（电工理论与新技术专业论文）微机保护装置的电磁兼容研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微机保护装置的电磁兼容研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我- - r z ：作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叁垒l j 昔日期：丝绪2 日2 0 目 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：圣鱼! 鱼 日期：幽塑日 导师签名 日期 掣也猡 趔袋牵朋争 华北电力人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 概述 微机继电保护装置对电力系统的安全、稳定运行有着非常重要的意义。变电站 内的电磁环境异常复杂恶劣，存在各种电磁骚扰源。最典型的骚扰源如：雷电、操 作感性负荷或s f 6 电器设备等引起的电快速瞬变脉冲群、静电放电、高压回路操作 隔离开关及断路器引起的电气暂态现象、接地系统短路电流引起的电位升、高压装 置产生的工频电场和磁场、供电线路传来的低频传导骚扰、由于设备内部或其他电 子设备产生的高频传导和辐射骚扰上3 】等。 目前，由于经济的原因，变电站“保护下放”的模式已逐渐被电力系统接受和 推广，这对微机继电保护装置又提出了更进步的挑战。一方面，以微电子技术为 基础的微机保护装莺正逐渐向着计算机化、网络化、智能化和小型化发展，保护、 控制、测量和数掘通信都是一体化的，这使装置的硬件和软件都越来越复杂，同时， 为满足实时性要求，电路的工作频率也越来越高，这些都致使装置对电磁骚扰具有 更明显的敏感性和脆弱性：另一方面，由于“保护下放”，微机保护装置直接安装 于变电站的开关场内，这使装置遭受的电磁骚扰比在控制室内要强得多。另外，变 电站一次系统电压的升高、容量的增大也使变电站内的电磁环境变得更恶劣，对二 次设备的影响也更强烈。因此，微机继电保护装置的电磁兼容性问题变得十分重要。 国外对电磁兼容的研究比较早，因此也比较成熟，其中有大量的论文发表，涉 及到电磁干扰源及其模型的研究、e m i 、e m c 的测量和评估、实现e m c 的技术、 技巧等【4 】。我国对电磁兼容研究的起步比较晚，对电子设备的电磁兼容研究，大部 分停留在对电磁兼容标准、干扰源的种类、特征及宏观抗扰度措施上，对设备进行 系统研究的很少，大部分都是在设备进行检测时，爿发现问题，匆忙弥补，致使很 多电子设备不能一次性通过电磁兼容检测。 设备在设计阶段解决电磁兼容问题是十分重要的，如图1 。1 所示可知，在设计 阶段解决电磁兼容问题，不仅可以降低成本，降低问题的难度，也可大大缩短研制 时间。 幽1 1e m c 可行性雨l 成本在个阶段示意幽 如果在设备已经完成，进行检测时爿发现问题，首先，不容易查找到是什么地 华北电力人学硕_ | _ = 学位论文 方出的错，既使尽力找到，也是凭借一些经验性的措施，采取试探的手段对设备进 行简单的附加修改；其次，往往所做的修改都不尽人意，设计人员只能一次一次反 复修改，这样不仅浪费时间和精力，在经济上也会造成很大的浪费。 本文系统的对微机继电保护装置的电磁兼容进行了研究，力争在设计之初，采 取相应改进措施，使设备一次性通过电磁兼容检测。 1 2 变电站的典型骚扰源 变电站的电磁环境异常复杂恶劣，存在各种各样的电磁骚扰源，典型的骚扰源 有： ( 1 ) 低频传导。a ) 谐波、谐间波；b ) 低压供电网中的信号电压；c ) 符合变 化引起的电压波动；d ) 交流直流电压暂降、短时中断和电压变化；e ) 电源频率 变化；f ) 直流电源的纹波；g ) 0 1 5 0 k h z 范围内的传导骚扰。 ( 2 ) 高频传导。a ) 阻尼震荡波、振铃波；b ) 操作感性负载及s f 6 设备、继 电器触点抖动引起的电快速瞬变脉冲群：c ) 雷电、电力网故障引起的冲击；d ) 射 频场感应的传导骚扰。 ( 3 ) 静电放电。 ( 4 ) 工频磁场、接地线和接地网中雷电流引起的脉冲磁场、操作隔离开关引 起的阻尼震荡磁场 ( 5 ) 射频辐射电磁场。 各种电磁骚扰的特性如表1 1 所示1 5 6 j 。 表1 1 各种电磁骚扰的特性 连续现象频发性暂态现象较少发生的暂态现象 许波、i l | 问波r l l 摊瞬态趺蒲( 持续时问小于电压瞬态跌落( 持续时问夫于 低k 供j u 叫中的信垮l 乜压 2 0 m s )2 0 m s ) 直流供l n 纹波l 巳压波动 i uh i 中断 0 1 5 0 k l i z 范川内的传导骚扰i b 源频率变化l u 源频率变化 射频场感心的传导骚扰伙速噼变脉冲群 浪涌 t 频磁场阻尼震荡波振睾波 射频辅射l u 磁场阻尼震荡磁场短时_ t 频磁场 缓慢的i b 压波动静电放电 脉冲磁场 可见，变电站的电磁环境非常严酷，要保证电力系统的安全、稳定运行，二次 设备的电磁兼容可靠性要相当高。 1 3 微机继电保护装置的电磁兼容标准 国际上从事晰c 的主要组织是i e c c i s p r ( 国际无线电干扰特别委员会) 和 i e c t c 7 7 ( 第7 7 技术委员会) 。其中c i s p r 主要负责频率高于9 k h z 的所有无线电 通信保护设备的产品发射标准，t c 7 7 主要负责低于9 k h z 频率的发射要求，并负责 2 华北电力人学硕十学位论文 整个频率范围内抗扰度测试的基本标准【引。i e c t c 9 5 量度继电器和保护设备，属 于产品委员会，主要负责量度继电器和保护设备的电磁兼容要求的标准制订工作。 i e c t c 9 5 借鉴i e c c i s p r 和i e c t c 7 7 委员会的基础标准，结合继电保护行业的实 际情况，相继制订了i e c 6 0 2 5 5 - x 系列产品标准。 我国现行的继电保护行业的e c 标准为g b t 1 4 5 9 8 系列，等同采用i e c 6 0 2 5 5 一x 标准，“1 。表1 2 表明了几种标准之刚的对应关系。 表i2 各标准2 间的对应关系 序i j7 c 7 7t c 9 5继电保护国际需沣 16 1 0 0 0 4 1 2 ：1 9 9 5 震6 0 2 5 5 2 2 1 】9 8 8 量度继电器g b t 1 4 5 9 81 3 1 9 9 8 e q v t c 9 5 荡波抗扰度实验和保护装冒的电气干扰试验 im h z 脉冲群干扰试验 26 10 0 0 4 2 ：1 9 9 5 静电6 0 2 5 5 2 2 21 9 9 6 量度继电器g b t l4 5 9 81 4 1 9 9 8i d tt c 9 5 放电抗扰度实验和保护装置的电气干扰试验 静电放电试验 36 1 0 0 0 4 3 ：1 9 9 5 射频6 0 2 5 5 2 2 3 ：2 0 0 0 量度继电器g b ，t 1 4 5 9 89 2 2 jd 【t c 9 5 电磁场辐射抗扰度实和保护装置的l u 气干扰试验 酷 辐射电磁场干扰试验 46 1 0 0 0 4 41 9 9 5 屯快6 0 2 5 5 2 2 - 4 ：1 9 9 2 量度继电器g b ，t 1 4 5 9 81 0 1 9 9 6i d l6 0 2 5 5 - 2 2 4 ：2 0 0 2 速瞬变脉冲群抗扰度和保护装置的i 乜气十扰试验 实验快速瞬变十扰试验 56 1 0 0 0 4 5 ：1 9 9 5 浪涌6 0 2 5 5 2 2 - 5 ：2 0 0 2 量度继电器6 0 2 5 5 - 2 2 - 5 ：2 0 0 2 ( 冲击) 抗扰度实验和操护装置的l b 气干扰试验 浪涌试验 6 6 10 0 0 4 6 ：1 9 9 6 射频6 0 2 5 5 2 2 - 6 ：2 0 0 1 量度继电器转化中t c 9 5 场感施的传导骚扰抗和保护装置的电气干扰试验 扰度实验传导电磁场干扰试验 76 1 0 0 0 4 8 ：1 9 9 3 工频6 0 2 5 5 2 2 7 量度继电器和保 艘场抗执度实验护袈置的i 乜气十扰试验 l 乜 源蛹率十扰试验 8 6 0 2 5 5 2 5 ：2 0 0 0 量度继i b 器年几g b i t l 4 5 9 81 6 - 2 0 0 2i d tt c 9 5 保护装置的电磁发射试验 96 0 2 5 5 2 6 量度继l u 器和保护9 5 9 9 c d 装置的f 乜磁兼容要求 g b t 1 4 5 9 8 系列标准正在进行逐步完善的修订，考虑增加浪涌( 冲击) 、射频 场感应的传导、工频磁场、脉冲磁场、阻尼振荡磁场及电能质量抗扰度标准，以真 实的反映变电站二次设备的电磁环境。产品类标准正逐步向i e c 6 1 0 0 0 一4 一x 基础标 准靠拢。 14 微机继电保护装置电磁兼容要求 华l 电力人学硕十学血论文 i e c 6 0 2 5 52 6 “量度继电器和保护装置的电磁兼容要求”，把量度继电器和保护 装置接受干扰的端口分为六类，外壳端口、输入端口( 为实现某些功能，装首被激 励或控制的端口，如，电流、电压互感器，二进制状态量，模拟量输入等) 、输出 端口、通信端口、电源端口和功能接地端口。“端口”是电磁骚扰传输的界面和途 径。该标准提案规定了各个端口的电磁发射及抗扰度实验项目及水平。发射实验规 定了机箱外壳端口及电源端口的电磁骚扰不得超过影响到其他装置正常工作的限 值，抗扰度实验考核了连续的瞬态传导性骚扰、静电放电及辐射骚扰对量度继电器 和保护装置情况。其中，瞬态脉冲干扰实验对数字电路影响严重，抑制也比较困难。 根据文献 2 3 的记载，现场实测的数据是：当断开很近距离的电感性负载时控制设 备内所测到的最大高频干扰幅值可达4 5k v 。 电力行业标准d l z7 1 3 - 2 0 0 05 0 0 k v 变电所保护和控制设备抗扰度要求中 规定了电快速瞬变脉冲群( e f t b ) 等7 项抗扰度试验项目和试验等级，其中对e f t b 抗扰度的要求：对于信号端口本地连接为2 级，现场连接为3 级，至高压设备为4 级，通信设备为4 级；安装发电厂和中压变电站的设备低压交直流输入输出端口 和功能接地端口均为3 级；安装于高压变电站的设备，低压交直流输入输出端口 和功能接地端口均为4 级。 1 5 本论文的主要工作和研究方法 微机保护装置的电磁兼容研究是实践性非常强的工作。论文重点针对电快速瞬 变脉冲群骚扰，研究了电快速瞬变脉冲群骚扰的特性、耦合机理及在微机保护装置 各个端口、插件的传播途径并建立了模型，对各个端口、插件进行实验，定量做出 分析，提出了微机保护装置抗电快速瞬变脉冲群骚扰的措施。 另外，本文还研究了微机保护装置的电磁发射问题，建立了开关电源传导发射 的等效电路模型，提出了相应的滤波抑制措施；同时对减小电磁辐射发射提出了改 进措施。 论文各章节安排如下： 第二章从干扰三要素出发，分析了电磁骚扰的各种耦合方式；电磁骚扰在装 冕或敏感电路上的作用形式；研究了电快速脉冲群骚扰的特性、干扰设备的作用形 式及对设备的影响。 第三章研究了微机保护装置电源插件的电磁兼容问题。建立了电快速瞬变脉 冲群骚扰在电源插件上的传播途径模型，分析了此骚扰对装置的影响，并从四个方 面提出了改进措施；分析了微机保护装置电磁发射产生的原因，建立了传导发射的 等效电路，并提出抑制传导发别的滤波措施和抑制辐射发射的改进措施。 第四章研究了微机保护装置丌入开出回路的电磁兼容问题。建立了电快速 瞬变脉冲群骚扰在丌入丌出回路的传播途径模型，分析了此回路干扰对装置的影 华k 电力人 硕十学位论文 响，提出了光耦器件的敏感性和改进措施。 第五章研究了微机保护装置交流回路和通信回路的电磁兼容问题。说明了电 快速瞬变脉冲群骚扰在这两个回路的传播途径，分析了干扰对装置的影响，提出了 该回路设计时应注意的闯题和改进电磁兼容性的措施。 第六章分析了几个微机保护装置抗扰度问题的实例。 第七章对本文工作做出了总结，并提出有待解决的问题。 华北电力人学硕十学位论文 第二章电磁骚扰的机理 形成电磁干扰必须同时具备三个要素：电磁骚扰源、敏感设备和耦合途径。因 此要想消除电磁干扰，就必须从三方面考虑，即分析骚扰源，提高设备抗扰度。切 断耦台途径。产品设计时，其一要减小设备内部存在的射频能量( 电磁发射) ；其 二要减小进入设备内的射频能量( 提高抗扰度) ：其三要切断耦合途径。 本章研究了电磁骚扰的耦合方式及干扰设备的作用形式，针对电快速瞬变脉冲 群骚扰，分析了此骚扰源的特性干扰设备的作用形式及对殴备的影响。 2 1 电磁骚扰的耦合方式 按照电磁干扰的原理，电磁干扰的耦合方式主要是传导耦合和辐射耦合。传 导耦合又可分为共阻抗耦合、感应耦合( 电容耦合和电感祸合) 。 ( 1 ) 传导耦合 在近场区，即r 2 z r 的范围内，电磁干扰主要是通过传导耦合的途径发生作 用的，传导耦合主要有三种类型，共阻抗耦合、电容偶合( 又称电场耦合) 、电感 祸合( 又称磁场祸合) 。 a ) 共阻抗耦合 当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现共阻抗耦合。电源内阻、 接地导体是共阻抗耦合常见的方式。在电源线和接地导体上传播的骚扰电流，通常 都是通过共阻抗耦合进入敏感电路的。解决共阻抗耦合的办法就是取消公共阻抗， 尽量使其小，例如，电源汇流条连接等。 b ) 电容耦合 源电路上的电压可产生电力线，它与敏感电路相互作用后，就出现电容耦合。 感应电压是源电压、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。图2 一l 简单描述了两 导线问的电容耦合。 甲7 图2 - 1两导线间的电容耦台 导线l 为骚扰源电压，导线2 为敏感电路，则在导线2 和地之间产生的噪声电 压u n 可以用公式( 2 - 1 ) 表示。 一芦 。争 r厶丫上 华北电力人学硕十学f 论文 u 户j ! c 监o + l , , , r 坚( c i ! , 2 墨+ c z v ) z - 1 )。”一。z lj 当月 z p ，则u 。zz 。，i ( r ，l + r i ) ，这样u 。在r 2 上引起的噪声电压u 。为 公式( 3 - 2 ) 。 嚣zu 。r 糍嚣以习 c s - z ， =。l 2 l ( r ，l + 月) 【尺，2 + r 2 ) j 、一。 由上式可见，减小z g 和r 1 2 可以减小u n 的值，同时也可串联电阻、磁阻来增大r i l 和r i 2 减小0 n 的值，对于r 1 2 ，可以使用旁路电容来减小它的值，而z g 则需要良 好的布线、增加接地导线面积等方法来减小。 在p c b 板中，z g 的大小由印制线的长度、宽度、厚度及骚扰信号的频率等参数 来决定。表3 1 列出了厚0 0 3 m m 的印制线在7 0 m h z 、i o o m h z 和2 0 0 m h z 频率下的典 型阻抗值，w 为印制线宽度，阻抗的单位为欧姆。 在表3 1 中可以看出，在高频下，印制线阻抗是相当可观的，一旦有一定大小 的电流，就在公共地线上产生压降。 表3 一l 不同印制线在高频r 的阻抗 w 2 1 m w = 3w = l o 频率 l h z ，= 1 0 m m，= 3 0 m ml = 1 0 0 m m，= 3 0 0 m m，= 3 0 m m，= t 0 0 m mf = 3 0 0 m mf = 3 0 m ，= 1 0 0 m f = 3 0 0 m i l l 7 030 5l2 05 0 71 8 19 2 24 l21 5 26 1 33 081 2 l 1 0 04 3 7 l727 2 52 5 8l3 15 892 1 887 64 4 01 7 3 2 0 087 43 441 4 55 172 6 3 1 1 74 3 6 1758 8 o3 4 6 因此，在电路设计时，一定要注意： a ) 尽量减小印制线长度：当双面布板时，两面走线应避免平行，以减小耦合， 同一面上，更要尽量减少平行走线，若无法避免，则一定要使两线条之闯的距离不 小于两倍的印制线宽度： b ) 对于高频电路，经常采用多点接地，以降低过长导线所产生的接地阻抗，电 路应尽量找到最接近低阻抗值接地面接地，接地面还可利用镀银的方法，使表面阻 抗减小，另外在高频，因为集肤效应，增加接地面的厚度并不能减小阻抗； c ) 尽量减小信号环路面积，以减小差模辐射或是接受其他干扰： d ) 合理使用高频性能好的陶瓷去摄电容，它可以去除掉1 0 0 m h z 左右的高频成 分。每个集成电路的电源、地线之f n j 都要接一个去耦电容，一是作为蓄能电容提 供和吸收该集成电路丌门或关门瞬问的充放电能量；二是为了旁路掉高频噪声【2 ”。 华e 电力人学硕士学位论文 在高速逻辑集成电路旁的电容一般不要大于i n f ，使用时要注意电容的谐振频率以 及电容引脚的长度。 3 4 4 分布式供电方式 微机保护装置电源供电系统大都集中的供电方式，此种模式如图3 7 所示。 直碗2 帆褶茸敢 图3 7 集中供电方式 从图中可以看出，开关电源输出+ 5 v 、+ 一1 5 v ( 1 9 v ) 、+ 2 4 v 经机箱背板通过4 8 插针供电给各个插件，由于人机接口在前面板，弱电电源又经过逻辑插件转接到m m i 插件。+ s v 、+ 一15 v ( 1 9 v ) 、+ 2 4 v 电源线过长，且经过的环节多，特别在机箱背板包 括各种交、直流信号，强弱电以及模拟和数字信号距离很近，特别容易通过耦合受 到干扰。 针对集中式供电，图3 8 提出了一种分布式供电模式，直流2 2 0 i i o v 经开关 电源输出2 4 v 母线，再用d c d c 开关模块电源得到5 v 、1 5 v 电源，再设置一级滤波， 得到干净的5 v 、l5 v 电源。这种供电方式提供了两级直流隔离，使几个数字系统之 阳j 的5 v 电源彻底隔离，切断了5 v 地干扰。 剃j蜀亟2至4v1圈 f 一 l o v 电诲l 竺! ! 竺l 电踌l r 一一一_ r _ 一 l 一一j l 一一_ j 图3 - 8 分布式供电模式 9 华北电力人学硕十学位论文 图3 - 9 是采用分布式供电方式后，在电源端口施加三级瞬变骚扰，测得的5 v 、 l5 v 干扰波形，从图中可看出，对干扰的抑制作用是很明显的。 计! 妒 i 誉紧奢一i ：。，! ij_； ； a ： ! 图3 - 9分布式供电模式，旌加瞬变干扰5 v 、1 5 v 波形 3 5 微机保护装置的电磁发射e m o 标准 6 b t 1 4 5 9 8 ，1 6 2 0 0 2 量度继电器和保护装置的电磁发射实验，规定了用于电力 系统保护( 包括这些系统所用的控制、监视和处理接口设备) 的量度继电器和保护 装置所产生的射频发射测量的一般要求。 该标准规定传导发射限值和辐射发射限值。传导发射测量只适用于辅助电源输 入。表3 2 为标准规定的传导发射限值。如果使用准峰值接受机能满足平均值时， 则认为被试设备合格，无需再测量平均值，限值7 3 ( 6 0 ) d b ( u v ) 用于0 5 m h z 。 表3 - 2 传导发射限值 限值d b ( u v ) 频半范m h z 准峰值、i l 均值 01 5 0 57 96 6 05 3 07 36 0 表3 3 为标准规定的辐射发射限值，限值4 0 d b ( u v m ) 用于2 3 0 m h z 。 表3 - 3 辐射发射限值 频牢范州1 | i h z也：t o m 测量距离处的辐射发射限值d b ( u v m ) 准峰值 3 0 2 3 04 0 l 2 3 0 t 0 0 04 7 1 3 6 微机保护装置电磁发射产生的原因 微机保护装置的电磁发射主要是由于丌关电源引起的，尤其是传导发射， g b t 1 4 5 9 8 。1 6 - 2 0 0 2 规定量度继电器的传导发射只使用于辅助电源输入。这种非线 形电源产生的电磁骚扰既具有一定的频率范围，又有一定的幅值，经辐射和传导污 染着电磁环境，这不仅干扰整个电网，而且对电源本身及周围的电子设备的正常工 华北电力人学硕f “学位论文 作都构成了威胁，影响着整个微机保护装置的正常工作。 3 6 1 传导发射产生的原因 传导发射是丌关电源主要的电磁发射形式，对于开关电源的传导发射( 小于 3 0 m h z ) ，其电磁干扰产生及耦合通道可以用电路网络来描述。丌关电源的噪声也可 分解为共模噪声和差模噪声。 典型的开关电源共模噪声发射路径的原理图，如图3 1 0 所示。 图3 1 0 共模噪声传播途径 当开关管处在关断状态时，开关变压器的漏感在导通时储存的能量，会在开关 管集电极与地之问的分布电容进行能量交换，产生衰减振荡，导致开关管集电极与 发射极之间的压迅速上升到5 0 0 v 左右。这个按开关频率工作的脉冲束电流经集电 极与地之间的分布电返回a c 线。其中分布电容包含两个：开关变压器原副方之间 的分布电容和丌关管与散热器之闯的分布电容。 典型的丌关电源差模噪声发射路径的原理图，如图3 1 1 所示。 幽3 - 1 1 著模噪声传播途径 第一种差模噪声是：当丌关管由关断切换为导通时，回路电容c s 通过丌关管 放电形成浪涌电流，它在回路阻抗上产生的电压就是差模噪声。 第二种差模噪声是：工频差模脉动噪声。交流电源经整流电路后是半波脉动电 压，经电容滤波后，是个含有三角波脉动成分的直流电压，稳定工作后，在电压上 华北电力人学硕十学挝论文 升时间，当脉动电压上升到比已充电的电容电压高时就会通过整流二极管给电容充 电，在电压下降期间，只有电容向负载的放电电流。结果流过整流二极管的电流不 再是i f 弦波而是二倍工频的脉冲电流。这两种噪声都返回到输入端的交流电网，它 不仅污染电网，给其他接入电网的电子设备造成危害，还直接导致电网的功率因数 下降。 第三种差模噪声是输出传导噪声。这种输出差模噪声是由输出整流二极管由正 偏转为反偏时，反向电流与二级管结电容、分布电感产生的尖峰电压。输出噪声电 流与二级管的反向恢复时间直接相关，反向恢复时1 4 j 越长噪声电压越大，所以选用 快恢复二级管是减少输出噪声电压的有效措施。 3 62 辐射发射产生的原因 造成微机保护装置辐射发射超标的原因主要有两个方面： ( 1 ) 通过机箱的泄露。设备内的元器件、集成片、印刷电路板的走线、有信 号电流经过的地方都可能向周围空间辐射电磁能量，频率越高就越容易产生电磁辐 射。时钟脉冲是系统中晟高的频率信号，且是周期性的，在大多数情况下，来自时 钟的辐射发射超过任何其他部分的辐射【2 ”。应该注意做好微机保护装置的屏蔽机 箱，将电磁辐射限制在设备内部。限制程度取决于机箱的屏蔽效能，薄薄的一层完 整金属具有很高的屏蔽效能，但如果上面有孔或缝隙，则屏蔽效能将会大大折扣， 产生电磁泄露，根据电磁场理论，这些孔缝相当于二次发射天线，当这些孔缝的长 度等于半波长的整数倍时泄漏最大，对于固定孔缝长度，频率越高泄漏越严重，一 般要求孔缝长度应小于五2 0 ，五为设备内可能辐射的最高频率的波长。检查是否是 因为机箱泄露引起的辐射发射超标时，一定要先拆除所有设备的外部连接线再进行 测量若辐射值仍然不减，则说明是机箱泄露引起的，此时可用近场探头沿孔缝查 找泄露点，以采取措施。 ( 2 ) 伸出机箱外部的或连接两组件的连接导线也是主要的辐射发射源。在辐 射发射测试中经常发现当设备加上i 0 线、控制线等连接线以后，在有些频率段辐 射发射超标，即使连接线终端没有加负载也是如此，此时连接线变成了天线。向外 发射电磁能量。外导线辐射发射可分为差模辐射和共模辐射，差模辐射是由于电流 流过电路中的导线环造成的，共模辐射是信号经地面时引起的辐射 2 9 , 3 0 】。位于接地 面上某一高度的导线，传输信号时，导线与接地面间会形成一共模电压，如导线两 端接地就产生较大的共模电流，即使导线两端不接地，也会因导线与接地面之问的 分布电容形成地回路。连接线作为天线发射电磁骚扰，主要是以共模电流辐射形式， 实验证明噪声强度的增加与外接线终端是否有负载，即是否有差模负载电流关系不 大，因为传输有用信号的导线常常是紧靠在一起的，而且经常使用双绞线，所以差 模电流产生的辐射会相互抵消，而导线中两根导线上的共模电流产生的辐射场则相 华北电力人学颐七学位论文 互叠加，产生很大的辐射。 37 抑制微机保护装置电磁发射的措施 3 7 1 开关电源传导发射的等效电路及抑制措施 采用一种新的测量技术谐振法可测得丌关电源噪声源等效电路的参数”】。若 丌关电源噪声源用诺顿等效电路表示，共模噪声等效电路如图3 一t 2 所示。 图3 一1 2 开关电源共模噪声源等效电路 c p 表示开关管集电级与地之间的分布电容，r p 表示噪声源的等效内阻，i 表示 噪声源的短路电流。其中，c p 的值大约在0 j 3 u f ，而r p l o k q 。 差模噪声源的等效电路如图3 1 3 所示。 俺能 电睿 诒声 锶 图3 1 3 著模噪声源等效电路 其中c p 大约为5 0 0 p f ，r p 1 0 k q ，l 大约为0 5 l u h ，r l q 。 从电磁兼容的三要素来讲，要解决开关电源的电磁兼容性，可从三方面考虑， ( 1 ) 减小干扰源产生的干扰信号；( 2 ) 切断干扰信号的传播途径：( 3 ) 增强敏感电路 的抗干扰能力。对于开关电源的传导发射，以成本和实施的难易程度为前提主要 是从前两个方面考虑。目前，从减小干扰信号源方面来说，主要有频率抖动技术、 软开关启动技术和串联谐振变换技术等：从切断干扰信号传播途径来说，一是减小 散热片与丌关管集电极、变压器原副边的分布电容：二是采用滤波技术【3 2 , 3 3 , 3 4 , 3 5 。 另外，屏蔽和电路板布线、元器件的布局也是影响开关电源电磁干扰非常重要的因 素。其中，滤波技术是抑制开关电源传导发射的一种简单有效措施。下面针对开关 电源的噪声等效电路来建造滤波电路。 丌关电源共模噪声源阻抗为高阻抗，所以与之对应的滤波器输出端应为低阻抗 大电容c y ，a c 电网火线或零线对地端是低阻抗，所以与之相对应的滤波器输入端 成为高阻抗串联大电感，。如图3 一l d 刁i 。 咯声掉 华北电力人学硕士学位论文 世 吉 褓 图3 一1 4 共模滤波电路 在开关电源的差模噪声等效电路中，试验证明不同噪声分量具有不同的源阻 抗，丌关电源的输入端呈现了差模噪声的双重特性。工频脉冲噪声源为高阻抗且呈 宽频特性，而储能电容上的丌关频率谐波呈低阻抗。因此，差模噪声的滤波电路如 图31 5 所示。 图31 5 差模滤波电路 根据以上分析，得到完整的开关电源滤波电路，如图3 1 6 所示， r t 1 意 1 i 弋蔗 厂_ r p ：茁黑工：皇生j 矿no il 州n ii ：! j “h r l l 矿 图3 一1 6 完整的滤波电路 在设计中要注意以下几点：一是因差模电感中要流过电源火线或零线中的全部 工作电流，很容易饱和( 尤其是应用于开关电源时，滤波电感会受到电流浪涌的影 响，它工作的峰值电流比额定电流要大一倍左右) ，致使滤波器的插入损耗降低， 因此，选用磁材是最重要的。目前国内生产的软磁材料主要有铁粉芯( i r o n ) 、铁 镍5 0 ( h f ) 、钼坡莫合余( m p p ) 、铁硅铝( m s ) 、非晶、超微晶、硅钢等，其中m p p 可提供最大的q 值和最低的磁芯损耗、对温度和交流磁通变化最稳定，是制作差模 电感的最佳材料，但价格昂贵；h f 具有 5 0 0 0 g s 的饱和磁通密度，它的磁芯损耗比 铁粉芯低很多，应用大电流场合可有效减小电感尺寸；m s 其能量储存容量比m p p 还高，直流偏磁性能和损耗比铁粉芯好；铁粉芯的饱和磁通超过1 0 0 0 0 g s ，直流偏 磁性能较好、价格最低，特别是设计得当的话可供选择的规格多，目前应用最普遍 【3 6 】。二是共模电感的线圈匝问分布电容对插入损耗的影响。频率较高时，干扰会通 过线圈的匝阳j 分柿电容通过，致使插入损耗减小，要减小其分布电容，就要从线圈 的结构入手，应尽量采用单层密绕，需要绕第二层时，应尽量减少其匝数，一般第 二层的匝数第一层匝数的一半：对于多层绕组采用分段绕可以减小分布电容。三 是认真选用电容器。c x 电容接在单相电源线的l 和n 之间，它上面除加有电源额定 电压外，还叠加e m i 干扰信号的峰值电压，而c y 电容器