Diseño y Mejora de las Pruebas de Rendimiento EMC para Transformadores de Voltaje Electrónicos
1 Visión general del rendimiento EMC de los transformadores electrónicos de voltaje
1.1 Definición y requisitos de EMC
La compatibilidad electromagnética (EMC) denota la capacidad de un dispositivo/sistema para operar sin perturbaciones en un entorno electromagnético dado y evitar causar interferencias electromagnéticas inaceptables a otras entidades. Para los transformadores electrónicos de voltaje, la EMC exige un rendimiento de medición estable en entornos complejos, sin interferir con otros dispositivos. Su rendimiento EMC debe ser considerado y asegurado durante el diseño y la fabricación.
1.2 Principio de funcionamiento
Los transformadores electrónicos de voltaje utilizan la inducción electromagnética y la medición electrónica de alta precisión para convertir señales de alto voltaje en sistemas de potencia a señales de bajo voltaje. Generalmente constan de un sensor primario, un circuito de conversión secundaria y una unidad de procesamiento de señales: el sensor primario transforma las señales de alto voltaje en corriente/voltaje débil proporcional al voltaje primario; el circuito secundario convierte estas a señales digitales/análogas estándar; la unidad de procesamiento filtra, amplifica y calibra las señales para mejorar la precisión y estabilidad de la medición. Pueden medir el voltaje, la corriente y la potencia de un solo circuito (como se muestra en la Figura 1), o el voltaje/corriente de uno o varios circuitos.
1.3 Análisis de la interferencia electromagnética y sensibilidad
Los transformadores electrónicos de voltaje están sujetos a interferencias electromagnéticas de otros equipos eléctricos (por ejemplo, impulsos de rayos, sobretensiones transitorias por operaciones de interruptores), lo que degrada el rendimiento de la medición (por ejemplo, aumento de errores, lecturas inestables).
2 Análisis de las pruebas de rendimiento de compatibilidad electromagnética para transformadores electrónicos de voltaje (EVT)
2.1 Contenido de la prueba y criterios de evaluación
La prueba de rendimiento de compatibilidad electromagnética de un EVT es un paso crítico para garantizar su operación estable y precisa en entornos de trabajo reales. La prueba se centra en evaluar la capacidad anti-interferencia del EVT y su rendimiento bajo diversas perturbaciones electromagnéticas. Los criterios de evaluación se dividen en Grado A y Grado B según la gravedad de los resultados de la prueba:
Grado A: Mantiene un rendimiento normal dentro de los límites de especificación de precisión. La evaluación requiere que, cuando el EVT esté sometido a perturbaciones electromagnéticas, su precisión de medición se mantenga dentro de los límites especificados. Esto asegura que la señal de voltaje de salida coincida con el valor real y no interrumpa el monitoreo y control normal del sistema de potencia.
Grado B: Permite una degradación temporal del rendimiento de medición no relacionada con funciones de protección. Los criterios permiten declives temporales en el rendimiento de medición bajo perturbaciones electromagnéticas, siempre que no afecten la operación normal de las funciones de protección o causen reinicio/reinicio del dispositivo. El voltaje de salida debe controlarse dentro de 500 V para evitar interferencias innecesarias o daños al sistema de potencia.
2.2 Pruebas de interferencia conducida
La interferencia conducida se refiere a perturbaciones electromagnéticas transmitidas a través de vías conductivas (por ejemplo, cables, tuberías metálicas). Para los EVTs, la interferencia conducida es un desafío importante.
Prueba de Transitorios Rápidos Eléctricos/Burst (EFT/B): Simula perturbaciones transitorias de cargas inductivas (por ejemplo, relés, contactores) durante el conmutado, que generalmente tienen espectros de frecuencia amplios y pueden interrumpir la operación del EVT. La prueba aplica una serie de ráfagas de transitorios rápidos al EVT, observando la estabilidad y precisión de la señal de voltaje de salida para evaluar la capacidad anti-interferencia.
Prueba de Inmunidad a Sobretensiones (Impulso): Simula sobretensiones/transitorios de corriente de operaciones de interruptores, rayos, etc. Estos eventos llevan alta energía y duraciones cortas, impactando severamente la aislación y la precisión de medición del EVT. La prueba aplica voltajes de sobretensión al EVT para verificar su capacidad para soportar perturbaciones sin daño o degradación del rendimiento.
2.3 Pruebas de interferencia radiada
Prueba de Inmunidad a Campos Magnéticos de Frecuencia de Red: Evalúa el rendimiento del EVT en entornos de campos magnéticos de frecuencia de red. Al aplicar un campo magnético de frecuencia de red controlado, la prueba observa la estabilidad y precisión de la señal de voltaje de salida para evaluar la capacidad anti-interferencia.
Prueba de Inmunidad a Campos Magnéticos Oscilatorios Amortiguados: Simula campos magnéticos oscilatorios amortiguados generados cuando los interruptores de aislamiento en subestaciones de alta tensión operan en barras de bus de alta tensión. Estos campos tienen tasas de decaimiento rápida y frecuencias altas, potencialmente interrumpiendo la precisión de medición del EVT. La prueba aplica campos magnéticos oscilatorios amortiguados para verificar si el EVT mantiene un rendimiento de medición estable.
Prueba de Inmunidad a Campos Magnéticos de Pulso: Simula campos magnéticos de pulso de rayos en edificios u otras estructuras metálicas. Estos campos tienen tiempos de subida rápidos e intensidades pico altas, amenazando la aislación y la precisión de medición del EVT. La prueba aplica campos magnéticos de pulso para verificar la capacidad del EVT para soportar perturbaciones sin daño o degradación del rendimiento.
Prueba de Inmunidad a Campos Electromagnéticos de Radiación de Frecuencia Radioeléctrica: Evalúa el rendimiento del EVT en entornos de radiación de frecuencia radioeléctrica (por ejemplo, fuentes electromagnéticas industriales, emisiones de radio, estaciones base de comunicación móvil). Al aplicar campos de radiación de RF controlados, la prueba observa la estabilidad y precisión de la señal de voltaje de salida para evaluar la capacidad anti-interferencia.
3 Principios de diseño para la compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje
3.1 Principios de diseño de circuitos
Diseño de tierra flotante: En el diseño de circuitos, utilice tecnología de tierra flotante para aislar las líneas de señal del chasis. Esto evita que las corrientes de interferencia en el chasis se acoplen directamente al circuito de señal, reduciendo la interferencia de ruido y mejorando la precisión y estabilidad de la señal.
Diseño racional de la disposición de los cables: Organice adecuadamente las líneas de alimentación, tierras y varias líneas de señal, lo cual es clave para minimizar la interferencia de acoplamiento. En el diseño de circuitos de EVT, asegúrese de que haya un acoplamiento mínimo entre las líneas. Métodos como el cableado en capas y la ruta ortogonal (para evitar tramos paralelos) reducen la inducción electromagnética y el acoplamiento capacitivo.
Diseño de condensadores de filtro: Implemente condensadores de filtro en la entrada de alimentación de los módulos para suprimir las señales de interferencia que ingresan a través de la fuente de alimentación. Seleccione los condensadores según parámetros como la capacitancia, la tensión nominal y las características de frecuencia para filtrar eficazmente el ruido y la interferencia de alta frecuencia de la fuente de alimentación.
Diseño de lógica de nivel bajo: Evite niveles lógicos altos innecesarios para reducir el consumo de potencia del circuito y la interferencia de alta frecuencia. En el diseño de circuitos de EVT, priorice los dispositivos de lógica de nivel bajo (por ejemplo, dispositivos de 3.3 V) para minimizar la emisión y recepción de ruido de alta frecuencia.
Control de tiempos de subida/bajada: Elija los tiempos de subida y bajada más lentos permitidos (dentro de los límites de la función del circuito) para evitar generar componentes de alta frecuencia innecesarios. Esto ayuda a reducir el ruido de alta frecuencia en el circuito y mejora la estabilidad y precisión de la señal.
3.2 Principios de diseño de la estructura interna
Estructura de blindaje totalmente cerrada: Utilice un blindaje totalmente cerrado para el chasis, asegurando un buen contacto entre todas las superficies y una conexión a tierra adecuada. Esto bloquea eficazmente la interferencia de campos electromagnéticos externos, protegiendo los circuitos electrónicos internos de las perturbaciones externas.
Minimización de la longitud de los cables expuestos: Mantenga todos los cables expuestos dentro del chasis lo más cortos posible para reducir la radiación electromagnética y la interferencia de acoplamiento. En el diseño interno de EVT, optimice la disposición y colocación de los componentes para minimizar la longitud de los cables expuestos.
Agrupamiento y agrupamiento de cables: Agrupe los cables según el tipo de señal (por ejemplo, separe las líneas digitales y analógicas) y mantenga un espaciamiento adecuado entre los grupos. Esto reduce la crosstalk entre los cables, mejorando la claridad y precisión de la señal.
Unión con adhesivo conductor: Utilice adhesivo conductor en todas las uniones de interfaz del chasis para asegurar una buena conexión eléctrica y efectividad de blindaje. Esto reduce la resistencia de contacto y mejora el rendimiento del blindaje.
4 Estrategias para mejorar el rendimiento de compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje
4.1 Diseño anti-interferencia del puerto de alimentación
4.1.1 Instalar filtros de alimentación
Un filtro de alimentación es un dispositivo de supresión de interferencia electromagnética eficaz que puede filtrar el ruido de alta frecuencia y los pulsos transitorios en la fuente de alimentación, asegurando la pureza de la entrada de alimentación. Al seleccionar un filtro de alimentación, elija el modelo y especificación de filtro apropiados según la potencia nominal y el entorno de trabajo del EVT, y asegúrese de que el filtro esté instalado cerca de la entrada de alimentación para obtener el mejor efecto de filtrado.
4.1.2 Adoptar un diseño de alimentación redundante
Para mejorar la confiabilidad de la alimentación del EVT, se adopta un diseño de alimentación redundante, es decir, se configuran dos o más módulos de alimentación. Cuando un módulo de alimentación falla, otros módulos de alimentación pueden asumir rápidamente la tarea de suministro de energía para garantizar la operación normal del EVT. Esto no solo mejora la capacidad anti-interferencia del EVT, sino que también aumenta su estabilidad general.
4.1.3 Reforzar el blindaje y la conexión a tierra de las líneas de alimentación
Las líneas de alimentación son una de las vías importantes para la propagación de la interferencia electromagnética. Para reducir la interferencia electromagnética en las líneas de alimentación, se utilizan cables blindados para envolver las líneas de alimentación en una capa de blindaje metálico, reduciendo la radiación y el acoplamiento de ondas electromagnéticas. Al mismo tiempo, asegúrese de una buena conexión a tierra de las líneas de alimentación, guiando la corriente de interferencia hacia el suelo para evitar daños al EVT.
4.2 Protección contra descargas electrostáticas de los puertos de señal
4.2.1 Instalar componentes de absorción de perturbaciones transitorias
Los componentes de absorción de perturbaciones transitorias, como los Supresores de Voltaje Transitorio (TVS) y varistores, pueden absorber rápidamente la energía de descarga durante las descargas electrostáticas y controlar el voltaje a un nivel seguro, protegiendo los componentes electrónicos internos del EVT de daños. Al seleccionar componentes de absorción de perturbaciones transitorias, elija el modelo y especificación de componente apropiados según las características de la señal y el entorno de trabajo del EVT.
4.2.2 Adoptar el método de transmisión de señales diferenciales
El método de transmisión de señales diferenciales puede resistir eficazmente la interferencia de modo común y mejorar la capacidad anti-interferencia de la señal. En el diseño de los puertos de señal del EVT, se adopta el método de transmisión de señales diferenciales, dividiendo la señal en canales positivo y negativo para la transmisión. La información efectiva se extrae comparando las diferencias de señal entre los dos canales, lo que no solo mejora la calidad de la transmisión de la señal, sino que también reduce la interferencia de las descargas electrostáticas en el EVT.
4.3 Optimización del rendimiento de blindaje del chasis
4.3.1 Seleccionar materiales de alta permeabilidad magnética
La selección de material del chasis es crucial para el efecto de blindaje. Para mejorar la capacidad de blindaje de campo magnético del chasis, se seleccionan materiales de alta permeabilidad magnética, como placas de hierro, que pueden absorber y dispersar eficazmente la energía del campo magnético y reducir la interferencia del campo magnético en el interior del EVT. La permeabilidad magnética relativa de los metales se muestra en la Tabla 1.
4.3.2 Optimizar el diseño de la estructura del chasis
El diseño estructural del chasis también es un factor importante que afecta el efecto de blindaje. En el diseño del chasis del EVT, se adopta una estructura de blindaje totalmente cerrada para asegurar un buen contacto y conexión a tierra entre las diversas superficies.
4.3.3 Reforzar el tratamiento de conexión a tierra del chasis
El tratamiento de conexión a tierra del chasis es crucial para el efecto de blindaje. En el diseño del chasis del EVT, es necesario asegurar una buena conexión a tierra entre el chasis y el suelo, guiando la corriente de interferencia hacia el suelo.
También emiten interferencias como armónicos de alta frecuencia y radiación electromagnética, impactando otros dispositivos. El diseño de estos requiere abordar estos desafíos de interferencia y sensibilidad con medidas de supresión y protección.
5 Conclusión
Este artículo realiza una investigación y diseño en profundidad sobre el rendimiento de compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje. Se proponen una serie de medidas, incluyendo principios de diseño de circuitos, principios de diseño de estructura interna y estrategias de mejora del rendimiento de compatibilidad electromagnética. El objetivo es mejorar la capacidad anti-interferencia y la estabilidad del EVT en entornos electromagnéticos complejos, asegurando que pueda medir con precisión y fiabilidad las señales de voltaje en los sistemas de potencia, y proporcionar una garantía sólida para la operación segura y estable de los sistemas de potencia.
