Проектирование и улучшение испытаний на электромагнитную совместимость для электронных трансформаторов напряжения

1 Обзор ЭМС электронных трансформаторов напряжения
1.1 Определение и требования к ЭМС

Электромагнитная совместимость (ЭМС) означает способность устройства/системы работать без помех в заданной электромагнитной среде и не вызывать неприемлемых электромагнитных помех для других устройств. Для электронных трансформаторов напряжения ЭМС требует стабильной измерительной производительности в сложных условиях, не создавая помех другим устройствам. Их ЭМС-производительность должна учитываться и обеспечиваться на этапах проектирования и производства.

1.2 Принцип работы

Электронные трансформаторы напряжения используют электромагнитную индукцию и высокоточные электронные измерения для преобразования высоковольтных сигналов в системах энергоснабжения в низковольтные. Обычно они состоят из первичного датчика, вторичного преобразующего цепи и блока обработки сигнала: первичный датчик преобразует высоковольтные сигналы в слабый ток/напряжение, пропорциональный первичному напряжению; вторичная цепь затем преобразует их в стандартные цифровые/аналоговые сигналы; блок обработки фильтрует, усиливает и калибрует сигналы, чтобы повысить точность и стабильность измерений. Они могут измерять напряжение, ток и мощность одного контура (как показано на рисунке 1), или напряжение/ток одного или нескольких контуров.

1.3 Анализ электромагнитных помех и чувствительности

Электронные трансформаторы напряжения подвергаются воздействию электромагнитных помех от других электрических устройств (например, импульсы молнии, переходные перенапряжения при операциях с выключателями), что ухудшает измерительную производительность (например, увеличиваются ошибки, нестабильные показания).

2 Анализ испытаний по электромагнитной совместимости электронных трансформаторов напряжения (EVT)
2.1 Содержание испытаний и критерии оценки

Испытания по электромагнитной совместимости EVT являются важным шагом для обеспечения его стабильной и точной работы в реальных условиях эксплуатации. Испытания сосредоточены на оценке способности EVT противостоять помехам и его производительности при различных электромагнитных возмущениях. Критерии оценки делятся на класс A и класс B в зависимости от серьезности результатов испытаний:

• Класс A: Сохраняет нормальную производительность в пределах допусков точности. Оценка требует, чтобы при воздействии электромагнитных помех точность измерений EVT оставалась в пределах установленных ограничений. Это обеспечивает, что выходной сигнал напряжения соответствует фактическому значению и не нарушает нормальное мониторинг и управление системой энергоснабжения.

• Класс B: Позволяет временное снижение измерительной производительности, не связанное с функциями защиты. Критерии допускают временное снижение измерительной производительности при воздействии электромагнитных помех, при условии, что это не влияет на нормальную работу функций защиты или не вызывает перезагрузку/перезапуск устройства. Выходное напряжение должно быть контролируемым в пределах 500 В, чтобы избежать ненужных помех или повреждений системы энергоснабжения.

2.2 Испытания на проводимые помехи

Проводимые помехи — это электромагнитные возмущения, передаваемые по проводящим путям (например, провода, металлические трубы). Для EVT проводимые помехи представляют собой основную проблему.

• Испытание на быстрые переходные процессы/вспышки (EFT/B): Моделирует переходные процессы от индуктивных нагрузок (например, реле, контакторы) при переключении, которые обычно имеют широкий частотный спектр и могут нарушить работу EVT. Испытание применяет серию быстрых переходных вспышек к EVT, наблюдая за стабильностью и точностью выходного сигнала напряжения, чтобы оценить способность противостоять помехам.

• Испытание на импульсную устойчивость: Моделирует переходные перенапряжения/токи от операций с выключателями, удары молнии и т. д. Эти события несут высокую энергию и короткую продолжительность, серьезно влияя на изоляцию и точность измерений EVT. Испытание применяет импульсные напряжения к EVT, чтобы проверить его способность выдерживать возмущения без повреждений или снижения производительности.

2.3 Испытания на излучаемые помехи

• Испытание на устойчивость к магнитному полю промышленной частоты: Оценивает производительность EVT в условиях магнитного поля промышленной частоты. Применяя контролируемое магнитное поле промышленной частоты, испытание наблюдает за стабильностью и точностью выходного сигнала напряжения, чтобы оценить способность противостоять помехам.

• Испытание на устойчивость к затухающему колебательному магнитному полю: Моделирует затухающие колебательные магнитные поля, возникающие при работе изолирующих выключателей на высоковольтных шинах в высоковольтных подстанциях. Эти поля имеют быстрое затухание и высокие частоты, потенциально нарушая точность измерений EVT. Испытание применяет затухающие колебательные магнитные поля, чтобы проверить, сохраняет ли EVT стабильную измерительную производительность.

• Испытание на устойчивость к пульсирующему магнитному полю: Моделирует пульсирующие магнитные поля от ударов молнии по зданиям или другим металлическим конструкциям. Эти поля имеют быстрое время нарастания и высокую пиковую интенсивность, угрожая изоляции и точности измерений EVT. Испытание применяет пульсирующие магнитные поля, чтобы проверить способность EVT выдерживать возмущения без повреждений или снижения производительности.

• Испытание на устойчивость к радиочастотному излучению электромагнитного поля: Оценивает производительность EVT в условиях радиочастотного (РЧ) излучения (например, промышленные источники электромагнитного излучения, радиовещание, базовые станции мобильной связи). Применяя контролируемое РЧ-излучение, испытание наблюдает за стабильностью и точностью выходного сигнала напряжения, чтобы оценить способность противостоять помехам.

3 Принципы проектирования электромагнитной совместимости электронных трансформаторов напряжения
3.1 Принципы проектирования схем

• Проектирование с плавающим заземлением: В схемотехнике используйте технологию плавающего заземления для изоляции сигнальных линий от корпуса. Это предотвращает попадание помеховых токов на корпус в сигнальную цепь, снижая шумовые помехи и улучшая точность и стабильность сигнала.

• Рациональное расположение проводов: Правильно располагайте силовые, заземляющие и различные сигнальные линии — это ключ к минимизации взаимных помех. В схемотехнике EVT обеспечьте минимальное взаимодействие между линиями. Методы, такие как многослойное размещение проводов и ортогональное расположение (чтобы избежать параллельных проводов), снижают электромагнитную индукцию и емкостную связь.

• Проектирование фильтрующих конденсаторов: Установите фильтрующие конденсаторы на входе питания модулей, чтобы подавлять помеховые сигналы, поступающие через питание. Выбирайте конденсаторы на основе параметров, таких как емкость, номинальное напряжение и частотные характеристики, чтобы эффективно фильтровать высокочастотные помехи и шумы от источника питания.

• Проектирование с низким уровнем логики: Избегайте ненужных высоких уровней логики, чтобы снизить потребление энергии и высокочастотные помехи. В схемотехнике EVT приоритизируйте устройства с низким уровнем логики (например, 3.3 В устройства), чтобы минимизировать излучение и прием высокочастотных шумов.

• Контроль времени нарастания и спада: Выбирайте максимально медленные допустимые времена нарастания и спада (в пределах функциональных возможностей схемы), чтобы избежать генерации ненужных высокочастотных компонентов. Это помогает снизить высокочастотные шумы в схеме и улучшить стабильность и точность сигнала.

3.2 Принципы внутреннего структурного проектирования

• Полностью закрытая экранирующая структура: Используйте полностью закрытый экран для корпуса, обеспечивая хороший контакт между всеми поверхностями и правильное заземление. Это эффективно блокирует внешние электромагнитные поля, защищая внутренние электронные цепи от внешних помех.

• Минимизация длины открытых проводов: Держите все открытые провода внутри корпуса как можно короче, чтобы снизить электромагнитное излучение и взаимные помехи. Внутри корпуса EVT оптимизируйте расположение и размещение компонентов, чтобы минимизировать длину открытых проводов.

• Группировка и объединение кабелей: Группируйте провода по типу сигнала (например, отделяйте цифровые и аналоговые линии) и поддерживайте соответствующее расстояние между группами. Это снижает перекрестные помехи между проводами, улучшая ясность и точность сигнала.

• Применение проводящих клеев: Используйте проводящий клей на всех соединениях корпуса, чтобы обеспечить хорошее электрическое соединение и эффективность экранирования. Это снижает контактное сопротивление и улучшает производительность экрана.

4 Стратегии улучшения электромагнитной совместимости электронных трансформаторов напряжения
4.1 Антипомеховое проектирование порта питания
4.1.1 Установка фильтров питания

Фильтр питания является эффективным устройством подавления электромагнитных помех, который может фильтровать высокочастотные шумы и переходные импульсы в сети питания, обеспечивая чистоту входного питания. При выборе фильтра питания выбирайте подходящую модель и спецификацию в соответствии с номинальной мощностью и условиями работы EVT, и убедитесь, что фильтр установлен близко к входу питания для лучшего фильтрационного эффекта.

4.1.2 Использование резервного дизайна питания

Для улучшения надежности питания EVT используется резервный дизайн питания, то есть, конфигурация двух или более модулей питания. Когда один модуль питания выходит из строя, другие модули питания быстро берут на себя задачу питания, обеспечивая нормальную работу EVT. Это не только улучшает антипомеховую способность EVT, но и повышает его общую стабильность.

4.1.3 Усиление экранирования и заземления линий питания

Линии питания являются одним из важных путей распространения электромагнитных помех. Чтобы снизить электромагнитные помехи на линиях питания, используются экранированные кабели, обернутые в металлический экран, что снижает излучение и взаимные помехи электромагнитных волн. Одновременно убедитесь в хорошем заземлении линий питания, направляя помеховый ток в землю, чтобы избежать повреждения EVT.

4.2 Защита от электростатических разрядов на сигнальных портах
4.2.1 Установка компонентов поглощения переходных помех

Компоненты поглощения переходных помех, такие как TVS-диоды и варисторы, могут быстро поглощать энергию разряда при электростатическом разряде и контролировать напряжение на безопасном уровне, защищая внутренние электронные компоненты EVT от повреждений. При выборе компонентов поглощения переходных помех выбирайте подходящую модель и спецификацию в соответствии с характеристиками сигнала и условиями работы EVT.

4.2.2 Использование метода дифференциальной передачи сигнала

Метод дифференциальной передачи сигнала эффективно противостоит общемодовым помехам и улучшает антипомеховую способность сигнала. В дизайне сигнальных портов EVT используется метод дифференциальной передачи сигнала, при котором сигнал делится на положительный и отрицательный каналы. Эффективная информация извлекается путем сравнения различий сигнала между двумя каналами, что не только улучшает качество передачи сигнала, но и снижает влияние электростатического разряда на EVT.

4.3 Оптимизация экранирования корпуса
4.3.1 Выбор материалов с высокой магнитной проницаемостью

Выбор материала для корпуса имеет решающее значение для эффективности экранирования. Для улучшения способности экранирования магнитного поля корпуса выбираются материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как железные пластины, которые могут эффективно поглощать и рассеивать энергию магнитного поля, снижая влияние магнитного поля на внутренние компоненты EVT. Относительная магнитная проницаемость металлов представлена в таблице 1.

4.3.2 Оптимизация структурного дизайна корпуса

Структурный дизайн корпуса также является важным фактором, влияющим на эффективность экранирования. В дизайне корпуса EVT используется полностью закрытая экранирующая структура, обеспечивающая хороший контакт и заземление между различными поверхностями.

4.3.3 Усиление заземления корпуса

Заземление корпуса имеет решающее значение для эффективности экранирования. В дизайне корпуса EVT необходимо обеспечить хорошее заземление между корпусом и землей, направляя помеховый ток в землю.

Они также излучают помехи, такие как высокочастотные гармоники и электромагнитное излучение, влияющие на другие устройства. При проектировании необходимо учитывать эти проблемы помех и чувствительности, принимая меры по подавлению и защите.

5 Заключение

В данной статье проводится углубленное исследование и проектирование электромагнитной совместимости электронных трансформаторов напряжения. Предлагается ряд мер, включая принципы проектирования схем, принципы внутреннего структурного проектирования и стратегии улучшения электромагнитной совместимости. Цель состоит в том, чтобы улучшить антипомеховую способность и стабильность EVT в сложных электромагнитных средах, обеспечивая точное и надежное измерение сигналов напряжения в системах энергоснабжения, и предоставляя прочную гарантию для безопасной и стабильной работы систем энергоснабжения.