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电力仪表的电磁兼容(EMC) 设计

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langtuodianzi
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LV8
副总工程师
  • 2021-3-25 12:37:13
       1 前言
  电力行业常用的监控仪表与传统的电参量变送器相比,逐步向智能化、集成化、多功能化方向发展,并且在电磁兼容性能上也有很高的要求(EMS和EMI试验均有相关要求)。设计者如何选择适当的EMC设计方案,对产品设计的成败起到决定性作用。本文浪拓电子就如何进行电力监控仪表的电磁兼容设计进行了综合阐述。 
  2 标准解读  
  2.1 判定标准
  结合重工业产品通用标准,电力监控用电力仪表需要满足的EMS、EMI项目及评判等级。
  2.2 标准解读
  干扰通常分为持续干扰和瞬态干扰两类。如广播电台、手机信号、步话机等属于持续干扰。由于开关切换,电机制动等造成电网的波动,此类干扰我们称为瞬态干扰。瞬态干扰包含:浪涌SURGE,静电ESD,电快速脉冲群EFT/B,电压暂降、短时中断和电压变化DIPS;持续干扰包含:传导敏感度CS,辐射敏感度RS。
  评判等级A所述的“性能不降低”,即干扰施加后,硬件无损害,干扰施加过程中无死机、复位、数据掉帧或误码率较高等问题,好像无干扰施加到产品一样。通常持续性的干扰的评判等级均采用此评判等级。瞬态干扰为偶然性发生,且引起的电网干扰时间不长,故暂时性能降低,也就是评判等级B。

      2.3 EMS试验项目及干扰实质分析
  (1)浪涌SURGE:波形1.2/50μs、8/20μs,是一种脉冲宽度为几十个μs的脉冲,是一种传导性干扰,因其脉冲携带较强能量,故需要对所有功能端口做相应程度的防护,否则会引起内部电路元件的永久性硬损伤。
  (2)静电EMD:波形上升沿为0.7-1ns,是一种脉冲宽度为几十个ns的脉冲,因其峰值电压范围在数千至上万伏,故脉冲也具有一定的能量,须在端口做防护。由于其上升沿很陡,故其携带的高频谐波很丰富,可达500MHz,所以静电在仪表所有裸露的金属部件(包含端子,螺钉等)进行接触放电或孔缝(包含LED指示灯的开孔,各种散热和观察孔)时,或分别对水平耦合板和垂直耦合板间接放电时,均会在放电点瞬时形成一个高频电场,通过空间对电路进行干扰,这种干扰是共模干扰。因此,静电设计时应注意端口保护和空间高频辐射场两方面内容。
  (3)电快速脉冲群EFT/B:波形上升沿为5ns,波形为数个周期脉冲串的组合,能量很低。干扰的性质和静电一样是共模,干扰路径既包括传导也包含辐射。
  (4)传导敏感度CS:共模干扰,干扰频段从150KHz到80MHz。在进行项目试验时,其干扰信号源至仪表的线缆长度与干扰频段(30MHz)对应的波长λ的1/4比拟,故在施加干扰电压的调制频率超过30MHz时,因趋肤效应,干扰信号主要以空间辐射方式出现(低于30MHz时,主要还是以传导方式干扰)。
  (5)辐射敏感度RS:共模干扰,干扰频段从80MHz到1GHz。需注意,外拖的线缆充当接收天线,干扰为电磁场的远场。
  2.4 EMI试验项目及干扰实质分析
  EMI试验包含传导发射CE和辐射发射RE。CE考察的频段为150KHz~30MHz,RE考察的频段为MHz~1GHz,通常按A类设备要求。对电力仪表而言,主要考察其内部电源(通常为开关电源)、晶振(包括有源晶振和无源晶振)等主要骚扰源通过天线(由外拖线缆充当)形成的传导和辐射,在设计时应特别注意对上述骚扰源的处理。
  3 电磁兼容设计方法
  3.1 电磁兼容设计的基本思路
  出现EMC问题,必须有干扰源,耦合路径及敏感设备三要素,缺少任何一个环节,均不能构成EMC问题。因此,针对EMC问题,其设计就是针对三要素中的一个或几个采取技术措施,限制或消除其影响,基本思路可分为“堵”和“疏”两类。“堵”就是通过增加共模滤波器,采用光耦等隔离或线缆套磁环等方式增加共模阻抗Z;“疏”就是通过电容形成高频通路,将共模干扰引入阻抗更低的地(PE)或金属壳。一个EMC设计往往可以通过既“堵”又“疏”的方式,在成本增加不大的情况下,可获得较好的EMC性能。
  3.2 EMC解决手段
  屏蔽、接地和滤波是EMC解决的三种手段。
  4 原理图级设计
  在确定仪表需要满足的电磁兼容项目及试验等级后,在原理图设计时就有必要对相关试验项目进行设计,降低电磁兼容风险和节省项目开发时间。
  4.1 端口设计
  仪表的端口包括电源端口及信号端口,在EMC测试项目中针对端口的试验包括浪涌SURGE,静电ESD,电快速脉冲群EFT/B,传导敏感度CS,传导发射CE,电压暂降、短时中断和电压变化DIPS。因此在设计中应遵循先进行浪涌防护后进行隔离/共模滤波的顺序进行。






pzg1989
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LV6
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楼主写了那么多,后续呢
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