（电机与电器专业论文）变压器局部放电检测系统的电磁兼容设计.pdf

变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 t h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a c t i v i t yd e s i g n o f t h e m o n i t o r i n g s y s t e m f o r p a r t i c a ld i s c h a r g e s a b s t r a c t t h ei n s u l a t e ds t a t ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m so f l a r g ep o w e r t r a n s f o r m e r s a f e l ym 埘1 i i 】gi np o w e rs y s t e mt h e m o s te t t i e i e n tm e t h o di nm o n i t o r i n gt h en m i n g t r a n s f o r m e r si n s u l a t e ds t a t ei st oe x t r a c tp a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l si nr e a l - t i m e i nt h i sp 帆t h e e s s e n t i a l i t yo f d e v e l o p i n go n l i n e 耻i n j a id i s c h a r g em o n i t o r i n gt h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p t r e n di n h o m ea n da b r o a da r ed i s c u s s e d i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mi no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m , a l l i 曲e f f e e t i v l ed e t e c t i o np d c i r c u i ti sd c s i 州，a tt h es a m et i m e , w a v e l e tm m s f o r ma n dd s p t e c h n o l o g ya r ea p p l i e dt oi m p r o v ec a p a b i l i t yi nr e a l - t i m ep r o c e s s c a n - yo ne l e c t r o m a g n e t i s ma n dp e r m i ts 麟d e s i g n t ot h ep o w e r 岛a p p l yp a r tf i r s t , a n a l y z e d t h el i n ef o r mp o w e r s u p p l ya n ds w i t c hp o w e rs u p p l yt op r o d i l e ec o m p o n e n ta n d 铴l n l ed i a g r a m o f i n t e r f e r e n c e , i m m e d i a t e l ya t t e rm a i na n a l y t i c a le a c hb a c k t r a e ko f t h es w i t c hp o w a s u p p l y c r e a t i o ni n t e r f e r e n c eo f r e a s o n , i n c l u d et oc o m m t t t l l t eb a c kt r a c ka ta t i m ea n dt w ot i m e s c o m m u t a t eb a c kt r a c k s w i t c hb a c kt r a c k , c o n t r o le l e c t r i cc i r c u i ta n dd i s t r i b u t ed e c t r i ec a p a c i t y a n dt h ei n t e r f e r e n c ef r o mp o w e rc a b l ea n dc h a r g e db a r b e dw i r en e t y i n a l l ya n a l y z e dt or e p r e s s s w i t c hp o w e r 鲫p p j yt h em e n , l u r eo f t h ei n t e r f e r e n c e , i n c l u d ed e c r e a s ei n t e r f e r e n c et h e i n t e r f e r e n c ee n e r g yo f t h es o u r c e , b r e a ka n dd i ed o w ni n t e r f e r e n c ez a oav o i c ed i s s e m i n a t i o n p a t h s h i e l d , r e a s o n a b l eo f c o m p o n e n tl a y o u ta n dc l o t hl i n ee t c s e c o n d l y , w a v e l e ta n a l y s i si ss u i tt oe x l r a e tb r e a ks i g , a 1 s o , i ti sp r o g r a m m e dt o i m p l e m e n tt h ef u n c t i o no f f i l t e ra n ds i g , a le x t r a c t e n d t h ee l e c t r o m a g n e t i s m & t h es t r u c t u r es y s t e mo f p cb o a r da n ds y s t e ma n dp e r m i ta d e s i g n ：t o t a l l yb u i l du p6 k i n d so f e l e c t r i cc i r o a i tm o d e l sn _ a 3 1 n l ea n a l y t i c a lt oi m p o r t a t i o ns i g n a l ， t o t a lm o l di n t e r f e r e n c es i g n a la n dc o m ef r o md s p c h i pi n t e r n a li n t e r f e l m l e es i g n a lo f f i l t e r 弛 e f f e c t , b e c a u s eo f t h i st e x tn 糟a 岛珊a c c o r d i n gt om a i np i nh i g h e rd s pa p p l i c a t i o n , t h e i n t e r f e r e n c ef i o md s ps i d et h e f i e q u e n c yb eh i e h e r a n da ds a m p l ef i e q u e n c yi s1 2 8 ：0 0 e a c h c y c l e , c o n s i d e rs y s t e mg a ot h ec o n t e n ti sv e r yl o wa t6 4t i m ex i ew a v e , a d o p t i o nh a v en o s o u r c e t w or a l l k s f i l t e r w a v e t h e n , i n t h e h i g h - s p e e a d s p 鼠l 删1 1 d i | l g ss h o u l d a l s o a r r a n g e t o t h eo ue l e c t r i c 翻群l c j i l yn e a r b y , t h eb e s tm e t h o di st op l a c et h e mi nt h ep c bf i r s tf l o o r , i st i g h t l y i i 沈阳工业大学硕士学位论文 t i g h t l y c l o s e t o g e t h e r w i t hs p a r e p a r t p i n , i n t h e m e a n t i m e f o r l e t b 培e l e c t r i cc a p a c i t y c l o s e t o g o t oo ue l e c t r i cc a p a c i t y , p u tb i ge l e c t r i cc a p a c 时i nt h ep c bc r e s tl a y e r , a d o p t4l a m i n a t i o n st h a t t h eo n es i d ep l a c e sas p a r ep a r t , a d o p ta na l t e r n a t i o nt oa r r a n g ei n s i d et h ee l e c t r i cc a p a c i t yo f p i t a n di op i n , s oc a nm a k et ol e a dl i n et ot h ed i s t a n c eo f i t st o pe l e c t r i cc a p a c i t y a r b i t r a r i l yt h e m o s ts h o r t t h i sk i n do f l a y o u tm e t h o dc a nl e tt ow a l kt h el i n eb ct l mm o s ts h o r ta n dt h ee l e c t r i c c u r r e n tb a c kt r a c kb em i n i m u m , c a na l s or e d u c er a d i a t i o na n dl i v eo nt or e s p o n di nt h e m e a m i m e k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r p a r t i a l d i s c h a r g e o n l i n e m o n i t o r i n g w a v e l e t t t a n s f o r md s p 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 、 签名： 生翻薹f t l i ：羔塑2 ：鱼；f 口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：三衅导师签名式私日期：立掣- 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 变压器局韶嫩电在线监测的目的和意义 二十世纪九十年代以来，我国电力工业发展迅速，电网规模日益扩大。随着电网容量 的扩大、电压等级的提高，对电力系统的稳定性、可靠性以及各种高压电气设备的运行状 况提出了更高的要求。 大型电力变压器是电力系统中最重要、最昂贵的设备之一，也是变电站的核心设备， 它的运行状况直接关系到电力系统的安全运行。而大型变压器的运行可靠性很大程度上取 决于其绝缘的可靠性。据统计资料表明，l l o k v 级以上电压等级的电力变压器事故中二分 之一是绝缘事故，而且几乎都是在正常工作电压下损坏的o ”。 一方面，变压器的内绝缘结构是油纸绝缘，变压器在正常工作电压下的局部放电是使 油纸绝缘老化并发展为击穿的重要原因。油纸绝缘中的局部放电往往是从气泡开始发生 的。导致变压器绝缘中产生气泡的因素有：其一是变压器绝缘结构和制造工艺上的缺陷； 其二是变压器在长期运行过程中绝缘材料的老化、劣化，如绝缘受潮，其中的水分在过热 点气化成气泡，或水分在高压作用下电解产生气泡1 2 1 。 另一方面，变压器在运行过程中会遇到突发性的事故。比如，由于系统短路过电流和 故障电流产生的机械应力，由局部过热、过载电流和漏磁通所造成的热应力，以及由于系 统过电压、瞬时过冲、绕组内部谐振而产生的电应力，这些应力都会导致绝缘劣化，最终 形成局部放电【3 】。 由此可见，局部放电是绝缘损坏的主要原因和表现形式。对运行中的电力变压器的绝 缘状态进行在线监测，根据获得的反映变压器运行状态的各种信息可有效地发现其内部绝 缘的固有缺陷和长期运行使绝缘老化而产生的局部隐患。因此，国内外普遍认为，在线监 测变压器的局部放电是保证电力系统安全运行的有效手段。 我国变压器状态检修工作长期以来一直执行的是基于时间的“定期维修”预防性维修 制度。这种制度在当时及以后几十年对我国电力设备的维修管理起到了积极的作用。但这 种预防性试验方法不能监测变压器的实际运行情况，也不能准确反映变压器的绝缘状况及 其发展趋势。而且由于两次预防性试验之问的时问间隔较长，对于突发性绝缘事故难以发 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 现。因此，当前的发展趋势是对运行中的电气设备进行跟踪测试及时了解设备绝缘部分 的局部放电的发腱情况和材料的老化程度，以确保设备的安全运行。这样可将传统的预防 性维修过渡到以在线监测为依据的预知性维修。这样不仅可以大大减少维修、试验等的盲 目性，提高设备管理水平，而且，还可以积累评定变压器可靠性所需的大量数据，减少停 电损失和维修费用，把握最佳维修时机，取得重大经济效益。 1 2 电磁兼容技术研究的目的和意义 利用电能进行工作的各种电气设备和电子设备，与其他物体及设备一样，工作在定 的环境之中。运行中的电气、电子设备大多伴随着电磁能量的转换，往往对周围环境中的 其他用电设备发生影响，与此同时，电子设备本身也会受到所处环境的各种电磁干扰。 早期的结孛句和工作原理比较简单的电气设备大多是强电设备，它们的运行时常会对无 线电、通信等弱电设备产生干扰。然而，其本身却很少受到所处电磁环境的影响，或者虽 然受到某种程度的电磁干扰，但大多不会造成严重恶果。从5 0 年代开始，随着自动化技术 和半导体器件的迅速发展1 4 l ，电力电子技术和微电子技术迅速地向电气控制设备领域渗 透，环境和干扰问题在影响成套工业设备的可靠性。因此，电磁干扰问题也开始被从事电 气设备研究、设计、制造和使用的工程技术人员重视起来。近些年来，由于机一电一仪一 体化技术的发展，出现了机械、电力、电子、仪表，强电、弱电，硬件、软件紧密结合的 又一新局面，形成了更高一级的自动化系统，而且往往在结构方面也融为一体。因此，电 磁环境和电磁干扰问题也目趋复杂。对于这样的机电设备，如何抑制电磁干扰，防止相互 之闯的有害影晌，便成为自动化系统能否运行的关键技术之一，成为自动化技术、计算机 技术、仪表检测技术等一系列都要求解决的共同性课题。 1 2 1 电磁兼容性技术的主要内容 所谓电磁兼容性( e l e c t r o ma g n e t i c co m p a t i b i l i t y ，简称e m c ，俗称抗干扰) ，是指 干扰可以在不损害信息的前提下与有用信号共存。国外曾对e m c 的定义提出过各种意见， 互相间略有差别。其中，d 怀特( d i v h i t e ) 所提的定义最为贴切：。装置或者系统具有在其 设黄的预定场所投入实际运行时，既不受周围的电磁环境的影响，又不影响周围环境，也 不发生性能恶化和误动作，而能按设计要求正常工作的能力”。综合国内外各方面的意 2 沈阳工业大学硕士学位论文 见，工业电子设备电磁兼容技术的任务是：在阐明电磁环境和电磁环境对电力电子设备影 响的基础上，全面研究电力电子设备、强电一弱电紧密结合的系统等在信息传递、线路结 构、组装装配等各方面的电磁噪声抑制措施，提出科学的设计原则和实用方法，使产品能 够在其所处的电磁环境中长期稳定运行，即不被周围设备发射的电磁能量所干扰，也不妨 碍它周围设备的正常工作。 ( 1 ) 电磁环境 一切电力电子设备和系统n 也包括生产，制造和使用它们的人类在内，都存在于一 定的环境中。温度、湿度、尘埃、压力、冲击、振动、气体、声、光等是被人们直接感觉 到的环境，电磁环境则时常被人们忽略，可是电子设备对电磁环境却十分敏感。自然界的 各种充放电现象和人类的各种用电活动都会使空间电场和磁场不断地变化，电磁环境的稳 定状态和变化过程会对处于该环境中的各种用电设备产生各种形式的电磁干扰。现用图 1 1 说明一个变电站自动化系统所处的电磁环境及其相互作用的情况。 图1 1 变电站自动化系统的电磁兼容示意图 f 逗1 1t h ed e c t r o m a g n c t i s mo f 协m s f 叫口翻l b ! i t 昌匝帆a u t o m a t i c ma n dp 砌ts k e t c hm a p 这个系统中，电源和动作器件产生的电磁场对电子部分的干扰是和，电动机、继 电器等需正确信号才能执行其规定动作，可是它们本身的动作又产生电磁干扰，使信号源 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 不能提供正确信号，这是系统内部的电磁干扰：闪电、输配电线路和其他系统对电子部分 及其通信线的干扰是、和，而此系统对其他系统的干扰是、和，这是系统之 间的干扰。 ( 2 ) 抑制电磁干扰的原则 从图ll 可以看出，形成电磁干扰的条件嘲有： 向外发送电磁干扰的源一噪声源 传递电磁干扰的途径一噪声耦合和辐射 承受电磁干扰( 对噪声敏感) 的客体一受扰设备 为了保证系统在电磁环境中免受内外电磁干扰，必须从设计阶段起便采取三方面的抑 制措旌： 抑制噪声源，直接消除干扰原因 消除噪声源和受扰设备之问的噪声耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径，或者 提高传播途径对电磁干扰衰减作用 强受扰设备抵抗电磁干扰的能力，降低其对噪声的敏感度。这也是抑制电磁干扰 的原则 在自动化系统中，可利用硬件和软件手段，如采用时序程序等，对形成电磁干扰的三 个条件加以限制。例如，当甲台设备发出电磁干扰时，令乙台设备降低噪声敏感度：或 者，当乙台的噪声敏感度较高时，控制甲台设备少发生，甚至不发生电磁干扰，或者把甲 台设备发出电磁干扰的期间与乙台设备有较高敏感度的期间，在时间上错开等。总之，为 使系统的抵抗电磁干扰能力与其所处的内外电磁环境相适应，并留有充分余地，以保证系 统在特定的电磁环境中可靠运行，且不影响其他设备正常工作，成为电磁兼容设计。 ( 3 ) 电磁兼容性设计的基础条件 为进行电磁兼容性设计，必须掌握具体电磁环境的嗓声与干扰的物理特性，这是采取 相应措施的基本依据。电磁干扰产生的原因很多，噪声频谱宽窄不一，时问长短参差不 齐，且周期性与随机性相互交织，噪声传递途径多种多样。很多情况下足在系统出现异常 状态后人们才意谚 到所处电磁环境的严竣程度。因此，只对电磁环境有定性认识是不够 沈阳工业大学硕士学位论文 的，应通过测量对电磁环境做出定量描述，如：用电场强度和磁场强度表示稳定电场和磁 场：用电压、电流表示局部电路与整体关系：用统计量和振幅概率分布函数表示随机变化的 干扰特性：用脉冲峰值分布、能量分布、发生频度分布等参数表示脉冲噪声等。对处于各 种电磁环境中的受扰设备的特性做出正确评价，是进行电磁兼容设计的又一个方面。如： 利用适宜的试验手段、试验线路、测试方法，借助静电放电模拟器、噪声模拟器等仪器对 数字设备、模拟设备等进行测量，以得出设备能承受的电磁干扰极限值和噪声敏感度等。 进行电磁兼容性设计时，需要根据具体电子设备和其所处的特定环境的多方面数据及 正确理解，做好所用各种元件、器件和设备布局：发挥屏蔽、接地、布线设计的作用，采 用适当的滤波手段来处理电源等引起的电压瞬变干扰：选择其他行之有效的方法抑制干扰 源和切断干扰传递途径等等。 电磁兼容性能是影响电力系统自动化设备安全、可靠、稳定运行的重要因素，长期以 来设计人员在提高微机自动化设备电磁兼容性能方面做了很多的研究实验工作，在实际设 k 备的电磁兼容性能上也确实有了很大的提高，但设计人员对电磁兼容性设计仍存在难以捉 摸和轻前期设计重后期弥补的情形，但电磁兼容应该是从设计阶段即应考虑的问题。 1 2 2 变压器局放检测系统电磁干扰 电磁兼容e m c ( e l e c t d cm a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 是指设备或系统在其电磁环境中不受干 扰能正常工作并不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。 电磁敏感度e m s ( e l e c t r i c - - m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 是装置、设备或系统对外界电磁骚扰 的敏感程度。电磁敏感度又称抗扰度( ( i m m u n i t y ) 。 电磁干扰e m i ( e l e c t r i c - m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 是指装置、设备对外界产生的电磁发射。 电磁兼容包含对外界的抗干扰以及发射干扰两个方面的内容， 即e m c = = e a + 】田s 。 ( 1 ) 电磁兼容三要素 任何电磁兼容性问题都包含三个要素，即干扰源、敏感源和耦合路径，这三个要素缺 少一个，电磁兼容问题就不会存在。因此，在解决电磁兼容问题时，也要从这三个要素入 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 手进行分析，查清这三个要素是什么，然后根据具体情况，采取适当的措旌消除其中的一 个。 电磁骚扰源 7 1 可以从以下几方面进行分类； 1 ) 来源：自然骚扰源、人为骚扰源、静电 2 ) 性质：脉冲骚扰、持续骚扰 3 1 作用时间：连续波骚扰、间歇波骚扰、瞬变波骚扰 4 1 耦合方式：辐射骚扰、传导骚扰及两种耦合方式的组合 5 1 骚扰现象：低频现象、高频现象和静电放电现象等 6 ) 电磁骚扰频谱：宽频带和窄频带骚扰 电磁骚扰的耦合方式8 1 可分为两种： 1 ) 辐射方式：其骚扰源足通过电磁波辐射耦合的 2 ) 传导方式：其骚扰源是通过骚扰源和敏感设备之间电源线、信号线和接地线进行耦合 的 电力系统内电气和电子设备比较集中，电磁环境复杂，在正常和异常运行状态下都会 产生或出现各种电磁干扰。 类似于变压器局部放电装置这样的电力系统设备，受到的干扰源主要有： 1 1 高压回路中操作断路器、隔离开关引起的电磁暂态干扰 2 ) 高压装置产生的工频电场和磁场 3 _ ) j 妾地系统中的短路电流引起的电位升 4 ) 雷电引起的暂态干扰 5 1 低压设备开合操作引起的电快速瞬变 6 ) 静电放电 7 ) 由于设施内部或外部的无线电发射装霞产生的高频场 8 ) 由于设施内其他电气或电子设备产生的高频传导和辐射干扰 9 1 由供电线路传来的低频传导骚扰 l o ) 核电磁脉冲 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 l l 抛磁干扰 对设备最具影响的干扰主要有以下几类： 1 ) 阻尼振荡波 阻尼振荡波主要是由高压隔离开关和断路器操作产生的暂态过程，操作时由于触头问 电弧的熄灭和复燃，在被断开或充电的电路上，因电压突变而引起的暂态波，在传播过程 中，会因电路特性阻抗不匹配而引起反射，形成高频阻尼振荡波。 高压开关在操作时产生的这种干扰波形具有陡峭的上升时间，一般在数n s ( g i s ) 至l j 几 十或几百a s ( m s ) ：振荡频率则取决于电路特性，一般在几十k h z 到数m h z ( a i s ) 或几 十m h z ( g i s ) 。在如此高的频率下，暂态波会以暂态电磁场的形式向外辐射，耦合n - - 次 和低压线路上去。还会通过一些耦合设备( 如p t ，c t 、载波等) 直接耦合到二次设备上。 2 ) 低压设备开合操作引起的电快速暂态波 快速瞬变电压是断开低压直流电路中的小电感负载时，引起的暂态电压。这种干扰的 特点是上升时间快、持续时间长，能量低但重复频率高。实测表明，其电压可达数k v ( 如 2 7 l ( v ) ，重复频率可达数m h z 。脉冲群持续时问可达数十m s 。 3 ) 辐射电磁场 辐射干扰来源于一些有用或无用的电磁发射，如无线电广播、大功率无线发射台、移 动式收发信机等。 4 ) 静电放电 当两种不同介电常数的材料相互摩擦时，会因电子转移而出现静电充电，如人在地毯 上行走、座在椅子上等。而当已充电的人体接触到设备时，就会对设备放电，放电时的能 量通过各种途径耦合到设备内部的电路，可能使设备工作失灵、出错甚至损坏。 5 ) 浪涌 雷电是自然界中常见的电磁现象，雷击时产生的强大电磁能量，对设备无疑是非常有 害的。变电站可能赢接遭受到雷击，但更多的情况是线路遭受到雷击，雷电波沿线路侵入 到变电站，并通过一、二次系统间的各种耦合途径或接地网进入到二次回路。 感应雷的影响主要有以下几个方面： 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 a 雷击电力设施附近，雷电流产生的电磁场辐射对设备的影响或雷电电磁场对电力线 路或构件耦合后，在其上产生的雷电流对设备的耦合。 b 雷击电力设旌( 如电力线路、地线、杆塔等) ，雷电流对设备的耦合。 c 雷击电流在接地系统中的暂态电流导致接地电位的升高，接地系统中的不同点间产 生暂态电位差而出现共模骚扰。 从一些对雷电的观测统计资料可得到，雷电流幅值最大可达到2 0 0 k a 以上。 6 ) i 频磁场 工频磁场干扰来源于载流导体和运行中的电力设备。工频磁场则对一些具有此敏感器 件的设备影响很大，如计算机显示器等。在许多电力系统建设中都曾出现过由于没有考虑 到工频磁场的影响而导致控制室中计算机显示器工作时i ! 壁j 面严重扭曲变型、抖动等现象。 工频磁场干扰分为正常运行情况下的干扰和短时故障时的瞬间干扰，前者强度较弱， 但一直存在。后者较强，但持续时间较短，般只有几秒钟。国外在发电机出口母线下方 实测到的磁场强度高达2 4 0 a m 。 7 ) 接地系统中的短路电流引起的电位升 电气设施发生接地短路故障时，故障电流流入大地，引起接地点和邻近点地电位升 高。按地系统中的不同点间产生电位差，该值取决于土壤电阻率和接地系统的结构。连接 电子设备的电力和信号电缆因而会受到强烈的电流和电压影响，出现明显的共模干扰。 干扰对微机保护澳9 控装置的影响主要表现在以下几个方面： 8 ) d s p 死机 由于系统侵入了干扰，d s p 执行程序紊乱，输出控制出错，甚至不能运算而死机。 9 ) 程序异常 噪声改变了存储器( 通常是r a m ) 中的信息数据，从丽使程序发生变化，以至不能进行 正常运算 1 0 ) 控制瞬时失效 由于噪声或瞬时断电的影响，d s pr ，r 能突然停止运算或瞬时停止控制，然后又继续运 行，从面出现错误的或虚假的控制命令 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 1 误输入 由于噪声感应电压加在输入信号上( 模拟量或开关刍d ，经d s p 判断运算后面输出错误 指令，引起装置误动。 1 2 ) 元件损坏 严重的干扰还会造成元器件的损坏。 1 3 本文的主要工作 针对近年来局部放电研究的现状及发展趋势，利用当前先进的电子技术和高速发展的 数字信号处理技术，首先分析了局部放电信号检测所需的硬件电路，然后研究了局放信号 的干扰抑制方法以及局放信号的提取。 本文对局部放电在线检测系统的电磁兼容问题都进行了比较深入的研究。首先，对 电源部分进行电磁兼容性设计，分别考虑到线性电源和开关电源、电源滤波器、并研究了 滤波器中对共模电流和差模电流的影响：及滤波器与电源位置放置。 其次，对放大器的电磁兼容性设计、单元电路抗干扰设计、磁场干扰防护、传感器接 口电路的抗干扰技术、a d 转换器的抗干扰技术。这些都是为了便于对局部放电信号的滤 波及提取。 最后，针对印刷电路板和系统的结构的电磁兼容设计。 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 2 电源的电磁兼容设计 在局部放电检测装置运行过程中遇到的最大的问题是电源问题。采取的抗干扰方法 有：1 、使用交流稳压器来保持电源电压的稳定。2 、使用隔离变压器，因为高频噪声是靠 变压器的初次级问寄生电容耦合的，因此，用屏蔽层来隔离变压器的初、次级，就可以减 小其分布电容。提高抗共模干扰能力。3 采用低通滤波器，由谐波频谱分析可知电源的干 扰大都是高频谐波，改善电源波形。4 、电源输入两端并联电解电容器。下面针对线性电 源和开关电源进行分析。 2 1 线性电源 主要的传导发射源一般为电源。例如，在电源线输出端附近布线中载有数字信号或者 时钟信号，将可能导致这些信号耦合到电源线上，通过测量可能导致产品不符台限值。减 小传导发射最有效的方法是在噪声源内部抑制它们，但是在源中只能在定程 度七减小噪声，仍要保证电源的正常功能。 开关电源固有噪声大，但是与线性电源相比，它具有其他一些优点，从产品性能的立 场出发，它更有效、重量更轻。 c r ：一整眭器+ 卜一稳压嚣_ 卜一连渡器叫 濉 n + 、￥ 一 、z j 括 缸 井 中线 ii - i 2 c 3一“r 几一 笔匕匕 绿线 图2 1 线性稳压电源 呼1t h el i n ei ss t e a d ) ，t op r e s sp o w e rs u p p l y 将市电转换为器件所需的直流电压的主要方法1 9 1 足采用线性电源。典型的线性电源 如图2 1 所示。输入端的变压器或者升高或者降低市电电压的幅度。然后使用形成全波整 沈阳工业大学硕士学位论文 流器的两个二极管进行整流。整流器把正弦形式的市电电压转换成脉动直流电压。这种脉 动直流电压类似于输入端的交流波形，只是负半周期的波形变成了正的。它具有平均值， 换句话说直流分量v o c 。电容c a 1 主要是近场性质的电磁 场，且 上l 堇- r 7 7 1f 、 r “。广h 开关电 c 1 c 源输出| 直流 o _ f 1 j 上嗍载 。，o 七 一 图2 9 直流侧滤波电路 f 迪29t h ed i r e c tc o r r ts i d ef i l l e r sa l ld - l x i cc i r c u i t 属低阻抗场。除了整个电源的电磁屏蔽外，要充分考虑对开关电源内部产生电磁干扰的器 件，例如变压器、电感器、功率器件等，采取有效的屏蔽措施。同时要注意接缝、通风孔 等泄露通道对屏蔽效能的影响。屏蔽与散热也必须综合考虑。 ( 4 ) 合理的元件布局与布线 元器件布局的合理性直接关系到电源电路e m i 水平的好坏，电源电路中功率器件的 切换可以在连线上产生很大的干扰信号，它可以通过磁场( 互感) 和电场( 电容) 耦合到 其它线路中造成干扰。一般来说，开关电源的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元 件和导线上，如功率场效应管，快速二极管，高频变压器以及与之相连的导线，敏感线路 主要是指控制电路和直接与干扰测量设备相连的线路，因为这些干扰耦合可能会直接影响 到电路的正常工作以及对外发射的干扰水平。要降低干扰水平，最简单的方法就是增大干 扰源与敏感线路的间距，但由于受电源尺寸的限制，单纯的增大间距并非解决问题的最佳 途径，更为合理的方法是根据干扰电场的分布情况将敏感线路放在干扰较弱的地方。 本章首先分析了线形电源和开关电源产生干扰的元彳牛和框图，接着根据电路所述主要 分析开关电源各个回路产生干扰的原因，包括一次整流回路、二次整流回路、开关回路、 控制电路、分布电容和来自电源线及电网的干扰；最后分析了抑制开关电源干扰的措旋， 包括减少干扰源的干扰能量、破坏及减弱千扰噪声传播路径、屏蔽、合理的元件布局与布 线等。 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 3 电路的电磁兼容性设计 3 1 前置放大器、高频放大器、宽带放大器电磁兼容性设计 3 1 1 前置放大器的传导干扰源 对于前置放大器而言，传导干扰主要体现在三个方面：第一，由输入信号线上电容耦 合引起；第二，由输入信号线上电感耦合引起；第三，由1 5 v 直流电源上的波纹引起。 在同相前置放大器中，因为放大器输入阻抗较高，所以输入信号线上的电容耦合引起的误 差占主要因素，在设计中应当采用有源等电位屏蔽的方法消除干扰。同相前置放大器的屏 蔽方法如图3 1 所示。图中虚线是在印制线路板设计中加入的屏蔽线。 匿3 i 同褶放大器的有源等电位屏蔽 f i 9 3 1t o g e t h e ra n dm u t u a l l yt h ee n l a r g e rh a sas 0 1 b c eo r e t h ee l e c t r i cp o t e n t i a ls h i e l d 在反相放大器中，由于输入阻抗较低，外部磁场引起的感性耦合为主要因素，对于 1 “v 的分辨率而言，需要采用外部和内部的电磁屏蔽方法来克服，也采取用输入信号线在 印制线路板上交叉走线的方法，使输入信号线产生的感应电场相互抵消，达到消除感性耦 合的目的。 3 1 2 放大器的电磁兼容性设计 在高频、宽带、低噪声放大器设计时，除放大器本身要求技术指标外，电磁兼容性设 计是非常关键的。主要有3 种方法进行电磁兼容性设计：接地、屏蔽和滤波。其中正确的接 地是重要的，没有正确的接地，屏蔽和滤波几乎无法达到预期的效果。 1 9 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 ( 1 ) 接地就是一个放大器单元之间、传感器、屏蔽盒至大地或公共参考点之间所建立 的电传输路径。 无论是各分系统之间还是单块线路板内部i ”l ，接地方法均有3 种：浮点接地、单点 接地和多点接地。在我们这个系统中主要采用多点接地。在干扰源的频带与接收系统频带 足够宽时，单点按地是不可取的。因为波长f ，c 为电磁波传播速度，f 为系统的上限 频率，频率越高九越小。当接地的导线长度与波长相当时，就不能视为地线，而是一根发 射天线或接收天线。所以在设计放大器时，导线的长度要特别考虑，应尽量缩短，并采用 多点接地。 ( 2 ) 屏蔽 对于灵敏度赢的放大器，必须用屏蔽来消除窀闻电磁场的干扰。若在强干扰源的条件 下需要多层屏蔽，但屏蔽效果的好坏取决于接地的正确性，否则会带来更大的干扰。屏蔽 从本质上讲是利用电容分压原理，将干扰电压减小或旁路，如图3 2 所示。 静电屏蔽要注意： ( 1 ) 屏蔽体良好接地。 ( 2 ) 为减小电容c 。的影响，屏蔽体应将干扰源或被干扰体包围封闭。 ( 3 ) 若屏蔽体不便包围，则将屏蔽体尽可能远离干扰源。 屏蔽盒内部的接地是一个重要问题，假如地线不与屏蔽盒连接，如图3 2 所示。其等 效电路如图3 3 所示，则输出电压却。将通过c i 、q 、g 耦合到输入端，使放大器受到干 扰。如果将信号地在进线端与屏蔽盒相连接，则c ，相当于短路，可以消除干扰。即屏蔽盒 最好的接地方法是在进线端与信号地相连。其等效电路如图3 4 所示。 图3 2 屏蔽盒不连接地通过电容引入干扰 f i g3 2s h i e l dab o xd o n tl i n kg r o u n dt ol e a di n t ot h ei n t e r f e r e z w 七t h r o u g h e l e c t r i cc a p a c i t y 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 3 屏蔽盒内的等效电路 f 谤3 3s h i e l d 咖i nt h eb o xe f f e c te l e c ( r i cc i r c u i t ( 3 ) 滤波 在有良好的地线情况下，高频滤波是非常重要的。尤其应该注意在高频状态下电解 电容的电感效应使其滤波效果失效。最好用无感电容。设计高频宽带放大器线路时，电源 端所用的三端稳压器的输出引线一定要短，且输出端用无感电容滤波，以消除在高频情况 下，电解电容的电感效应。q 为无感电容，如图3 5 所示，要求更高时应采用电池供电。 图3 4 消除干扰后的等效电路 f i 9 3 4r e m o v e e t c i ni n 舡x f h e n e f f e c te l e c t r i cc i r c u i t 图& 5 三端稳压器滤波消除干扰 f i g 3 5t h r e ec a t t ys t e a d yp i 锚am a c h i n et of d t e rac a n c e l l a t i o ni n t e r f e r e n c e 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 3 1 3 单元电路的抗干扰设计 使用宽带线性放大器或分立元件制作前置放大器时，在指标允许的情况下，应尽量降 低输入阻抗，以减小空问辐射带来的干扰。使用运算放大器制作前置放大器时。主要考虑 共模干扰问题。前置放大器一般采用单端输入方式，这时要求运算放大器的另一个输入端 与信号输入端阻抗平衡，否则在相位相同的电磁干扰情况下，将产生共模信号输出。 31 4 磁场干扰防护 电源变压器的磁平衡是重要的“6 1 。在强磁场干扰下，将变压器如下方法绕制，即初次 级分两组串联绕制。信号感应电势串联相加，丽干扰磁场同方向进入，两绕组成反向串 联，故干扰电势互相抵消。如图3 6 所示。 图3 6 通过变压器的磁平衡消除电磁 f i 9 3 6 p a s st h ec i b a l a n c ec a n c e l l a t i o nd c c t r o m a g n o t i s mo f t r a n s f o r m o r 3 2 传感器接口电路的抗干扰技术及其应用 传感器在测试和控制系统中处于首位。对传感器获取的信号能否进行准确地提取、处 理是衡量检测系统可靠性的关键因素。 传感器是把规定的被测最转换成可输出信号的器件，一般由敏感器件、传感器件和其 它辅助件组成，后续接口电路主要指信号调节和转换电路，因为传感器的输出一般都是小 信号，所以凡是传感器接门电路都存在小信号处理问题。而干扰是普遍存在的，它常出现 在传感器接口及信号侵输线上，与这些有用的小信号湿叠在一起，从而使信号产生失真， 沈阳工业大学硕士学位论文 影响测量结果的准确性。因此，研究传感器接口电路中常见的干扰，并采取适当的抑常 干 扰措施，是设计、测试系统的重要。 3 2 1 传感器接口电路常见的干扰 抗干扰技术主要是从干扰进入传感器接口电路的通道上采取抑制措施。根据干扰传播 通道，干扰源主要有以下几秭。 ( 1 徕自电网的y - n 。 ( 2 涞自地线的干扰。 3 ) 来自信号通道的干扰。 ( 4 ) 来自空间电磁辐射的干扰。 3 2 2 常见的抗干扰措施m ( 1 ) 电源滤波技术 抑制电网干扰的主要措施是进行电源滤波。可以对电源变压器采用双层屏蔽措施：在 初、次级线圈之间加一个金属屏蔽层，并将屏蔽层接机壳地，可减小分布电容值，从而有 效抑制高频干扰信号通过电源变压器进入次级。 ( 2 ) 屏蔽技术 利用导电体或导磁体做成外壳，对易受干扰的部分进行屏蔽，以达到阻断或抑制各种 干扰的目的。主要有3 类屏蔽。 n 静电屏蔽 2 ) 电磁屏蔽利用涡电流产生的反磁场来抵消高频磁通干扰，为兼顾静电屏蔽的作 用，屏蔽罩应接地。 3 ) 磁屏蔽利用高导磁材料制成屏蔽罩，防止低频磁通干扰。 在本系统我们主要采用电磁屏蔽 ( 3 ) 接地技术 所谓接地就是将某个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一共 基准电位。正确接地的目的在于消除公共地线阻抗所产生的共阻抗耦合干扰，并避免受磁 场和电位差的影响，郎不使其形成地电流环路。 变压器局部放电检测系统电磁兼容设计 接地的一般原则瞎1 有以下几种。 1 ) 一点接地与多点接地。频率低于1 m h z 时采用一点按地方式，如图3 “a ) 所示 ( a 】、a 2 和a 3 为需要接地的电路) ；高于1 0 m h z 时应采用多点接地，如图3 7 ( 1 3 ) 所示。在 l m h z 1 0 m h z 之问，如采用一点接地，其地线长度不得超过波长的l 2 0 。 在本系统我们主要采用多点接地 蹬照 图3 7 接地方式 r i 9 3 7 c o m a e c tag r o u n do f m e t h o d ( a ) 一点接地；( b ) 多点接地 2 ) 各种地线连接原则。数字信号比较强，丽且都是一些高低电平的跳变，所以数字地 上有很大的噪声和电流尖峰。模拟信号较弱，为避免两者之间的共阻抗耦合干扰，两者应 分别设置。负载地线和交流地线上都有很大电流通过，这些强电流地线与信号地应分开设 置，同时强电流地线应粗些。在传感器接口电路中，通常有三种性质的地线，即信号地、 金属件地和驱动电路地线，这三种地线应分开布线，并通过一点接地。 3 ) 电缆屏蔽层的接地“。当放大器与传感器距离较远时，信号传输线都要采用屏蔽 线，并且屏蔽层应接地，以防止外界干扰，频率低于i m h z 时，屏蔽层应端按地，以防 止电流在屏蔽层流通造成干扰，同时还可以避免屏蔽层与地形成环路，防止磁场干扰。但 应选择适当的接地点，当浮地信号源与接地放大器连接时，