時(shí)耐壓4kV；Y1a、Y1b用于吸收共模干擾（也叫Y電容）最高瞬時(shí)耐壓8kV；C1、C2 、C3 是普通高壓電容，與X、Y電容裝法對(duì)稱(chēng)，可以補(bǔ)充吸收高頻共、差模干擾；L是共模抑制電感，與C3 、C2配合，濾除高頻共模干擾。這種電源濾波電路是任何一種電子設(shè)備都可通用的，它的最大防護(hù)等級(jí)：峰值電壓在3～5kV;干擾波頻率1MHz以下。對(duì)于電子式互感器，供電電源中的EMI防護(hù)組件是必不可少的，對(duì)于開(kāi)關(guān)類(lèi)組合電器應(yīng)用，僅有以上防護(hù)是不夠的，還需要附加特殊防護(hù)措施。

圖3　電源輸入端EMI防護(hù)

4.結(jié)語(yǔ)

鑒于電磁干擾對(duì)電子互感器通訊信號(hào)的影響較大，以及電磁干擾的特殊性和嚴(yán)重性，電子式互感器在應(yīng)用中如何進(jìn)行EMI防護(hù)是一個(gè)全新的課題，其是電子式互感器的核心技術(shù)之一，互感器的安全性、穩(wěn)定性在很大程度上取決于電磁防護(hù)的技術(shù)水平，因此還需要在今后進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

【參考文獻(xiàn)】

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＊[2]許韋華,鮑海,楊以涵,魏孝銘.壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號(hào)處理方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制.2014(10).

＊[3]楊玲君,周冬旭,徐志超.電容分壓型電子電壓互感器的特性研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備.2013(08).