監(jiān)控用電力儀表的電磁兼容設(shè)計方案解析

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試驗均有相關(guān)要求）。設(shè)計者如何選擇適當(dāng)?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>EMC設(shè)計方案，對產(chǎn)品設(shè)計的成敗起到?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足的EMS、EMI項目及評判等級見圖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。如廣播電臺、手機(jī)信號、步話機(jī)等屬于持續(xù)干擾。由于開關(guān)切換，電機(jī)制動等造成電網(wǎng)的波動，此類干擾我們稱為瞬態(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.評判等級A所述的“性能不降低”，即干擾施加后，硬件無損害，干擾施加過程中無死機(jī)、復(fù)位、數(shù)據(jù)掉幀或誤碼率較高等問題，好像無干擾施加到產(chǎn)品一樣。通常持續(xù)性的干擾的評判等級均采用此評判等級。瞬態(tài)干擾為偶然性發(fā)生，且引起的電網(wǎng)干擾時間不長，故暫時性能降低，也就是評判等級B. 2.3 EMS試驗項目及干擾實質(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，故需要對所有功能端口做相應(yīng)程度的防護(hù)，否則會引起內(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ns的脈沖，因其峰值電壓范圍在數(shù)千至上萬伏，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指示燈的開孔，各種散熱和觀察孔）時，或分別對水平耦合板和垂直耦合板間接放電時，均會在放電點瞬時形成一個高頻電場，通過空間對電路進(jìn)行干擾，這種干擾是共模干擾。因此，靜電設(shè)計時應(yīng)注意端口保護(hù)和空間高頻輻射場兩方面內(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。
　　（4）傳導(dǎo)敏感度CS：共模干擾，干擾頻段從150KHz到80MHz.在進(jìn)行項目試驗時，其干擾信號源至儀表的線纜長度與干擾頻段（30MHz）對應(yīng)的波長λ的1/4比擬，故在施加干擾電壓的調(diào)制頻率超過30MHz時，因趨膚效應(yīng)，干擾信號主要以空間輻射方式出現(xiàn)（低于30MHz時，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，外拖的線纜充當(dāng)接收天線，干擾為電磁場的遠(yuǎn)場。
　　2.4 EMI試驗項目及干擾實質(zhì)分析EMI試驗包含傳導(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類設(shè)備要求。對電力儀表而言，主要考察其內(nèi)部電源（通常為開關(guān)電源）、晶振（包括有源晶振和無源晶振）等主要騷擾源通過天線（由外拖線纜充當(dāng)）形成的傳導(dǎo)和輻射，在設(shè)計時應(yīng)特別注意對上述騷擾源的處理。
　　3電磁兼容設(shè)計方法
　　3.1電磁兼容設(shè)計的基本思路出現(xiàn)EMC問題，必須有干擾源，耦合路徑及敏感設(shè)備三要素，缺少任何一個環(huán)節(jié)，均不能構(gòu)成EMC問題。因此，針對EMC問題，其設(shè)計就是針對三要素中的一個或幾個采取技術(shù)措施，限制或消除其影響，基本思路可分為“堵”和“疏”兩類?！岸隆本褪峭ㄟ^增加共模濾波器，采用光耦等隔離或線纜套磁環(huán)等方式增加共模阻抗Z：“疏”就是通過電容形成高頻通路，將共模干擾引入阻抗更低的地（PE）或金屬殼。一個EMC設(shè)計往往可以通過既“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)說明。
　　4原理圖級設(shè)計
　　在確定儀表需要滿足的電磁兼容項目及試驗等級后，在原理圖設(shè)計時就有必要對相關(guān)試驗項目進(jìn)行設(shè)計，最大程度降低電磁兼容風(fēng)險和節(jié)省項目開發(fā)時間。
　　4.1端口設(shè)計儀表的端口包括電源端口及信號端口，在EMC測試項目中針對端口的試驗包括浪涌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、短時中斷和電壓變化DIPS.因此在設(shè)計中應(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。
　　（1）浪涌防護(hù)設(shè)計根據(jù)儀表端口的定義，浪涌分為差模浪涌和共模浪涌兩種。如信號端口（也包含工作電源端口）的進(jìn)線和回線間為差模浪涌，電路的進(jìn)線和回線分別對地（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)儀表是三相四線輸入，因為電壓端口為高阻輸入，在浪涌等級要求不太高時，一般無須采用壓敏電阻和氣體放電管。
　?。?）共模濾波器的設(shè)計通過在端口附近設(shè)計共模濾波器，對共模干擾進(jìn)行旁路。濾除共模干擾也可采取設(shè)計隔離元件等增大共模阻抗的方式或通過電容接地（如果端口設(shè)計有接地端子，應(yīng)滿足相應(yīng)安全要求）的方式來實現(xiàn)。
　　設(shè)計共模濾波器，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)。若需要同時抑制低、中、高頻的共模干擾，有時可采用低頻和高頻共模濾波器串聯(lián)的方式來解決。
　　儀表電源端口往往采用開關(guān)電源，由于開關(guān)電源是一個重要的對外干擾源，需要在端口設(shè)計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衰減地從輸入耦合至輸出，因此也需要在開關(guān)電源前設(shè)計濾波器。