電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的電磁兼容設計和試驗

1、第 42卷 第 5期 2006年 10月High Voltage ApparatusVol.42No.5Oct. 2006表 1EMC 試驗 -抗擾度試驗的形式所要求的實驗水平1.25/50s 8/20s 浪涌抗擾度試驗2kV (線對地 GB/T 17626.51kV (線對線 電快速瞬變 /快速抗憂度試驗2kV 對電源 GB/T 17626.41kV 對輸入 /輸出射頻電磁場輻射抗擾度試驗10V/mGB/T 17626.3靜電放電抗擾度試驗8kV/空氣放電或4kV/接觸放電GB/T 17626.2電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的電磁兼容設計和試驗牛博 ,宋政湘 ,王建華 ,耿英三 ,姜文采(The Sta

2、te Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment , Xi an Jiaotong University , Xi an 710049, China Electromagnetic Compatibility Design and Test for Power Quality Monitor (西安交通大學電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室 , 陜西 西安 710049NIU Bo , SONG Zheng -xiang , WANG Jian -hua , GENG Ying -san , JIANG Wen -cai

3、文章編號 :1001-1609(2006 05-0355-03摘要 :電能質(zhì)量監(jiān)測裝置是智能電器 監(jiān) 控 單 元 的 典 型 代 表 之一 , 介紹了一種電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的電磁兼 容 設 計 , 并 根 據(jù)電磁兼容試驗中發(fā)現(xiàn)的問題 , 對設計進行了改進 。 針對不 同端口有關的電磁兼容問題進行了研究 。 關鍵詞 :電能質(zhì)量監(jiān)測裝置 ; 電磁兼容 ; 試驗 中圖分類號 :TM595文獻標識碼 :AAbstract:Power quality monitor is one of the representa-tives of digital relay. The design on electro

4、magnetic com-patibility of power quality meter is discussed in this paper. According to the problems about the electromagnetic com-patibility , the design is improved and the problems in dif-ferent ports are also studied.Key words:power quality monitor (PQM ;electromagnetic compatibility ; test引言以計算

5、機和微電子技術為基礎的智能電器監(jiān)控 單元在傳統(tǒng)的電器行業(yè)中得到日益廣泛應用 , 其工 作的正確性直接影響著電器設備運行的安全可靠 。 而電器設備電磁環(huán)境異常復雜 , 在正常和異常運行 狀態(tài)下都會產(chǎn)生各種電磁干擾 , 這就對二次設備的 抗干擾能力提出了新的要求 。 本文介紹了智能電器 監(jiān)控單元中的典型產(chǎn)品 電能質(zhì)量監(jiān)測器的電磁 兼容設計方法 , 并根據(jù)電磁兼容試驗的現(xiàn)象進行了 相應地改進 。 1電磁兼容試驗內(nèi)容電能質(zhì)量監(jiān)測裝置應用于低壓智能配電系統(tǒng) , 其電磁兼容試驗標準可參照 IEC 609472規(guī)定的低 壓電器的抗擾度試驗項目 , 如表 1所示 , 試驗的內(nèi) 容主要有電快速瞬變脈沖群 、 雷

6、擊浪涌 、 高頻干擾 、 靜電放電試驗以及工頻磁場和阻尼振蕩磁場試驗 。IEC 609472沒有規(guī)定具體的判別標準 , 而是由產(chǎn)品標準依據(jù)產(chǎn)品的不同特點來規(guī)定 , 并可根據(jù)產(chǎn)品的實際使用條件 , 規(guī)定比 IEC 609472較高的試驗嚴酷 等級或者增加部分抗擾度試驗項目 1。2裝置的干擾端口的定義圖 1為電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的結構示意圖 。 由輸 入 、 中央控制 、 輸出和通信四大模塊組成 。 電磁干擾 以輻射和傳導方式侵害設備 。 端口就是傳輸?shù)?界 面 或途徑 , 通過這些端口 , 電磁干擾進入或出自被 考慮的設備 。作為一種電力負荷的計量裝置 , 電能質(zhì)量監(jiān)測收稿日期 :2005-11-0

7、1基金項目 :國家自然科學基金資助項目 (50477026 。 作者簡介 :牛博 (1980-, 男 , 博士研究生 , 從事智能化電器及其電磁兼容性能的研究 。355 第 42卷 第 5期2006年 10月High Voltage ApparatusVol.42No.5Oct. 2006 裝置的干擾端口定義可參照 IEC TC95量度繼電器 和保護設備委員會提出 “ 量度繼電器和保護裝置的 電磁兼容要求 (IEC 60255-26 ” 的提 案 , 把 量 度 繼 電器和保護裝置的端口分為 6類具體定義如下 2:! 通信端口為通信系統(tǒng)或者控制系統(tǒng)提供的與裝置 永久連接的低能量信號接口 ; #

8、 外殼端口是裝置的 物理邊界 , 該端口是電磁場輻射或接收的主要媒介 ; $ 功能接地端口是裝置連接到大地的端口 ; % 輸入 端口是為了實現(xiàn)某些功能 , 裝置被激勵或控制的端口 , 如 , 電流 、電壓互感器 , 二進制的狀態(tài)量 , 模擬量 輸入等 ; & 輸出端口是裝置實現(xiàn)預定的操作端口 , 如 繼電器線圈 、 光耦 、 模擬量輸出 ; 電源端口為裝置 的交流 /直流輔助激勵量輸入 。3裝置的電磁兼容設計裝置中第一個關鍵的部件是電源 , 如果電源的 抗干擾能力上不去 , 則從其他端口耦合的干擾都可 以通過電源構成回路 。 安裝電源濾波器 , 這是任何一 個設備或系統(tǒng)滿足電磁兼容要求的一個最

9、基本的方法 3。電源濾波器是一種低通濾波器 , 它允許直流或 50Hz 工作電流通過 , 而不允許頻率較高的工作電 流通過 。 選擇電源濾波器 , 要考慮它的額定電壓 、 電流 , 能適應的溫度范圍 , 插入損耗 , 體積大小 。在確定 濾波器的電流時 , 要留有至少 50%的余量 , 以使濾波 器始終工作在最佳狀態(tài) 。 濾波器一定要安裝在設備 離電源入口處最近的地方 , 濾波器的電源輸入線越短越好 , 濾波器的輸入線和輸出線不能重疊捆綁 。 另 外 , 濾波器的外殼一定要良好接地 , 即良好接到金屬 機殼上 4。 滿足了上述的幾個條件 , 濾波器就會發(fā)揮 它應有的作用 , 在設備的電磁兼容性

10、上 , 用好電源濾波器 , 能起到一半以上的作用 。 圖 2是在快速瞬變 脈沖群試驗 (EFT/B 峰值為 500V 時是否 安 裝 電 源 濾波器的差模試驗波形比較 。 另外 , 裝置采用供電的AC/DC 開關電源輸入對地 、輸出對地和輸入對輸出 的耐壓性能為 2kV (AC , 輸出之間為 500V (AC 。 這樣 , 開關電源和濾波電路組合在一起 , 能夠很好地 抑制浪涌電壓和快速瞬變脈沖群 。 在電源輸入端口加一鐵氧體磁珠后 , 用示波器 在輸出端觀察波形 。 圖 3對比可看出鐵氧體磁珠對 EFT/B 干擾具有較大的抑制作用 。 另外 , 在電源輸 出端口對地加 0.01F 陶瓷電容

11、器或鉭電容器 , 也 可以抑制共模 EFT/B , 但效果不如使用鐵氧體磁珠 。該裝置的主要監(jiān)測對象是電壓 、 電流等電量 。 圖 4是信號輸入通道前面的前端保護電路 。 壓敏電阻 、 瞬變電壓吸收管 (TVS 與電感 、 電容等通過配合使 用 , 對抑制干擾具有很好的效果 。 在實際使用中 , TVS 和壓敏電阻選用的標稱電壓值一般分別為保護 電壓的 1.2和 1.4倍 5。 以雷擊浪流電壓試驗為例 , 當浪涌電奪產(chǎn)生時 , TVS 由于響應速度快首先作用 , 箍位住浪涌電壓的波頭 , 隨后 TVS 的箍位電壓加上 電感 L 上的瞬態(tài)電壓導致壓敏電阻和氣體放電管分 別起作用 , 把主要的浪涌

12、能量轉(zhuǎn)移到壓敏電阻和氣 體放電管上 , 這樣的保護電路既有較快的響應速度 , 又具有較大的電流吸收能力 , 圖 5浪涌 1kV 輸出試 驗保護電路前端與后端波形比較 , 從圖中看出 , 浪涌 的大部分能量被吸收 , 并且衰減的速度非?？?6。 圖 6為 EFT/B 1kV 差模試驗保護電路前端與后端波 形比較 , 保護電路對電快速瞬變脈沖群也有很好的 抑制作用 。在接地方面 , 監(jiān)測裝置采用了浮地 -屏蔽接地方 式 , 即把模擬信號和數(shù)字信號的工作地懸浮 , 而對裝 置外殼機箱屏蔽接地 。 浮地方式可使監(jiān)測裝置的微 機系統(tǒng)不受大地電流的影響 ,提高了裝置的抗干擾性能 。 裝置外殼機箱采用屏蔽接

13、地 , 無論從防止靜電 干擾和電磁感應干擾的角度 ,還是從人身設備安全圖 2有無電源濾波器 EFT/B 500V差模試驗波形比較圖 3電源輸入端口有無磁珠 EFT/B 峰值 1kV差模試驗波形比較圖 6保護電路前端與后端的 EFT/B 1kV差模試驗波形比較圖 5保護電路前端與后端的浪涌 1kV 輸出試驗波形比較356 (下轉(zhuǎn)第 361頁 的角度 , 都是十分有效的措施 7。本裝置采用的通信總線為 CAN 總線 , 這種總線 和 RS485總線類似 , 也是以差分方式傳輸 , 因而具 有較強的抗共模干擾的能力 , 長距離通信時為了更 加有效地削減共模干擾 , 所以要求總線隔離 8。 其抗 浪涌

14、干擾措施見圖 7。 需要指出的是通信總線的浪 涌干擾的開路電壓波形具有的波形特征 , 所以其干 擾的頻帶寬度沒有其他端口那樣寬 , 但低頻的能量 更大 。 對策主要是隔離各個通信端口 , 并在每端口加 入低頻能量吸收回路 。 需要指出的是此處的保護地 指大地 。4 試驗中出現(xiàn)的問題和解決辦法4.1 電源供電回路的改進由于開關電源的輸出回路有限 , 電源輸出端的 其中幾路電壓需要同時給多個模塊供電 , 如 12V (DC 需要給裝置的 A/D 采樣模塊和電壓電流傳感 器供電 。 由于不同模塊采用同一電源回路 , 模塊之間 存在相互干擾的現(xiàn)象 。 試驗中 , 當對其中一個電壓傳 感器的輸入端進行高

15、頻干擾和浪涌試驗時 , 其供電 端同時出現(xiàn)電磁干擾 , 并通過供電回路傳到微機和 其它傳感器的供電端 , 造成對它們的影響 。 雖然持續(xù) 時間很短 , 但仍可能干擾微機采樣模塊的正常工作 。 對這種相互干擾現(xiàn)象 , 采用分布式電源供電 、 兩級直 流隔離措施也可減少電源端口干擾對內(nèi)部數(shù)字電路 的影響 。 圖 8為改進后的供電回路 。4.2交流量輸入端口的改進電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的交流量輸入 (電流互感器 /電壓互感器 電壓電流量 , 電磁干擾也很容易由此進 入 , 其在原理上的等效電路模型見圖 99。 施加干擾 時 EFT/B 由端口進入裝置 , 經(jīng)變流器 /變壓器原副 邊的分布電容 (C 1C

16、3 進入 A/D , 再進入 CPU , 從而 造成監(jiān)控單元運行出錯 。 這方面在以前的設計中并 未考慮 , 對于這種干擾此解決措施有 : 盡可能減少分布電容 (C 1C 3 , 可采用雙層屏蔽 , 且屏蔽層分別 與一次 、 二次地相連 , 良好接地 , 接地電阻要小 ; 電 流互感器 /電壓互感器端口加入鐵氧體磁珠 (注意避 免磁珠的飽和 ; 電流互感器 /電壓互感器初級與次 級引線應分開 , 不要交叉 , 考慮到 EFT/B 的高頻分 量豐富 , 可將電流互感器 /電壓互感器用金屬罩屏 蔽 , 以避免對弱電回路的空間輻射干擾 ; 在信號輸 出與 A/D 之間采取濾波措施或隔離電路 。4.3

17、通信模塊的改進電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)正在朝著在線監(jiān)測實時分 析 網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展 。 遠方的工作站對其 覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)絡節(jié)點和現(xiàn)場設備進行監(jiān)控和管理 , 為了防止監(jiān)測裝置上產(chǎn)生的電磁干擾通過通信網(wǎng)絡 傳到 PC 機 , 裝置可以采用光纖收發(fā)器等實現(xiàn)對網(wǎng)絡 的光電隔離 , 光纖通信具有通信容量大 、 傳輸數(shù)率高 、 可靠性高 、 衰減小 、 不受外界電磁干擾 、 保密性好 、 使 用壽命長 , 不易被盜割等特點 。 最近幾年 , 光纖通信技 術日趨成熟 , 為光纖通信在配網(wǎng)自動化中的廣泛應用 打下了良好的基礎 。 圖 10為網(wǎng)絡光電隔離的一種方 案 , 其中 UTP 為普通網(wǎng)線路 , 也可以是

18、 RS232, RS485串口線 , E/O , O/E 為光纖收發(fā)器 , 通過光纖收發(fā)器 、 光 纖和普通的 HUB 或交換機 , 監(jiān)測裝置和 PC 機實現(xiàn) 了光電隔離 , 監(jiān)測裝置之間也互不影響 。5結語通過電磁兼容試驗 , 發(fā)現(xiàn)了監(jiān)測裝置原有設計的 一些問題 。 在改進設計的基礎上 , 監(jiān)測裝置通過了各 項電磁兼容試驗 。 該電磁兼容設計對其他種類的智能 電器監(jiān)控單元的設計開發(fā)具有極大的參考價值 。參考文獻 :1吳蔚 . 低壓電器產(chǎn)品電磁兼容標準及其檢測 J. 低壓電器 ,2004(9 :54-56.常有接收不到的情況發(fā)生 。 為了解決這個問題 , 采取了以下兩項措施 :(1 增大波特率

19、 , 縮短發(fā)送周期是一個有效的方 法 。 波特率從 2400提高到 19200, 發(fā)送周期從 1.2s 減小到 0.5s , 通過增加查詢次數(shù) , 提高通訊成功率 。(2 采用數(shù)據(jù)中繼的方式 。 由于某些子站離總站 距離比較遠 , 直接返回的信號比較微弱 , 因此采用中 繼接力的方式非常有效 。 首先選取距離總站較近 , 沒 有什么通信障礙 , 通信狀態(tài)良好的子站作為中繼站 , 向其他子站進行信號轉(zhuǎn)發(fā) 。 如圖 6所示 , 子站 1與子 站 7距總站較遠 , 且障礙較多 , 通信狀況不是很好 , 采用子站 4作為中繼子站 , 向子站 1和 7進行轉(zhuǎn)發(fā) , 通信距離雖然從 117m 增加到 10

20、0+60=160m , 但是 繞過了障礙 , 而且信號在每段都得到了增強 , 保證了 通信的通暢 。 在實際應用中 , 用一個子站作為固定的 中繼子站是不可靠的 , 所以軟件在設計中不斷統(tǒng)計 總站與各個子站的通信成功率 , 動態(tài)地設置中繼子 站 , 總是把在單位時間里通信成功率最高的子站設 置為中繼子站 。軟件不僅能遙測溫度數(shù)據(jù) , 而且可以對機構箱 內(nèi)的加熱器通過通訊命令字進行投切動作 , 實現(xiàn)遠 程遙控功能 。 在加熱器與電源之間加裝一中間繼電 器 , 通過對繼電器的開閉實現(xiàn)對加熱器的投入 、 退出 控制 。 一般狀態(tài)下 , 工作子站運行在自動狀態(tài)下 , 單 片機根據(jù)設定的溫度值對加熱器進

21、行投切控制 , 上 位機的手動遠方操作為自動運行的備選 , 大大提高 了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性 。 3.2數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理模塊該窗口顯示歷史曲線 , 用來查閱歷史數(shù)據(jù) , 分析 事故原因等 。 也可實時顯示各子站的溫度數(shù)據(jù) 。 可以 任意放大數(shù)據(jù)顯示界面 , 得到各個時刻的溫度數(shù)據(jù) 。 存儲溫度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫有兩個 , 一個是存儲當前實 時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫 data , 它包含了當前的數(shù)據(jù)以及 7天前的歷史數(shù)據(jù) ; 一個是存儲歷史數(shù)據(jù)的備份庫 backup , 它包含了從運行起所有的溫度數(shù)據(jù) 。 利用 SQL 語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的插入 , 查詢 , 修改等 。 軟件關閉 前 , 程序自動備份當前數(shù)據(jù)到備份庫

22、backup 中 , 并 檢測當前庫 data 中的數(shù)據(jù)是不是超過了 7天的容 量 , 如果超過了 , 對超期的數(shù)據(jù)進行刪除 , 并對 data 數(shù)據(jù)庫進行物理壓縮 , 保持 data 數(shù)據(jù)庫在一個比較 合適的大小 。 圖 7是現(xiàn)場 2號主變壓器機構箱 5月 24日的實際溫度曲線 。4結語介紹了一種新型溫度監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件無線通 訊部分的設計與實現(xiàn)方案 , 采取了多種抗干擾方式 。 該系統(tǒng)不僅局限于溫度監(jiān)測 , 結合不同的傳感器 , 還 可對高壓斷路器進行不同的狀態(tài)監(jiān)測 , 稍作改動 , 也 可運用在其他需要做溫度監(jiān)測的電氣設備上 , 如變 壓器油溫等 。 經(jīng)過在現(xiàn)場實地的運行 , 達到了預期

23、的 效果 , 總站與工作子站的通訊穩(wěn)定可靠 , 采集的溫度 數(shù)據(jù)也非常準確 , 誤差不超過 0.5 。 現(xiàn)已在雞西市某 變電所投入運行 。參考文獻 :1胡 文 平 . 高 壓 斷 路 器 在 線 狀 態(tài) 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 應 用 J. 診 斷 技 術2004(3 :30-31.2胡大可 . MSP430系列 FLASH 型超低功耗 16位單片機 M. 北 京 :北京航空航天大學出版社 , 2003. 3蔣正義 , 朱善安 , 韓東 . 基于 MSP430和 nRF40l 的無線自動抄表系統(tǒng) J. 電子技術應用 , 2004(11 :74-77.4楊金巖 , 鄭應強 , 張振仁 . 8051單片機數(shù)據(jù)傳輸接口擴展技 術與應用實例 M. 北京 :人民郵電出版社 , 2005.5冷 力 宇 . 500kV 變 電 站 電 磁 兼 容 問 題 淺 談 J. 江 西 電