电快速瞬变脉冲群(EFTB)综述

1、电快速瞬态突发 (EFT/B) 概述在同一电源电路中，多种设备在运行过程中会产生瞬态脉冲，对设备造成干扰。这种干扰以脉冲群的形式出现，具有脉冲上升时间短、重复率高、能量低、光谱分布等特点。较宽等特性，相当于一系列具有陡峭前沿的脉冲群，称为电快速瞬态突发干扰（EFT/B）。为达到有效抑制EFT/B干扰的目的，本文从总结EFT/B的形成机理入手，应用建模方法给出了产生EFT/B的等效电路模型和破除EFT/B的方法。 -负载变压器。通过相应的测试方法开发和测试了一个仿真模型。通过仿真与实测结果的对比，验证了所提方法的合理性。最后总结了抑制 EFT/B 以降低电磁干扰 (EMI) 的方法。关键词电快速

2、瞬变脉冲串；等效电路；抑制方法；审查简介/背景各种电磁干扰影响各种自动化设备，如继电保护、监控装置以及其他基于微电子和计算机技术的设备，这些设备对电磁感应、辐射和电路传导等方式的干扰更加敏感。当干扰水平超过设备的逻辑元件和逻辑电路的抗干扰水平时，会导致设备的逻辑电路工作异常或程序运行不正常，从而使整个设备无法正常工作。电快速瞬变/突发 (EFT/B) 是对微机保护装置最敏感的干扰之一。国外实验研究结果表明，变电站开关的合闸和合闸过程会引起EFT/B扰动。 EFT/B 扰动的上升时间为纳秒级，持续时间从几微秒到几十毫秒。高达相电压幅度的数倍。在现代电子设计初期，为了通过仿真评估产品的电磁兼容性能

3、，需要对设计对象进行电气快速瞬态突发抗扰度测试。当 EFT/B 干扰电平超过器件逻辑元件和逻辑电路的抗干扰电平时，会导致器件工作异常或程序运行不正确。因此，如何使各种电器、电子设备或系统在同一电磁环境中正常工作，互不干扰，如何使开关电源中EFT/ B噪声的传播显着降低，以实现所谓的因此，电磁兼容技术日益发展，对抑制EFT/B的研究也越来越多。早些年，国际标准IEC 1000-4-4将EFT的相关参数定义为：电压幅值、单脉冲上升时间、单脉冲脉冲宽度、脉冲串持续时间、脉冲串重复频率和脉冲串周期等.但也有一些不合适的地方，比如实际电磁环境中电磁脉冲组的重复频率从10KHz到1MHz，但由于当时元器件

4、水平有限，标准规定参数值为5KHz和2.5KHz .如今，国际标准IEC61000-4-4和国家标准GB/T19626.4对EFT/B骚扰电压的上升时间、持续时间和脉冲重复频率都有统一规定，如图1所示。 /B 扰动电压根据不同测试等级从0.5到4kV不等，单脉冲上升时间为5 ns，单脉冲持续时间为50 ns，脉冲重复频率为5 kHz或100 kHz，突发持续时间为 15ms，突发周期为 300ms。图 1 电快速瞬态脉冲串波形图1(a)中EFT/B扰动电压的单脉冲波形可用双指数函数表示，其函数方程为：U eft = K U 0 (e - t - e - t ) (1)式中，K为比例常数； U

5、0为电压峰值； 和分别是与脉冲持续时间和上升时间相关的时间常数；根据EFT/B扰动信号单脉冲波形的上升时间和持续时间，可以确定比值常数K为1.269 94 ，时间常数和分别为1.798 610 7和3.03710 8 ，分别。单个EFT/B扰动脉冲的幅度密度谱如图2所示（A d为幅度密度，单位为dB；横轴单位为MHz）。从图中可以看出，EFT/B扰动的能量主要集中在40MHz以下的频段； EFT/B干扰在40-400MHz频段的幅度衰减不大，能量还是很大的； 400MHz以上频段的EFT/B骚扰 B骚扰幅度衰减很快，在1GHz基本衰减为零，该频段的骚扰能量很小。文本EFT/B的形成机制EFT/

6、B 是在感性负载关断和继电器触点跳动的瞬态过程中产生的。这种干扰以差模和共模的形式作用于电源端口、信号和控制端口，对微机系统造成严重干扰。下面分别对这两种暂态过程的电快速暂态脉冲群的形成机理进行说明。感性负载切断过程开关闭合操作引起的电气快速瞬态突发电压幅值连续减小，而由开关操作引起的电气快速瞬态突发电压的幅度增加值会导致非常快的瞬态过电压。等效电路模型如图3所示：图 3在开关断开感性负载电路的过程中，由于感性电流不能突变，电流流向杂散电容并反向充电，在感性负载两端出现瞬态过电压。在开关触点的两端，当触点两端的电压高于介质击穿电压时，触点之间形成电弧，开关重新点燃，导通后电容放电，形成高频电流

7、，触点间重新燃起的电弧熄灭，两端出现过电压。重复这个过程，放电图如图4所示，直到电容上的电压不能击穿开关的动、静态触点。在电弧复燃和灭弧过程中，开始时脉冲电压幅值低，上升时间快，频率高。脉冲重复频率降低，波形图如图5所示。图 4 图 5继电器触点弹跳的过程图 6 显示了继电器触点弹跳的实际波形。可以看出，该波形与 EFT/B 波形相似，脉冲重复频率为 1kHz 至 1MHz。对于单个脉冲，上升沿以纳秒为单位，脉冲持续时间在几十纳秒到几毫秒之间。脉冲串在电路的输入端产生累积效应，使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声阈值。当脉冲串的每个脉冲很接近时，电路的输入电容来不及放电，又重新启动。充电容易达到

8、更高的水平，反过来，脉冲串的周期越短，对电路的影响就越大。具有相应测试方法的EFT/B发生器EFT/B发生器有多种形式。常见的一种是根据IEC标准对发电机的简化电路进行改进得到的电路网络，另一种是利用许多开关来划分时间。下面简要介绍闭合开关感性负载模型。1、系统EFT/B发电机等效电路建模方法如下： 首先，在分析发电机充放电物理过程的基础上，得到开路条件下发电机输出波形的解析表达式（ 1k）提出，表达式公式的系数可根据仪器制造商的校准波形确定；其次，根据解析公式，利用阶跃函数激励，得到脉冲形成网络的传递函数，分别通过恒阻法和参数化电网络合成法得到脉冲形成网络。最后对等效电路各元件的参数进行归一

9、化处理，归一化系数根据匹配条件（50）下发生器的校准波形确定。具体方法如下：解析表达式的确定是基于IEC标准给出的发生器的简化电路，如图7所示。其EFT的双指数波形可用式(1)表示： U eft = K U 0 (e - t - e - t )具体参数的含义见介绍。其中，U为高压直流电源，Rc为充电电阻， Cc为储能电容，Rs为部分放电电阻， Rm为阻抗匹配电阻， Cd为直流隔直电容，R 0为外接负载电阻，C c的大小决定了单个脉冲的能量，C c和R s的组合决定了脉冲波的形状（尤其是脉冲的持续时间），以及R m决定了脉冲串发生器的输出阻抗（标准规格为50），C d隔离了脉冲串发生器输出波形中

10、的直流分量，避免了负载对脉冲串发生器工作的影响。图7 IEC标准给出的发生器简化电路由于EFT信号的频率分布较宽（主信号频率可达100MHz）以及发生器电路中存在寄生参数效应，输出EFT信号的上升沿常伴有明显的阻尼振荡现象.输出EFT信号在上升时有明显的阻尼振荡现象，式(1)难以重现，因此设计改进的式(2)： U eft = U p (1 -e -t cos 2f 0 t ) e -t式中： =1.3510 8 ns - 1为波形振荡上升过程的衰减常数； =5.310 8 ns - 1为与EFT波形下降速度有关的时间常数； f 0 = 70 MHz 是充电电路的振荡频率。可以使用 EFT/B

11、的单个脉冲的光谱分布来分析整个脉冲序列，而不是分析整个脉冲序列，这大大简化了分析。对式(2)进行拉普拉斯变换，得到U eft (s) = U p 1s+-s+（s+)2+02 由于阶跃函数U step 的拉普拉斯形式为U step = U P /U s ，得到EFT形成网络的网络。功能如下： Hs=Ueft(s)Ustep(s)=ss+-s+s+2+02=s+(+2+2)s2+2+s+2+2ss+。等号右边的两项可以通过不同的电网综合方法来实现。对于第一项，电路拓扑如图8所示，第二项可以通过恒阻网络法合成。电路拓扑如图9所示：图 8 图 9因此，等效电路模型如图 10 所示：图 10 改进的

12、EFT 发生器等效电路图中电路元件参数的设置可以根据归一化条件进行调整，使用PSPICE等仿真软件，最终确定更合适的电路参数设置。当然，使用阶跃函数激励源只能得到单个脉冲的 EFT 干扰。为获得连续脉冲群，可用图11所示梯形激励源进行连续脉冲模拟，得到如图1-(c )所示的EFT波形。对应的测试方法如下：使用仿真工具软件MATLAB进行仿真，将EFT/B发生器的等效电路模型与合适的激励源连接，使用连续激励源，用示波器观察输出，通过仿真和测量结果。比较可以验证所提方法的合理性。 50负载条件下的PSPICE仿真结果如下图12所示，说明EFT发生器的要求已经基本实现。图 122 、分断感性负载模型

13、也是分断空载变压器的模型。其理论基础是EFT/B的形成机理，与切断感性负载时得到的重复频率脉冲群基本相似。电路模型如图13：图 13图中包含三部分，第一部分为单相交流电源，幅度为14140（10KV级）；第二部分模拟隔离开关分断过程中电弧重燃和灭弧的一系列重复过程，主要模块为14个可控实时分断开关，标签为S 0 、S 1 、 . 、S 13 。这些开关通过脉冲触发来控制合闸和分断，模拟隔离开关断开空载变压器时动、静触头之间电弧的重新引燃和重新引燃的重复过程。 开关的具体操作状态得到，这些具体状态如表1所示。第三部分是空载变压器暂态模型。由于十四个开关反复开断闭合，到最后S13断开，完成隔离开关

14、的开断，以与隔离开关分断的时间很短( 约几毫秒) ，表中选择标准的1ms，开关操作时间从0.02到0.021，因此隔离开关两端和空载变压器的电压波形的情况能够基本符合EFT的特征。相应的测试方法是：使用仿真工具软件MATLAB进行仿真，设置十四个开关的分合次数，用示波器观察隔离开关和空载变压器两端的电压输出波形，使用仿真结果和 EFT 基本特性。功能比较可以验证所提方法的合理性。过压波形如图14所示：图 14在关断空载变压器的过程中，由于开关触点之间的多次重燃，形成了EFT/B扰动。图 14 是 EFT/B 扰动电压的仿真波形。从图中可以看出，EFT/B扰动电压是单极性的，它们具有短上升和持续

15、时间、高幅度和重复率。EFT 通常使用示波器进行监控。需要注意的是，由于 EFT 频谱非常宽，普通示波器无法满足要求。以数字示波器为例，最重要的两个指标如下表所示：测量精度带宽采样率5%3 70MHz4 210MSa/s10%7 70MHz4 490MSa/s抑制电快速瞬态突发 ( EFT/B)的方法由于 EFT 信号的宽频分布特性（主信号频率可达 100MHz），以及发生器电路中存在寄生参数效应，输出的 EFT 信号往往伴随着明显的阻尼振荡现象。上升沿阶段，因此需要快速抑制瞬态突发，首先需要进行频谱分析。由于EFT/B的可重复性，整个脉冲序列的分析可以用分析EFT/B的单个脉冲的光谱分布来代

16、替，这大大简化了分析。对于计算出的 EFT 的频谱，幅度密度函数的包络足以找到干扰分量的最坏情况最大幅度。为了得到EFT波形的频谱，首先对式(1)进行拉普拉斯变换，令s= j，然后用MATLAB编程绘制 j|V( ) |的对数幅频响应曲线包络，即Spectrogram ，如介绍中所述，从图2频谱密度函数的幅值图可以看出，电快速瞬态突发干扰波形的频谱主瓣在100MHz以上。能量的高频部分虽小，但辐射能力强，所以即使是很小的比例，也足以影响半导体电路的正常工作。因此，抑制 EFT 干扰并非易事。由于EFT的干扰频带很宽，幅度也很大，仅使用EMI滤波器抑制EFT可能难以达到目的。需要使用几种方法（如

17、滤波、接地、 PCB板布线等）才能达到更好的效果。抑制EFT和增强被测设备抗EFT的措施主要从以下几个方面考虑：1.使用能有效过滤EFT的过滤器：常用的滤波方法有电磁干扰滤波器、电源滤波器和铁氧体磁珠。 EMI滤波器对电磁干扰有很好的滤除作用，其对EFT的抑制不仅取决于其本身的设计及其工作条件，还取决于其正确的安装和使用。因此，在抑制EFT干扰的实际过程中，往往采用多种方法综合考虑，如隔离、屏蔽、滤波、去耦、接地、限幅、合理布线减少杂散电容等措施。 ，这在 EMI 滤波器概述中有详细描述。2、在设计PCB时，尽量降低地线的公共阻抗值：降低地的公共阻抗耦合的方法是： a缩短印制线的长度，这可以通

18、过良好的布线来实现；湾。使用低阻抗的地线，例如使用带有地平面的多层PCB板；丙。解耦等3、适当隔离干扰源和敏感源：由于 EFT 是一个持续一段时间的脉冲序列，它对电路的干扰具有累积效应。为了抵抗瞬态干扰，大多数电路在输入端都安装了一个积分电路，例如RC保护电路，它与变压器并联，其中的电容充电可以减缓脉冲上升时间，减少重复脉冲串的速率，并降低脉冲串的过电压幅值。但这种电路对单个脉冲有很好的抑制效果，但不能有效抑制一系列脉冲。断路器合闸操作时电压和电流的初始相位角由相控开关控制，当电压过零时闭合；控制断路器分断时的起弧时间，使电流过零电弧熄灭电压时触头间隙能承受系统恢复，从而减少甚至消除相关的电磁

19、效应。分断后产生的电快速暂态脉冲群获得的能量较少，因此电弧重燃次数较少，电快速暂态脉冲群的幅值较低。相位保护。通过电流检测装置测量回路中的电流，使开关在回路中电流过零的瞬间断开电路。此时回路中储存的能量较小，EFT/B扰动幅度较小，频率较低。4、正确使用接地技术；5、对于数字信息设备，在软件中增加有效指令，提高设备抗干扰能力等。除了在硬件上消除EFT对微机处理系统的干扰外，还可以在程序设计中采取一些措施来消除干扰的影响，比如采用“看门狗”技术来处理干扰。很多抑制EFT的思路，基本上都是找到器件中的缺陷，然后采取相应的补救措施来适应具体的环境。这些方法在实践中是可行的，但由于经常需要增加额外的设

20、备，一方面会增加成本和开发时间，另一方面也会增加开发难度。单就开关电源而言，其进线本来就有一个EMI滤波器，可以防止电源产生的高频EMI进入电网。该滤波器可以而且应该滤除从电网耦合到二次设备的噪声，使之成为可能。不会影响二次设备的正常运行。 EMI滤波器是提高开关电源EMI和EMS性能最有效和最重要的部分，但电感和电容中不可避免地存在寄生参数，严重影响滤波器的高频性能。从现有的反激式开关电源入手，通过优化滤波器和改进变压器，将外电路施加的EFT/B干扰信号大部分消耗在滤波器上，同时也形成了一部分进入主电路的干扰信号在电路部分将环流与负载输出有效隔离，从而达到有效抑制EFT/B干扰的目的。这也是

21、抑制 EFT 的一种方式。国外技术现状及发展趋势世界各国的电磁兼容技术发展非常不平衡。美国、英国、日本等发达国家在电磁兼容技术研究、标准制定、电磁兼容技术检测认证等领域处于世界领先地位。作为一种重要的电磁测试设备，电快速瞬变脉冲串发生器得到了长足的发展。国外很多厂商开发并投放市场，如瑞士夏弗纳电子有限公司的NSG2025和哈弗利电子有限公司的PEFT4010。他们开发的快脉冲群发生器大多采用先进的半导体器件作为主电路的放电开关，以达到产生快脉冲的目的，再配以相应的控制电路，实现快脉冲群发生器的智能化。我国微机保护装置抗EFT/B扰动的研究工作始于1970年代，主要围绕如何抑制的工程实践，对EF

22、T/B扰动的形成、耦合及作用机理进行了深入研究。 ，而且发展得很好。也迅速推动了我国电磁兼容测试技术的发展。由于技术和经济原因，我国的快速脉冲发生器主要进口国外产品，国内生产厂家相对较少。比较有名的是三吉电子工业。由于国外的快速瞬态脉冲发生器大多采用先进且昂贵的半导体器件作为主电路放电开关，因此采用充氢闸流管作为快速脉冲发生器设计主电路放电开关是一种新的发展。趋势，它的应用可以大大降低产品成本，增强产品在国外市场的竞争力，同时也由于真空电子器件的稳定性提高了产品的可靠性。控制室设备严重得多。因此，二次设备的抗电磁干扰问题就变得非常突出。目前，其EMS测试项目包括：阻尼振荡波、浪涌（雷击）、电快

23、速瞬态突发干扰（EFT /B ）、静电放电、电压降等。由于上升时间快、持续时间短、能量低由于干扰脉冲的重复频率高，EFT/B测试是对电力系统二次设备的EMS特性特别残酷的测试。实验表明，EFT/ B测试是上述测试项目中常规措施最难通过的。国际标准IEC61000-4-4（GB/T17626.4）快速瞬变脉冲串抗干扰试验（EFT），试验分为实验室型式试验和设备安装后现场试验两种。标准规定，第一类试验为首选试验；对于第二类测试，只有在制造商和用户达成协议后才能使用。测试的严重性级别的一般分类是：在保护良好的环境中（如机房）中的 1 类设备；2级通常有设备在受保护的环境中（如工厂的计算机房和控制室）

24、；3 级未受保护环境中的设备（例如公用电网、工厂、变电站）；严重干扰环境下的 4 类设备（如使用气体绝缘开关或真空开关的变电站）。EFT测试未来的发展趋势是增加脉冲的重复频率，但缩短脉冲组的长度，使每组的脉冲数基本保持不变。在这种情况下，测试可以更好地测试设备或系统的抗干扰能力，对其质量提出更高的要求。国际标准IEC61000-4-4（GB/T17626.4）的发展趋势：标准中规定的参数值通常为典型值，符合统计规律，但也有例外，如脉冲群重复频率指数。脉冲群在实际电磁环境中的重复频率为10 kHz 1 MHz，但由于当时元器件水平的限制，这个参数只能达到几kHz ，所以标准规定参数值是两个 5

25、kHz和 100 kHz 。种类。目前，能够输出1MHz突发的产品已经成熟，预计该指标将在几年内进行修订。基于ATP，对电力系统一次回路EFT/B扰动的形成机理进行了仿真研究。在此基础上，制定有源保护措施，抑制来自干扰源的 EFT/B 干扰。这是EFT的一个研究方向，这将有利于推动EFT的研究，关系到抑制技术的发展。在电力系统中，为了保证电力系统的安全运行，EFT/B扰动对微机保护装置的干扰不能仅仅通过提高微机保护装置的抗扰度来抑制，而是形成、耦合和作用。应避免 EFT/B 干扰。该机制进行了深入研究。对于二次设备，研究了通过EFT/ B测试的对策，也有一些研究方向。例如，发现了一些开关电源抗

26、干扰能力弱的问题，但如何增强其抗干扰能力并没有取得丰硕的成果。研究。静电场的干扰也可能干扰保护装置的正常工作，这需要进一步研究和讨论。此外，保护厂商应加强保护装置的EMC研发，使保护装置在变电站恶劣的电磁环境中可靠运行。结语为保证电力系统的安全运行，抑制同一供电电路中多种设备产生的瞬态脉冲对设备的干扰，应研究EFT/B扰动的形成、耦合及机理。深度。本综述根据EFT/B的形成机理对其进行研究和讨论，得到了两种不同的产生电快速瞬态脉冲的等效电路，分别对其进行仿真和测试，以满足国际标准IEC 1000 - 4 - 4的要求。最后，针对现代电气电子设计中抑制和消除EFT/B干扰的要求，提出了抑制EFT/B的方法。值得注意的是，虽然其中一些方法效果很好，但在实际应用中使用了很多不同的方法，综合考虑设计思想可以更好地实现目标。同时，如果某种方法的实现需要牺牲电路的简单性并增加很多元件，那可能并不理想。实验程序1.学习掌握EFT/B和电源EMI滤波器的原理2、