龐 飛

（晉城金力電氣有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

晉城金力電氣有限責(zé)任公司采用ABB 公司生產(chǎn)的VS1 永磁斷路器作為高壓開關(guān)的本體，該斷路器分合閘時間短、速度快、分?jǐn)嗄芰?qiáng)、穩(wěn)定行高，分合閘時間的誤差可控制在±1 ms 之內(nèi)，但是該斷路器的釹鐵翎永磁體在分、合閘瞬間可產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場，對開關(guān)腔體內(nèi)空間和線路會造成很強(qiáng)的干擾，導(dǎo)致設(shè)計的高壓開關(guān)主控器在合、分閘時出現(xiàn)短暫的“死機(jī)”現(xiàn)象，這時開關(guān)的所有保護(hù)將失去作用。因此，主控器的抗干擾處理成為該項目急需解決的難題。

1 永磁式高壓開關(guān)干擾分析

永磁斷路器合、分閘瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)輻射電磁場對主控器的干擾主要存在兩個方面。

1.1 空間干擾

強(qiáng)電磁輻射傳輸是通過空間以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規(guī)律向四周空間發(fā)射。項目設(shè)計之初，為了減少線路，開關(guān)本體采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，將高壓開關(guān)的主控器放置于斷路器框架內(nèi)，但是主控PCB 板為普通盒子封裝，未針對性地做電磁屏蔽處理。斷路器永磁體距離主控器空間近，瞬間的強(qiáng)磁場會對主控器的元器件性能造成干擾，影響系統(tǒng)的正常工作。

1.2 傳導(dǎo)干擾

經(jīng)反復(fù)測試，高壓開關(guān)在空載時操作，主控器出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象相對較少，但是帶1000 kVA 變壓器本體進(jìn)行分、合閘，主控器“死機(jī)”頻率非常高。帶載操作時，瞬間電流變化很大，會引起電流浪涌，隨之瞬間的磁場突變，在金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出很強(qiáng)的感應(yīng)電壓，由于斷路器的控制電源和主控器電源來自同一控制變壓器，該瞬態(tài)干擾脈沖通過電源線路施加至主控器的電源模塊，會造成主控器的供電故障，以致瞬間不工作，該干擾也會影響PCB 板上的電子元件和模擬電路。

2 主控器存在的問題

通過上位機(jī)編程器對主控器程序動作時的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，分、合閘瞬間，編程器與主控器通信立刻中斷，動作完畢后，經(jīng)過5 s 左右的時間，程序會自動恢復(fù)工作，顯示一切正常，這意味著動作時DSP 主芯片會停止工作。

DSP 的電源電壓可能在帶載動作時出現(xiàn)異常，采用示波器對主控器DSP 芯片的電源波形進(jìn)行捕捉，正常工作時為3.3 V，運(yùn)行正常。分閘時捕捉的波形如圖1，電源電壓瞬間可達(dá)到10 V 以上，達(dá)到正常電壓時的3 倍，且高次諧波較多。合閘時的電源波形如圖2，瞬間電壓也可達(dá)到10 V，但持續(xù)時間較短，也驗證了分閘時主控器“死機(jī)”的概率高于合閘。因此，主控器出現(xiàn)異常的原因是由DSP電源受到脈沖干擾所致。

雖然干擾的時間很短，但是分、合閘瞬間是負(fù)載變化最大的時期，也是設(shè)備出現(xiàn)故障的高發(fā)期，如果主控器在分、合閘瞬時無法檢測到漏電、短路、過載等故障，該設(shè)備將非常容易損壞。

圖1 分閘瞬間電源波形

圖2 分閘瞬間電源波形

3 主控器采取的抗干擾措施

3.1 空間屏蔽

將主控器與永磁斷路器本體分開布置，減少空間電磁干擾[1-2]。開關(guān)內(nèi)部線路采用屏蔽雙絞線連接，并做一端接地（盡量選擇主控器遠(yuǎn)端）。主控器外殼采用純鐵等導(dǎo)磁性好的材料制作，將塑料航插更換為金屬航空插頭。

3.2 PCB 板改進(jìn)

（1）PCB 板上存在數(shù)字、模擬電路、高、低電壓電路，需合理布局。互感器等高電壓、大電流信號布置盡量靠近航空端子接口處，以盡量減少導(dǎo)線上的干擾。電路功能相近的可放置于一塊，可有效抑制噪聲。PCB 板布置如圖3，開關(guān)量放置于通訊模塊上方。

圖3 PCB 板布局圖

在DSP 系統(tǒng)板上方增加電感、磁珠屏蔽層，增加空間屏蔽。所有輸入、輸出回路采用光耦隔離，光耦兩端的進(jìn)出線要分開布置，否則會降低隔離效果，如圖4。

圖4 重新設(shè)計后的主控板

（2）PCB 布線要保證電磁兼容性，設(shè)計原則如下：

① 同一信號線的回路面積最小，可以減少磁場的耦合。

② 信號走線時，不能靠太近且不能平行鋪設(shè)，最好相互垂直布設(shè)。

③ 時鐘電路布線時，減少過孔，盡量在同一層走線，避免時鐘信號的衰減、反射等。在其周圍布設(shè)大的地線面，將其與高頻或模擬電路隔開。

④ PCB 板上空余的地方要敷銅網(wǎng)，與地線相連，可降低地線阻抗，穩(wěn)定電源和信號傳輸，且可減少高頻信號的電磁干擾。

3.3 接地處理

高壓開關(guān)的主控板中存在很多模擬和數(shù)字信號，數(shù)字信號的噪聲可沿線路和地對模擬地產(chǎn)生高頻信號耦合，影響模擬信號的采集精度。主控器的PCB 為雙層板設(shè)計，無法設(shè)計成完整的地平面，需采用分布式共地的方法進(jìn)行工作接地，提高PCB 電路的抗干擾能力，減少數(shù)字電路與模擬電路的相互干擾。

3.4 軟件設(shè)計

主控器主芯片TMS320F28335 內(nèi)置了可編程看門狗WDT，程序每隔200 ms，復(fù)位一次WDT。如果DSP 被干擾，程序未正常運(yùn)行，WDT 不再被周

期性復(fù)位，這時系統(tǒng)軟件進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。通過設(shè)置看門狗控制寄存器對軟件自動復(fù)位，可防止程序因各種原因進(jìn)入死循環(huán)，也可避免控制器誤動作。

4 效果應(yīng)用分析

高壓開關(guān)按照新的要求改進(jìn)后，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和企標(biāo)對移變做性能試驗和出廠檢驗，滿足所有的標(biāo)準(zhǔn)，解決了運(yùn)行過程中遇到的干擾問題，并在晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)5103 工作面進(jìn)行了為期9 個月的井下工業(yè)性試驗，期間運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何異常。

5 結(jié) 語

永磁式高壓開關(guān)的抗干擾處理在項目設(shè)計初期未考慮全面，導(dǎo)致后期進(jìn)行了大量的整改工作，雖然增加了產(chǎn)品的設(shè)計成本，但是產(chǎn)品在各類場合使用時，穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，以上所述的抗干擾設(shè)計不僅可用于井下移動變電站項目，也適用于變頻器類存在高次諧波干擾強(qiáng)的設(shè)備中。