Načrtovanje in izboljšanje preskusov zmogljivosti EMC za elektronske napetostne transformatorje

1 Pregled EMC zmogljivosti elektronskih napetostnih transformatorjev
1.1 Definicija & zahtevi za EMC

Elektromagnetska združljivost (EMC) označuje sposobnost naprave/sistema, da deluje nenarušeno v dani elektromagnetni okolju in ne povzroča nesprejemljive elektromagnetske motnje drugim entitetam. Za elektronske napetostne transformatorje zahteva EMC stabilno merilno delovanje v kompleksnih okoljih, brez motenja drugih naprav. Njihova EMC zmogljivost mora biti upoštevana in zagotovljena med oblikovanjem in proizvodnjo.

1.2 Delovni način

Elektronski napetostni transformatorji izkoriščajo elektromagnetsko indukcijo in visokonatančno elektronsko meritve, da pretvorijo visoke-napetostne signale v električnih sistemih v nizkenapetostne. Običajno so sestavljeni iz primarnega senzorja, sekundarnega pretvorbnega črta in enote za obdelavo signala: primarni senzor pretvarja visoke-napetostne signale v šibke tok/napetosti, sorazmerne z primarno napetostjo; sekundarni črt nadalje pretvarja te v standardne digitalne/analogne signale; enota za obdelavo filtrira, pojača in kalibrira signale, da izboljša natančnost in stabilnost meritve. Merijo lahko napetost, tok in moč enega kruga (kot je prikazano na Sliki 1), ali napetost/tok enega ali več krugov.

1.3 Analiza elektromagnetske motnje & občutljivosti

Elektronski napetostni transformatorji so podvrženi elektromagnetskim motnjam od drugih električnih naprav (npr., impulsi od bleska, prehodni previsoke napetosti zaradi operacij preklopnikov), kar degradira merilno zmogljivost (npr., povečane napake, nestabilni branji).

2 Analiza testov elektromagnetske združljivosti za elektronske napetostne transformatorje (EVT)
2.1 Vsebina testa in kriteriji ocenjevanja

Test elektromagnetske združljivosti EVT-ja je ključen korak za zagotovitev njegovega stabilnega in natančnega delovanja v dejanskem delovnem okolju. Test se osredotoča na ocenjevanje zmogljivosti EVT-ja proti motnjam in njegove zmogljivosti pod različnimi elektromagnetskimi motnjami. Kriteriji ocenjevanja so razdeljeni na stopnjo A in stopnjo B glede na težavnost rezultatov testiranja:

• Stopnja A: Ohranja normalno delovanje znotraj mej natančnosti. Ocena zahteva, da ko je EVT podvržen elektromagnetskim motnjam, njegova merilna natančnost ostane znotraj določenih mej. To zagotavlja, da izhodni signal napetosti ustreza dejanski vrednosti in ne moti normalnega nadzora in upravljanja električnega sistema.

• Stopnja B: Dovoljuje začasno degradacijo merilne zmogljivosti, ki ni povezana z funkcijami zaščite. Kriteriji dovoljujejo začasne padce merilne zmogljivosti pod elektromagnetskimi motnjami, pod pogojem, da to ne vpliva na normalno delovanje funkcij zaščite ali ne povzroča ponastavitve/restarta naprave. Izhodna napetost mora biti omejena na 500 V, da se izogne nepotrebnim motnjam ali poškodbe električnega sistema.

2.2 Testi kondukcijskih motenj

Kondukcijske motnje se nanašajo na elektromagnetske motnje, prenesene preko vodnih poti (npr., žice, kovinske cevi). Za EVT-je so kondukcijske motnje velika izziv.

• Test hitre prehodne motnje/bistva (EFT/B): Simulira prehodne motnje od induktivnih obremenitev (npr., releji, kontaktorji) med preklopanjem, ki tipično imajo široko spektralno širino in lahko motijo delovanje EVT-ja. Test uporablja serijo hitrih prehodnih bistev na EVT, opazuje stabilnost in natančnost izhodnega signala napetosti, da oceni zmogljivost proti motnjam.

• Test odpornosti na udar (impuls): Simulira prehodne previsoke napetosti/tokove od operacij preklopnikov, udarcov bleska itd. Te dogodki nosijo visoko energijo in kratke trajanje, hudo vplivajo na izolacijo in merilno natančnost EVT-ja. Test uporablja udarne napetosti na EVT, da preveri njegovo zmogljivost, da izdrži motnje brez poškodbe ali degradacije zmogljivosti.

2.3 Testi radiacijskih motenj

• Test odpornosti na magnetovalno polje frekvence strma: Oceni delovanje EVT-ja v okolju magnetovalnega polja frekvence strma. Z uporabo kontrolirovanega magnetovalnega polja frekvence strma, test opazuje stabilnost in natančnost izhodnega signala napetosti, da oceni zmogljivost proti motnjam.

• Test odpornosti na dušenje oscilatornega magnetovalnega polja: Simulira dušenje oscilatornega magnetovalnega polja, generirano pri operacijah izolacijskih preklopnikov na visokonapetostnih busbarjih v visokonapetostnih preobrazovalnih postajah. Ta polja imajo hitre stope dušenja in visoke frekvence, ki lahko motijo merilno natančnost EVT-ja. Test uporablja dušenje oscilatornega magnetovalnega polja, da preveri, ali EVT ohranja stabilno merilno delovanje.

• Test odpornosti na pulsni magnetovalni polj: Simulira pulsne magnetovalne polja od udarcov bleska na zgradbah ali drugih kovinskih strukturah. Ti polji imajo hitre vzponne čase in visoke vrhove, ki ogrožajo izolacijo in merilno natančnost EVT-ja. Test uporablja pulsne magnetovalne polja, da preveri zmogljivost EVT-ja, da izdrži motnje brez poškodbe ali degradacije zmogljivosti.

• Test odpornosti na radiofrekvenčno radiacijsko elektromagnetsko polje: Oceni delovanje EVT-ja v okolju radiofrekvenčne (RF) radiacijskega polja (npr., industrijski elektromagnetski viri, radijski oddaji, mobilne komunikacijske bazne postaje). Z uporabo kontrolirovanih RF radiacijskih polj, test opazuje stabilnost in natančnost izhodnega signala napetosti, da oceni zmogljivost proti motnjam.

3 Načela oblikovanja elektromagnetske združljivosti elektronskih napetostnih transformatorjev
3.1 Načela oblikovanja črta

• Oblikovanje plavajoče zemlje: V oblikovanju črta uporabite tehnologijo plavajoče zemlje, da izolirate signalkne od šassi. To prepreči, da bi motilni toki na šassi neposredno sklopili v signalkni črt, kar zmanjša motnje in izboljša natančnost in stabilnost signala.

• Racionalna postavitev žic: Pravilno razstavite napajalne žice, zemlje in različne signalkne – to je ključno za zmanjšanje motenj sklopitve. V oblikovanju črta EVT-ja zagotovite, da je med žicami minimalna sklopitvena motnja. Metode, kot so slojevita postavitev žic in ortogonalna postavitev (da se izognete vzporednim žicam), zmanjšajo elektromagnetsko indukcijo in kapacitivno sklopitveno motnjo.

• Oblikovanje filtrovskih kondenzatorjev: Uvedite filtrovski kondenzatorji na vhodu napajačega modula, da zanikate motilne signale, ki vstopajo preko napajalne napetosti. Izberite kondenzatorje glede na parametre, kot so kapacitivnost, napetostna ocena in frekvenčne lastnosti, da učinkovito filtrirate visokofrekvenčne motnje in motnje iz napajalne napetosti.

• Oblikovanje nizkonivojske logike: Izogibajte se nepotrebno visokim logičnim nivojem, da zmanjšate porabo moči črta in visokofrekvenčne motnje. V oblikovanju črta EVT-ja prednost dajte nizkonivojskim logičnim napravam (npr., 3.3 V naprave), da zmanjšate emisijo in sprejem visokofrekvenčnih motenj.

• Kontrola časa vzpona/padenja: Izberite najpočasnejše dovoljene čase vzpona in padenja (znotraj omejitev funkcije črta), da se izognejo nepotrebnim visokofrekvenčnim komponentam. To pomaga zmanjšati visokofrekvenčne motnje v črtu in izboljša stabilnost in natančnost signala.

3.2 Načela oblikovanja notranje strukture

• Polnoma zaprta ščitna struktura: Uporabite polnoma zaprt ščit za šassi, da zagotovite dober stik med vsemi površinami in pravilno zemljenje. To učinkovito blokira zunanje elektromagnetsko polje, zaščiti notranje elektronske črte pred zunanji motnjami.

• Zmanjšanje dolžine odprtih žic: Držite vse odprte žice znotraj šassi čim krajše, da zmanjšate elektromagnetsko radiacijo in sklopitvene motnje. V notranjem oblikovanju EVT-ja optimizirajte postavitev in razporedite komponente, da zmanjšate dolžine odprtih žic.

• Skupina in gručenje žic: Skupine žic po tipu signala (npr., ločite digitalne in analogne linije) in ohranjajte ustrezno razmakanje med skupinami. To zmanjša preskrbo med žicami, izboljša jasnost in natančnost signala.

• Lepljenje vodljivimi lepicami: Uporabite vodljive lepilnice na vseh mejah šassi, da zagotovite dobro električno povezavo in učinkovitost ščita. To zniža upornost stika in izboljša učinkovitost ščita.

4 Strategije za izboljšanje zmogljivosti elektromagnetske združljivosti elektronskih napetostnih transformatorjev
4.1 Anti-motnje oblikovanje napajalnega vhoda
4.1.1 Namestite napajalne filtre

Napajalni filter je učinkovit naprava za zanikanje elektromagnetskih motenj, ki lahko filtrira visokofrekvenčne motnje in prehodne impulze v napajalni napetosti, zagotavlja čistoćo napajalnega vhoda. Pri izbiri napajalnega filtra izberite primeren model in specifikacije glede na nominalno moč in delovno okolje EVT-ja, in zagotovite, da je filter nameščen blizu napajalnega vhoda za najboljši efekt filtriranja.

4.1.2 Uvedite redundantno napajanje

Za izboljšanje zanesljivosti napajanja EVT-ja je uveden redundantni dizajn napajanja, to je, dva ali več napajalnih modulov so konfigurirani. Ko en napajalni modul zamenja, druge napajalne module lahko hitro prevzamejo nalogo napajanja, da zagotovijo normalno delovanje EVT-ja. To ne samo izboljša zmogljivost proti motnjam EVT-ja, ampak tudi izboljša njegovo celotno stabilnost.

4.1.3 Okrepiti ščit in zemljenje napajalnih žic

Napajalne žice so ena od pomembnih poti za širjenje elektromagnetskih motenj. Za zmanjšanje elektromagnetskih motenj na napajalnih žicah se uporabljajo ščitne kabelske žice, da obtočijo napajalne žice v kovinski ščit, zmanjšajo radiacijo in sklopitvene motnje elektromagnetskih valov. Hkrati zagotovite dobro zemljenje napajalnih žic, da usmerite motilni tok v zemljo, da se izogne poškodbe EVT-ja.

4.2 Zaščita signalknih vhodov pred statičnimi razlagami
4.2.1 Namestite komponente za absorpcijo prehodnih motenj

Komponente za absorpcijo prehodnih motenj, kot so Transient Voltage Suppressors (TVS) in varistorji, lahko hitro absorpirajo razladno energijo med statičnimi razladami in kontrolirajo napetost znotraj varne ravni, zaščitijo notranje elektronske komponente EVT-ja pred poškodbo. Pri izbiri komponent za absorpcijo prehodnih motenj izberite primeren model in specifikacije glede na znake signala in delovno okolje EVT-ja.

4.2.2 Uvedite metodo diferencialne prenose signala

Metoda diferencialnega prenosa signala lahko učinkovito odpornost proti skupnemu načinu motenj in izboljša zmogljivost proti motnjam signala. V oblikovanju signalknih vhodov EVT-ja je uporabljena metoda diferencialnega prenosa signala, ki signale razdeli na pozitivne in negativne kanale za prenos. Učinkovito informacije so izluščene s primerjanjem razlik med signali v dveh kanalih, kar ne le izboljša kakovost prenosa signala, ampak tudi zmanjša motnje statičnih razlad na EVT-ju.

4.3 Optimalizacija zmogljivosti ščita šassi
4.3.1 Izberite materiale z visoko magnetno prepustnostjo

Izbira materiala za šassi je ključna za učinkovitost ščita. Za izboljšanje zmogljivosti ščita šassi so izbrani materiali z visoko magnetno prepustnostjo, kot so železne plošče, ki učinkovito absorpirajo in disperzirajo energijo magnetovalnega polja ter zmanjšajo motnje magnetovalnega polja notranjosti EVT-ja. Relativna magnetna prepustnost kovin je prikazana v Tabeli 1.

4.3.2 Optimalizacija strukturnega oblikovanja šassi

Strukturno oblikovanje šassi je tudi pomembna dejavnik, ki vpliva na učinkovitost ščita. V oblikovanju šassi EVT-ja je uporabljena polnoma zaprta ščitna struktura, da se zagotovi dober stik in zemljenje med različnimi površinami.

4.3.3 Okrepiti zemljenje šassi

Zemljenje šassi je ključno za učinkovitost ščita. V oblikovanju šassi EVT-ja je potrebno zagotoviti dobro zemljenje med šassi in zemljo, da usmerite motilni tok v zemljo.

Tudi oni emitirajo motnje, kot so visokofrekvenčne harmonike in elektromagnetska radiacija, ki vplivajo na druge naprave. Pri oblikovanju je potrebno rešiti te motnje in občutljivosti z metodami za zanikanje in zaščito.

5 Zaključek

Ta članek vključuje globoko raziskovanje in oblikovanje zmogljivosti elektromagnetske združljivosti elektronskih napetostnih transformatorjev. Predlagana je serija ukrepov, vključno z načeli oblikovanja črta, načeli oblikovanja notranje strukture in strategijami za izboljšanje zmogljivosti elektromagnetske združljivosti. Cilj je izboljšati zmogljivost proti motnjam in stabilnost EVT-ja v kompleksnih elektromagnetskih okoljih, zagotoviti, da lahko natančno in zanesljivo meri napetostne signale v električnih sistemih, in zagotoviti močno jamstvo za varno in stabilno delovanje električnih sistemov.