Projektowanie i udoskonalanie testów wydajności EMC dla elektronicznych transformatorów napięcia

1 Przegląd wydajności EMC transformatorów napięcia elektronicznych
1.1 Definicja i wymagania dotyczące EMC

Elektromagnetyczna zgodność (EMC) oznacza zdolność urządzenia/systemu do działania bez zakłóceń w danej środowisku elektromagnetycznym oraz unikanie nieakceptowalnego zakłócania innych jednostek. Dla transformatorów napięcia elektronicznych, EMC wymaga stabilnej wydajności pomiarowej w skomplikowanych warunkach, bez zakłócania innych urządzeń. Ich wydajność EMC musi być uwzględniona i zapewniona podczas projektowania i produkcji.

1.2 Zasada działania

Transformatory napięcia elektroniczne wykorzystują indukcję elektromagnetyczną i precyzyjne pomiary elektroniczne, aby przekształcać sygnały wysokiego napięcia w systemach energetycznych na sygnały niskiego napięcia. Typowo składają się z czujnika pierwotnego, obwodu konwersji wtórnej i jednostki przetwarzania sygnałów: czujnik pierwotny przekształca sygnały wysokiego napięcia w słabe prądy/napięcia proporcjonalne do napięcia pierwotnego; obwód wtórny dalej przekształca je w standardowe sygnały cyfrowe/analogowe; jednostka przetwarzania filtruje, wzmacnia i kalibruje sygnały, aby zwiększyć dokładność i stabilność pomiarów. Mogą mierzyć napięcie, prąd i moc pojedynczego obwodu (jak pokazano na Rysunku 1), lub napięcie/prąd pojedynczych/wielu obwodów.

1.3 Analiza zakłóceń elektromagnetycznych i wrażliwości

Transformatory napięcia elektroniczne są narażone na zakłócenia elektromagnetyczne ze strony innych urządzeń elektrycznych (np. impulsy piorunowe, przejściowe przepięcia spowodowane operacją przełączników), co prowadzi do pogorszenia wydajności pomiarowej (np. zwiększenie błędów, niestabilne odczyty).

2 Analiza testów wydajności zgodności elektromagnetycznej transformatorów napięcia elektronicznych (EVT)
2.1 Zawartość testów i kryteria oceny

Test wydajności zgodności elektromagnetycznej EVT jest kluczowym etapem zapewnienia jego stabilnego i dokładnego działania w rzeczywistych środowiskach pracy. Test koncentruje się na ocenie zdolności antyzakłócającej EVT oraz jego wydajności pod wpływem różnych zakłóceń elektromagnetycznych. Kryteria oceny dzielą się na klasę A i klasę B w zależności od nasilenia wyników testów:

• Klasa A: Utrzymuje normalną wydajność w granicach specyfikacji dokładności. Ocena wymaga, aby gdy EVT jest narażony na zakłócenia elektromagnetyczne, jego dokładność pomiarowa pozostawała w określonych granicach. To zapewnia, że sygnał napięcia wyjściowego odpowiada rzeczywistej wartości i nie zakłóca normalnego monitorowania i sterowania systemem energetycznym.

• Klasa B: Pozwala na tymczasowe pogorszenie wydajności pomiarowej niezwiązane z funkcjami ochronnymi. Kryteria pozwalają na tymczasowe spadki wydajności pomiarowej pod wpływem zakłóceń elektromagnetycznych, pod warunkiem, że nie wpływają one na normalne działanie funkcji ochronnych ani nie powodują resetu/restartu urządzenia. Napięcie wyjściowe musi być kontrolowane w granicach 500 V, aby uniknąć niepotrzebnych zakłóceń lub uszkodzeń systemu energetycznego.

2.2 Testy przewodzone zakłócenia

Przewodzone zakłócenia to zakłócenia elektromagnetyczne przekazywane przez ścieżki przewodzące (np. druty, rury metalowe). Dla EVT, przewodzone zakłócenia stanowią główny wyzwanie.

• Test szybkich przelotowych zakłóceń/burz (EFT/B): Symuluje przelotowe zakłócenia generowane przez obciążenia indukcyjne (np. relaje, kontakitory) podczas przełączania, które mają szeroki spektrum częstotliwości i mogą zakłócać działanie EVT. Test stosuje serię szybkich przelotowych burz do EVT, obserwując stabilność i dokładność sygnału napięcia wyjściowego, aby ocenić zdolność antyzakłócającą.

• Test odporności na przeloty (impulsy): Symuluje przejściowe przepięcia/prądy generowane przez operacje przełączników, uderzenia piorunów itp. Te zdarzenia mają wysoką energię i krótką trwałość, silnie wpływając na izolację i dokładność pomiarową EVT. Test stosuje napięcia przelotowe do EVT, aby zweryfikować jego zdolność do wytrzymywania zakłóceń bez uszkodzeń lub pogorszenia wydajności.

2.3 Testy promieniowane zakłócenia

• Test odporności na pole magnetyczne częstotliwości sieci: Ocenia wydajność EVT w środowiskach pola magnetycznego częstotliwości sieci. Poprzez zastosowanie kontrolowanego pola magnetycznego częstotliwości sieci, test obserwuje stabilność i dokładność sygnału napięcia wyjściowego, aby ocenić zdolność antyzakłócającą.

• Test odporności na tłumione oscylacyjne pole magnetyczne: Symuluje tłumione oscylacyjne pola magnetyczne generowane podczas operacji izolujących przełączników w wysokonapięciowych stacjach transformatorowych na wysokonapięciowych szynach. Te pola mają szybkie stany spoczynku i wysokie częstotliwości, potencjalnie zakłócając dokładność pomiarową EVT. Test stosuje tłumione oscylacyjne pola magnetyczne, aby sprawdzić, czy EVT utrzymuje stabilną wydajność pomiarową.

• Test odporności na pulsowe pole magnetyczne: Symuluje pulsowe pola magnetyczne generowane przez uderzenia piorunów w budynki lub inne metalowe konstrukcje. Te pola mają szybkie czasy narastania i wysokie maksymalne intensywności, grożące izolacją i dokładnością pomiarową EVT. Test stosuje pulsowe pola magnetyczne, aby zweryfikować zdolność EVT do wytrzymywania zakłóceń bez uszkodzeń lub pogorszenia wydajności.

• Test odporności na pole elektromagnetyczne promieniowania częstotliwości radiowych: Ocenia wydajność EVT w środowiskach promieniowania częstotliwości radiowych (np. przemysłowe źródła elektromagnetyczne, rozgłośnie radiowe, stacje bazowe komunikacji mobilnej). Poprzez zastosowanie kontrolowanego pola promieniowania częstotliwości radiowych, test obserwuje stabilność i dokładność sygnału napięcia wyjściowego, aby ocenić zdolność antyzakłócającą.

3 Zasady projektowania zgodności elektromagnetycznej transformatorów napięcia elektronicznych
3.1 Zasady projektowania obwodów

• Projekt zmiennoprzecinkowego zasilania: W projektowaniu obwodów należy używać technologii zmiennoprzecinkowego zasilania, aby izolować linie sygnałowe od obudowy. To zapobiega bezpośredniej kuple Zwarcia prądów zakłócających na obudowie do obwodu sygnałowego, zmniejszając zakłócenia szumowe i poprawiając dokładność i stabilność sygnału.

• Racjonalna układ lini: Prawidłowe rozmieszczenie linii zasilających, masowych i różnych linii sygnałowych – jest kluczowe do minimalizacji kuple Zwarcia zakłóceń. W projektowaniu obwodów EVT, należy zapewnić minimalne kuple Zwarcia między liniami. Metody takie jak warstwowe układ lini i ułożenie ortogonalne (aby unikać równoległych biegów) redukują indukcję elektromagnetyczną i kuple Zwarcia pojemnościowe.

• Projekt kondensatorów filtrujących: Zaimplementuj kondensatory filtrujące wejście zasilające modułów, aby tłumić sygnały zakłócające wprowadzane przez zasilanie. Wybierz kondensatory na podstawie parametrów takich jak pojemność, napięcie znamionowe i charakterystyki częstotliwościowe, aby efektywnie filtrować wysokoczęstotliwościowe szumy i zakłócenia z zasilania.

• Projekt niskopoziomowej logiki: Unikaj niepotrzebnych wysokopoziomowych logik, aby zmniejszyć zużycie mocy obwodu i wysokoczęstotliwościowe zakłócenia. W projektowaniu obwodów EVT, priorytetowo wybieraj niskopoziomowe elementy logiczne (np. urządzenia 3.3 V), aby minimalizować emisję i odbiór wysokoczęstotliwościowych szumów.

• Kontrola czasu narastania/spadania: Wybierz naj wolniejsze dopuszczalne czasy narastania i spadania (w granicach funkcji obwodu), aby uniknąć generowania niepotrzebnych składowych wysokoczęstotliwościowych. To pomaga zmniejszyć wysokoczęstotliwościowe szumy w obwodzie i poprawia stabilność i dokładność sygnału.

3.2 Zasady projektowania wewnętrznej struktury

• Pełnie zamknięta struktura ekranująca: Użyj pełnej osłony dla obudowy, zapewniając dobry kontakt między wszystkimi powierzchniami i właściwe zazemienie. To efektywnie blokuje zewnętrzną interferencję pola elektromagnetycznego, chroniąc wewnętrzne obwody elektroniczne przed zewnętrznymi zakłóceniami.

• Minimalizacja długości odsłoniętych przewodów: Zachowaj wszystkie odsłonięte przewody w obudowie jak najkrótsze, aby zmniejszyć emisję elektromagnetyczną i kuple Zwarcia zakłóceń. W wewnętrznym projekcie EVT zoptymalizuj układ i rozmieszczenie komponentów, aby minimalizować długości odsłoniętych przewodów.

• Grupowanie i wiązanie kabli: Grupuj przewody według typu sygnału (np. oddziel linie cyfrowe i analogowe) i zachowaj odpowiednią odległość między grupami. To zmniejsza crosstalk między przewodami, poprawiając jasność i dokładność sygnału.

• Połączenie klejem przewodzącym: Użyj kleju przewodzącego w wszystkich stykach obudowy, aby zapewnić dobrą połączenie elektryczne i efektywność ekranowania. To obniża opór kontaktowy i zwiększa wydajność ekranu.

4 Strategie poprawy wydajności zgodności elektromagnetycznej transformatorów napięcia elektronicznych
4.1 Antyzakłócający projekt portu zasilania
4.1.1 Instalacja filtrów zasilania

Filtr zasilania jest skutecznym urządzeniem tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych, który może filtrować wysokoczęstotliwościowe szumy i impulsy przelotowe w zasilaniu, zapewniając czystość wejścia zasilającego. Przy wyborze filtru zasilania należy wybrać odpowiedni model i specyfikację w zależności od nominalnej mocy i środowiska pracy EVT, oraz upewnić się, że filtr jest zainstalowany blisko wejścia zasilającego, aby uzyskać najlepszy efekt filtrowania.

4.1.2 Adopcja redundantnego projektu zasilania

Aby poprawić niezawodność zasilania EVT, adopuje się redundantny projekt zasilania, tj. konfiguruje się dwa lub więcej modułów zasilających. Gdy jeden moduł zasilający ulega awarii, inne moduły zasilające mogą szybko przejąć zadanie zasilania, aby zapewnić prawidłowe działanie EVT. To nie tylko poprawia zdolność antyzakłócającą EVT, ale także zwiększa jego ogólną stabilność.

4.1.3 Wzmocnienie ekranowania i zazemienia linii zasilających

Linie zasilające są jednym z ważnych ścieżek propagacji zakłóceń elektromagnetycznych. Aby zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne na liniach zasilających, używa się kabli ekranowanych, które otaczają linie zasilające metalową warstwą ekranującą, zmniejszając emisję i kuple Zwarcia fal elektromagnetycznych. Jednocześnie należy zapewnić odpowiednie zazemienie linii zasilających, kierując prądy zakłócające do ziemi, aby uniknąć uszkodzenia EVT.

4.2 Ochrona portów sygnałowych przed rozładowaniem elektrostatycznym
4.2.1 Instalacja komponentów absorpcji przelotowych zakłóceń

Komponenty absorpcji przelotowych zakłóceń, takie jak Supresory Transient Voltage (TVS) i warystory, mogą szybko absorbować energię rozładowania podczas rozładowania elektrostatycznego i kontrolować napięcie w bezpiecznym zakresie, chroniąc wewnętrzne elementy elektroniczne EVT przed uszkodzeniem. Przy wyborze komponentów absorpcji przelotowych zakłóceń należy wybrać odpowiedni model i specyfikację w zależności od charakterystyk sygnałów i środowiska pracy EVT.

4.2.2 Adopcja metody transmisji sygnałów różnicowych

Metoda transmisji sygnałów różnicowych może efektywnie opierać się zakłóceniom wspólnej mody i poprawiać zdolność antyzakłócającą sygnału. W projekcie portów sygnałowych EVT, adopuje się metodę transmisji sygnałów różnicowych, dzieląc sygnał na kanały dodatnie i ujemne. Efektywne informacje są wyodrębniane poprzez porównanie różnic sygnałów między dwoma kanałami, co nie tylko poprawia jakość transmisji sygnału, ale również zmniejsza zakłócenia rozładowania elektrostatycznego na EVT.

4.3 Optymalizacja wydajności ekranowania obudowy
4.3.1 Wybór materiałów o wysokiej przewodności magnetycznej

Wybór materiałów do obudowy jest kluczowy dla efektu ekranowania. Aby poprawić zdolność ekranowania pola magnetycznego obudowy, wybiera się materiały o wysokiej przewodności magnetycznej, takie jak płyty żelazne, które mogą efektywnie吸收电磁干扰和保护措施。这些干扰和敏感性挑战在设计时需要加以解决。 5 结论 本文对电子电压互感器的电磁兼容性能进行了深入的研究和设计，提出了一系列措施，包括电路设计原则、内部结构设计原则以及电磁兼容性能改进策略。旨在提高EVT在复杂电磁环境中的抗干扰能力和稳定性，确保其能够在电力系统中准确可靠地测量电压信号，为电力系统的安全稳定运行提供有力保障。 请根据上述要求翻译成波兰语。请注意，原文中的“IEE-Business”必须保持原样，不得翻译。以下是翻译结果：

5 Podsumowanie

W niniejszej pracy przeprowadzono szczegółowe badania i projektowanie wydajności zgodności elektromagnetycznej transformatorów napięcia elektronicznych. Została zaproponowana seria środków, w tym zasady projektowania obwodów, zasady projektowania wewnętrznej struktury oraz strategie poprawy wydajności zgodności elektromagnetycznej. Celem jest zwiększenie zdolności antyzakłócającej i stabilności EVT w skomplikowanych środowiskach elektromagnetycznych, zapewnienie dokładnego i niezawodnego pomiaru sygnałów napięcia w systemach energetycznych, a także zapewnienie silnej gwarancji dla bezpiecznej i stabilnej pracy systemów energetycznych.