С рязко развитие на електроенергийните системи, електронните волтметрови трансформатори (EVTs), като ключови измервателни устройства в електроенергийните системи, техната стабилност и надеждност са от решаващо значение за безопасната и стабилна работа на електроенергийните системи. Електромагнитната съвместимост (EMC), като един от основните показатели на EVTs, е пряко свързана с възможността на устройството да работи нормално в сложни електромагнитни среди и дали ще причини електромагнитно възмущение на други устройства. Провеждането на дълбоки изследвания и проектиране на EMC-то на EVTs има голямо значение за подобряване на обща стабилността и безопасността на електроенергийните системи.
1 Обзор на електромагнитната съвместимост на електронните волтметрови трансформатори
1.1 Дефиниция и изисквания за електромагнитна съвместимост
Електромагнитната съвместимост (EMC) означава способността на устройство или система да работят нормално без възмущения в конкретна електромагнитна среда и да не причиняват неприемливо електромагнитно възмущение на други неща в околната среда. За EVTs те трябва да поддържат стабилни измервателни характеристики в сложни електромагнитни среди и да не причиняват електромагнитно възмущение на други устройства. Следователно, при проектирането и производството на EVTs, EMC-то трябва да бъде взето предвид и да се формулират съответни мерки за защита.
1.2 Работен принцип на електронните волтметрови трансформатори
EVTs използват принципа на електромагнитната индукция и високопрецизни електронни измервателни технологии, за да преобразуват високонапрегнати сигнали в електроенергийните системи в нисконапрегнати сигнали. Те обикновено се състоят от първичен сензор, вторичен преобразувателен контур и единица за обработка на сигнали. Първичният сензор е отговорен за преобразуване на високонапрегнати сигнали в слаби ток/напруга сигнали, пропорционални на първичната напрегнатост; вторичният преобразувателен контур по-нататък преобразува слабите сигнали в стандартни цифрови/аналогови сигнали; единицата за обработка на сигнали подобрява точността и стабилността на измерването чрез операции като филтриране, усилване и калибриране. EVTs могат да покриват различни форми, като електронни волтметрови трансформатори за измерване на единичен/множествен напрегнатост, електронни амперметрови трансформатори за измерване на единичен/множествен ток, или интегрирани трансформатори, както е показано на Фигура 1, които измерват еднопосочна напрегнатост, ток и съответната мощност едновременно.
1.3 Анализ на електромагнитното възмущение и електромагнитна чувствителност
EVTs са уязвими за външно електромагнитно възмущение в електромагнитната среда, като удари на мълнии и преходни повишения на напрегнатостта от операции със затвори, които могат да причинят проблеми като увеличена грешка при измерването и нестабилни данни; в същото време, високочестотните хармоници и електромагнитното излъчване, генерирано от самите EVTs, също може да възмущава друго електрическо оборудване. Следователно, при проектирането на EVTs, проблемите с електромагнитното възмущение и електромагнитна чувствителност трябва да бъдат напълно взети предвид, и да се предприемат мерки за потискане и защита.
Тестовете на EMC-то на EVTs са ключов елемент за гарантиране на тяхната стабилност и точност при действителната работа. Те се фокусират върху устойчивостта към възмущения и класифицират оценъчните стандарти като Клас A и Клас B според степента на тестовете:
2 Анализ на тестовете за електромагнитна съвместимост на електронните волтметрови трансформатори
2.1 Съдържание на тестовете и оценъчни стандарти
Клас A: Изисква се, когато EVTs са подложени на електромагнитно възмущение, точността на измерването да остане в рамките на спецификационните граници, и изходният сигнал на напрегнатостта да е съвпадащ с реалната стойност, без да влияе на мониторинга и контрола на електроенергийната система.
Клас B: Позволява временна намалена измервателна характеристика (частта, несвързана с защитата) на EVTs, но тя не трябва да влиза в конфликт с изпълнението на защитни функции, и оборудването не трябва да бъде рестартирано/рестартнато; изходната напрегнатост трябва да бъде контролирана до 500V, за да се избегне възмущението на електроенергийната система.
2.2 Тестове за проводимо възмущение
Проводимото възмущение се разпространява през проводящи пътища, като жици и метални тръби, и е един от основните типове електромагнитно възмущение, с което се сблъскват EVTs. То включва два типа тестове:
Тест за електрически бърз транзиент/избухналост: Симулира преходното възмущение (с широка честотна лента), когато индуктивни товари, като реле и контактни превключватели, са отключени. Прилага бърз транзиентен избух на EVT, наблюдава стабилността и точността на изходния сигнал на напрегнатостта, и оценява устойчивостта към възмущения.
Тест за имунитет към удар (ударна имунитет): Симулира преходни повишения на напрегнатостта/ток, причинени от операции със затвори и удари на мълнии (с голяма енергия и кратък период). Прилага ударна напрегнатост с определена амплитуда към EVT, за да тестира издържливостта и стабилността на характеристиките на оборудването.
2.3 Тестове за радирано възмущение
Включва четири типа тестове, за да симулира възмущения в различни електромагнитни среди:
Тест за имунитет към сетивна честота магнитно поле: Прилага сетивна честота магнитно поле с определена интензивност към EVT, наблюдава стабилността и точността на изходния сигнал на напрегнатостта, и оценява устойчивостта към възмущения в средата на сетивна честота магнитно поле.
Тест за имунитет към затихващо осцилиращо магнитно поле: Симулира затихващото осцилиращо магнитно поле (с бързо затихване и висока честота), генерирано, когато разделител в високонапрегнато подстанция превключва шината. Прилага съответното магнитно поле към EVT, за да тестира стабилността на измервателните характеристики.
Тест за имунитет към пулсиращо магнитно поле: Симулира пулсиращото магнитно поле (с бързо възходящо и високо пиково значение), генерирано от удари на мълнии върху метални компоненти. Прилага пулсиращо магнитно поле към EVT, за да провери дали изолационните характеристики и точността на измерването на оборудването са засегнати.
Тест за имунитет към радио честотно радирано електромагнитно поле: Симулира паразитно излъчване от индустриални електромагнитни източници, радио емисии/мобилни комуникационни базови станции и т.н. Прилага радио честотно електромагнитно поле с определена интензивност към EVT, наблюдава стабилността на изходния сигнал, и оценява устойчивостта към възмущения.
3 Принципи на проектиране за електромагнитна съвместимост на електронните волтметрови трансформатори
3.1 Принципи на проектиране на вериги
Дизайн на пловеща земя: Прилага технология за пловеща земя, за да изолира сигналените вериги от корпуса, блокира съчетаването на възмущаващи токове на корпуса към сигналената верига, намалява шума и подобрява точността и стабилността на сигнала.
Разумна разположение на кабели: Оптимизира разположението на захранващи източници, земи и сигнали. Намалява паралелното разпределение на кабели и минимизира съчетаването на възмущения между кабели чрез методи като слоисто разположение и праволинейно разположение.
Дизайн на филтриращи кондензатори: Конфигурира филтриращи кондензатори на входа на модулния захранващ източник. Избира кондензаторите въз основа на фактори като капацитет, напрежение и честотни характеристики, за да филтрира високочестотен шум и възмущения, внесени от захранващия източник.
Дизайн на нискоуровнева логика: Дава приоритет на нискоуровневи логически устройства (като 3.3V уровни) за да се избегнат ненужни високи логически нива, намалява потреблението на енергия от веригата и генерирането на високочестотни възмущения.
Контрол на времетраене на нарастване/спадане: Избира най-бавното допустимо времетраене на нарастване/спадане, за да потисне ненужни високочестотни компоненти, намали високочестотния шум в веригата и подобри стабилността и точността на сигнала.
3.2 Принципи на проектиране на вътрешната структура
Пълно затворена защитна структура: Корпусът използва пълно затворена защитна конструкция, за да осигури добър контакт и заземяване на всяка повърхност, ефективно да блокира външното електромагнитно поле възмущение, и да защити вътрешните електронни вериги.
Минимизация на изложени кабели: Съкращава дължината на изложените кабели в корпуса, чрез оптимизация на разположението и разумно подреждане на компонентите, за да се намали електромагнитното излъчване и съчетаването на възмущения.
Групиране на кабели: Групира кабели въз основа на типовете сигнали (разделение на цифрови и аналогови сигнали), и поддържа определена дистанция, за да намали взаимното влияние между кабелите и да подобри яснотата и точността на сигнала.
Залепване с проводещ клей: Използва проводещ клей за залепване на интерфейса на корпуса, за да осигури електрическо свързване и защитен ефект, намали контактното съпротивление, и подобри ефективността на защитата.
4 Стратегии за подобряване на електромагнитната съвместимост на електронните волтметрови трансформатори
4.1 Антивъзмущаващ дизайн на захранващите портове
Инсталирайте захранващи филтри: Изберете подходящи захранващи филтри въз основа на номиналната мощност и работна среда на EVT, и ги инсталирайте близо до входа за захранване, за да филтрирате високочестотен шум и преходни импулси, и да гарантирате чистотата на захранването.
Използвайте резервен дизайн на захранването: Конфигурирайте множество модули за захранване. Когато един модул се повреди, останалите модули бързо приемат захранването, подобрявайки надеждността, устойчивостта към възмущения и общата стабилност на EVT.
Подобрете защитата и заземяването на захранващите кабели: Използвайте защитени кабели за обвиване на захранващите кабели, за да намалите електромагнитното излъчване и съчетаването; осигурете добро заземяване на кабелите, въведете възмущаващите токове в земята, и избегнете повредата на EVT.
4.2 Защита от електростатично възмущение на сигналените портове
Инсталирайте устройства за абсорбция на преходни възмущения: Изберете подходящи диоди за подаване на преходни напрежения (TVS), варистири и други устройства. Тези устройства могат бързо да абсорбират енергия при електростатично възмущение, контролират напрегнатостта в безопасен диапазон, и защитават вътрешните електронни компоненти.
Използвайте метод за диференциална передача на сигнали: Разделете сигнала на положителен и отрицателен канал за диференциална передача. Използвайте разликата между каналите, за да извлечете ефективна информация, противодействайте общомодовото възмущение, подобрете качеството на сигналената передача, и намалете възмущението от електростатично възмущение.
4.3 Оптимизация на защитната способност на корпуса
Изберете материали с висока магнитна проницаемост: Давайте приоритет на материали с висока магнитна проницаемост, като железни плочи, за да направите корпуса, подобрете способността за защита от магнитно поле, абсорбирайте и разпространете енергията на магнитното поле, и намалете възмущението вътре в EVT (относителната магнитна проницаемост на метали е показана в Таблица 1).
Оптимизирайте конструкцията на корпуса: Прилагайте пълно затворена защитна конструкция, за да осигурите добър контакт и заземяване на всяка повърхност на корпуса, и да подобрите защитния ефект.
Подобрете заземяването на корпуса: Осигурете надеждно заземяване между корпуса и земята, въведете възмущаващите токове в земята, и подобрете ефективността на защитата.
5 Заключение
Този труд провежда дълбоко изследване на EMC-то на EVTs, предлага принципи от гледна точка на проектирането на вериги и вътрешната структура, и формулира стратегии като антивъзмущаващ дизайн на захранващите портове, защита от електростатично възмущение на сигналените портове, и оптимизация на защитната способност на корпуса. Целта е да се подобри устойчивостта към възмущения и стабилността на EVTs в сложни електромагнитни среди, да се гарантира точното и надеждно измерване на сигнали на напрегнатостта в електроенергийните системи, и да се постави здравна основа за безопасната и стабилна работа на електроенергийните системи.
