監(jiān)控用電力儀表的電磁兼容設(shè)計(jì)方案解析

1前言
　　電力行業(yè)常用的監(jiān)控儀表與傳統(tǒng)的電參量變送器相比，逐步向智能化、集成化、多功能化方向發(fā)展，并且在電磁兼容性能上也有很高的要求（EMS和EMI試驗(yàn)均有相關(guān)要求）。設(shè)計(jì)者如何選擇適當(dāng)?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>EMC設(shè)計(jì)方案，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成敗起到?jīng)Q定性作用。本文就如何進(jìn)行電力監(jiān)控儀表的電磁兼容設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合闡述。
　　2標(biāo)準(zhǔn)解讀
　　2.1判定標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合重工業(yè)產(chǎn)品通用標(biāo)準(zhǔn)，電力監(jiān)控用電力儀表需要滿(mǎn)足的EMS、EMI項(xiàng)目及評(píng)判等級(jí)見(jiàn)圖1. 2.2標(biāo)準(zhǔn)解讀干擾通常分為持續(xù)干擾和瞬態(tài)干擾兩類(lèi)。如廣播電臺(tái)、手機(jī)信號(hào)、步話(huà)機(jī)等屬于持續(xù)干擾。由于開(kāi)關(guān)切換，電機(jī)制動(dòng)等造成電網(wǎng)的波動(dòng)，此類(lèi)干擾我們稱(chēng)為瞬態(tài)干擾。圖1中瞬態(tài)干擾包含：浪涌SURGE，靜電ESD，電快速脈沖群EFT/B，電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化DIPS；持續(xù)干擾包含：傳導(dǎo)敏感度CS，輻射敏感度RS.評(píng)判等級(jí)A所述的“性能不降低”，即干擾施加后，硬件無(wú)損害，干擾施加過(guò)程中無(wú)死機(jī)、復(fù)位、數(shù)據(jù)掉幀或誤碼率較高等問(wèn)題，好像無(wú)干擾施加到產(chǎn)品一樣。通常持續(xù)性的干擾的評(píng)判等級(jí)均采用此評(píng)判等級(jí)。瞬態(tài)干擾為偶然性發(fā)生，且引起的電網(wǎng)干擾時(shí)間不長(zhǎng)，故暫時(shí)性能降低，也就是評(píng)判等級(jí)B. 2.3 EMS試驗(yàn)項(xiàng)目及干擾實(shí)質(zhì)分析（1）浪涌SURGE：波形1.2/50μs、8/20μs，是一種脈沖寬度為幾十個(gè)μs的脈沖，是一種傳導(dǎo)性干擾，因其脈沖攜帶較強(qiáng)能量，故需要對(duì)所有功能端口做相應(yīng)程度的防護(hù)，否則會(huì)引起內(nèi)部電路元件的永久性硬損傷。
　?。?）靜電EMD：波形上升沿為0.7-1ns，是一種脈沖寬度為幾十個(gè)ns的脈沖，因其峰值電壓范圍在數(shù)千至上萬(wàn)伏，故脈沖也具有一定的能量，須在端口做防護(hù)。由于其上升沿很陡，故其攜帶的高頻諧波很豐富，可達(dá)500MHz，所以靜電在儀表所有裸露的金屬部件（包含端子，螺釘?shù)龋┻M(jìn)行接觸放電或孔縫（包含LED指示燈的開(kāi)孔，各種散熱和觀(guān)察孔）時(shí)，或分別對(duì)水平耦合板和垂直耦合板間接放電時(shí)，均會(huì)在放電點(diǎn)瞬時(shí)形成一個(gè)高頻電場(chǎng)，通過(guò)空間對(duì)電路進(jìn)行干擾，這種干擾是共模干擾。因此，靜電設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意端口保護(hù)和空間高頻輻射場(chǎng)兩方面內(nèi)容。
　?。?）電快速脈沖群EFT/B：波形上升沿為5ns，波形為數(shù)個(gè)周期脈沖串的組合，能量很低。干擾的性質(zhì)和靜電一樣是共模，干擾路徑既包括傳導(dǎo)也包含輻射。
　?。?）傳導(dǎo)敏感度CS：共模干擾，干擾頻段從150KHz到80MHz.在進(jìn)行項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)，其干擾信號(hào)源至儀表的線(xiàn)纜長(zhǎng)度與干擾頻段（30MHz）對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ的1/4比擬，故在施加干擾電壓的調(diào)制頻率超過(guò)30MHz時(shí)，因趨膚效應(yīng)，干擾信號(hào)主要以空間輻射方式出現(xiàn)（低于30MHz時(shí)，主要還是以傳導(dǎo)方式干擾）。
　　（5）輻射敏感度RS：共模干擾，干擾頻段從80MHz到1GHz.需注意，外拖的線(xiàn)纜充當(dāng)接收天線(xiàn)，干擾為電磁場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)。
　　2.4 EMI試驗(yàn)項(xiàng)目及干擾實(shí)質(zhì)分析EMI試驗(yàn)包含傳導(dǎo)發(fā)射CE和輻射發(fā)射RE.CE考察的頻段為150KHz~30MHz，RE考察的頻段為MHz~1GHz，通常按A類(lèi)設(shè)備要求。對(duì)電力儀表而言，主要考察其內(nèi)部電源（通常為開(kāi)關(guān)電源）、晶振（包括有源晶振和無(wú)源晶振）等主要騷擾源通過(guò)天線(xiàn)（由外拖線(xiàn)纜充當(dāng)）形成的傳導(dǎo)和輻射，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意對(duì)上述騷擾源的處理。
　　3電磁兼容設(shè)計(jì)方法
　　3.1電磁兼容設(shè)計(jì)的基本思路出現(xiàn)EMC問(wèn)題，必須有干擾源，耦合路徑及敏感設(shè)備三要素，缺少任何一個(gè)環(huán)節(jié)，均不能構(gòu)成EMC問(wèn)題。因此，針對(duì)EMC問(wèn)題，其設(shè)計(jì)就是針對(duì)三要素中的一個(gè)或幾個(gè)采取技術(shù)措施，限制或消除其影響，基本思路可分為“堵”和“疏”兩類(lèi)?！岸隆本褪峭ㄟ^(guò)增加共模濾波器，采用光耦等隔離或線(xiàn)纜套磁環(huán)等方式增加共模阻抗Z：“疏”就是通過(guò)電容形成高頻通路，將共模干擾引入阻抗更低的地（PE）或金屬殼。一個(gè)EMC設(shè)計(jì)往往可以通過(guò)既“堵”又“疏”的方式，在成本增加不大的情況下，可獲得較好的EMC性能。
　　3.2 EMC解決手段屏蔽、接地和濾波是EMC解決的三種手段。在下文中將詳細(xì)說(shuō)明。
　　4原理圖級(jí)設(shè)計(jì)
　　在確定儀表需要滿(mǎn)足的電磁兼容項(xiàng)目及試驗(yàn)等級(jí)后，在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)就有必要對(duì)相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大程度降低電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)省項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間。
　　4.1端口設(shè)計(jì)儀表的端口包括電源端口及信號(hào)端口，在EMC測(cè)試項(xiàng)目中針對(duì)端口的試驗(yàn)包括浪涌SURGE，靜電ESD，電快速脈沖群EFT/B，傳導(dǎo)敏感度CS，傳導(dǎo)發(fā)射CE，電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化DIPS.因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循先進(jìn)行浪涌防護(hù)后進(jìn)行隔離/共模濾波的順序進(jìn)行。
　?。?）浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)儀表端口的定義，浪涌分為差模浪涌和共模浪涌?jī)煞N。如信號(hào)端口（也包含工作電源端口）的進(jìn)線(xiàn)和回線(xiàn)間為差模浪涌，電路的進(jìn)線(xiàn)和回線(xiàn)分別對(duì)地（接地端子）為共模浪涌。
　　抑制浪涌最常用的器件就是浪涌抑制器件，如氣體防電管、壓敏電阻、TVS.不同的端口根據(jù)其功能，選用不同的組合方案進(jìn)行浪涌的防護(hù)。例如，當(dāng)儀表是三相四線(xiàn)輸入，因?yàn)殡妷憾丝跒楦咦栎斎?，在浪涌等?jí)要求不太高時(shí)，一般無(wú)須采用壓敏電阻和氣體放電管。
　?。?）共模濾波器的設(shè)計(jì)通過(guò)在端口附近設(shè)計(jì)共模濾波器，對(duì)共模干擾進(jìn)行旁路。濾除共模干擾也可采取設(shè)計(jì)隔離元件等增大共模阻抗的方式或通過(guò)電容接地（如果端口設(shè)計(jì)有接地端子，應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)安全要求）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　設(shè)計(jì)共模濾波器，首先應(yīng)明確共模干擾的頻段，以便選擇合適的電感、電容參數(shù)。若需要同時(shí)抑制低、中、高頻的共模干擾，有時(shí)可采用低頻和高頻共模濾波器串聯(lián)的方式來(lái)解決。
　　儀表電源端口往往采用開(kāi)關(guān)電源，由于開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)重要的對(duì)外干擾源，需要在端口設(shè)計(jì)EMI濾波器。另外，從EMS角度考慮，由于隔離變壓器的輸入輸出間存在較大的分布電容，高頻共模干擾可以毫無(wú)衰減地從輸入耦合至輸出，因此也需要在開(kāi)關(guān)電源前設(shè)計(jì)濾波器。