S rychlým rozvojem elektrických systémů se elektronické napěťové transformátory (EVTs), jako klíčové měřicí zařízení v elektrických systémech, stávají pro bezpečné a stabilní fungování elektrických systémů zásadní. Výkonnost elektromagnetické kompatibility (EMC), jako jeden z hlavních ukazatelů EVTs, je přímo spojena s schopností zařízení pracovat normálně v komplexních elektromagnetických prostředích a s tím, zda bude zařízení způsobovat elektromagnetickou interferenci jiným zařízením. Hluboké výzkumy a návrhy na výkon EMC EVTs mají velký význam pro zlepšení celkové stability a bezpečnosti elektrických systémů.
1 Přehled výkonnosti elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů
1.1 Definice a požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu
Elektromagnetická kompatibilita (EMC) znamená schopnost zařízení nebo systému pracovat bez rušení v konkrétním elektromagnetickém prostředí a nezpůsobovat nepřijatelné elektromagnetické rušení ostatním v tomto prostředí. Pro EVTs je nutné udržovat stabilní měřicí výkon v komplexních elektromagnetických prostředích a nezpůsobovat elektromagnetickou interferenci jiným zařízením. Proto musí být výkon EMC brán v úvahu během fází návrhu a výroby EVTs a musí být stanoveny odpovídající ochranné opatření.
1.2 Princip práce elektronických napěťových transformátorů
EVTs používají princip elektromagnetické indukce a vysokopřesnou elektronickou měřicí technologii k převodu vysokonapěťových signálů v elektrických systémech na nízkonapěťové signály. Obvykle se skládají z primárního čidlo, sekundárního převodního obvodu a jednotky zpracování signálů. Primární čidlo je odpovědné za převod vysokonapěťových signálů na slabé proudové/napěťové signály úměrné k primárnímu napětí; sekundární převodní obvod dále převede slabé signály na standardní digitální/analogové signály; jednotka zpracování signálů zlepšuje přesnost a stabilitu měření prostřednictvím operací jako filtrace, zesilování a kalibrace. EVTs mohou pokrýt různé formy, jako jsou elektronické napěťové transformátory pro měření jedno-/vícekanalového napětí, elektronické proudové transformátory pro měření jedno-/vícekanalového proudu, nebo integrované transformátory, jak je znázorněno na obrázku 1, které současně měří jednosměrné napětí, proud a odpovídající výkon.
1.3 Analýza elektromagnetického rušení a elektromagnetické citlivosti
EVTs jsou zranitelné vůči externímu elektromagnetickému rušení v elektromagnetickém prostředí, jako jsou blesky a přechodné přetěžování z operací spínače, což může způsobit problémy jako zvýšené chyby měření a nestabilitu dat; zároveň vysokofrekvenční harmonické a elektromagnetické záření vygenerované samotnými EVT mohou také rušit další elektrické zařízení. Proto je třeba při návrhu EVTs plně zohlednit problémy s elektromagnetickým rušením a elektromagnetickou citlivostí a provést potlačovací a ochranná opatření.
Test výkonnosti EMC EVTs je klíčovým krokem k zajištění jejich stability a přesnosti v reálné praxi. Soustředí se na odolnost proti rušení a dělí hodnocení do tříd A a B podle závažnosti výsledků testů:
2 Analýza testů výkonnosti elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů
2.1 Obsah testů a hodnotící standardy
Třída A: Požaduje, aby při vystavení EVTs elektromagnetickému rušení zůstala přesnost měření v rámci specifikovaných limitů a výstupní napěťový signál byl shodný s reálnou hodnotou bez ovlivnění monitoringu a řízení elektrického systému.
Třída B: Dovoluje dočasné snížení měřicího výkonu (část nesouvisející s ochranou) EVTs, ale nesmí to ovlivnit provádění ochranných funkcí a zařízení nemusí být resetováno/restartováno; výstupní napětí musí být kontrolováno do 500V, aby nedocházelo k rušení elektrického systému.
2.2 Testy vedoucího rušení
Vedoucí rušení se šíří přes vodiče, jako jsou dráty a kovové trubky, a je jedním z hlavních typů elektromagnetického rušení, kterému čelí EVTs. Zahrnuje dva typy testů:
Test rychlého přechodového impulzu/burzy: Simuluje přechodné rušení (s širokým frekvenčním spektrem) při odpojení indukčních zatížení, jako jsou relé a kontaktory. Při aplikaci rychlé burzy na EVT se pozoruje stabilita a přesnost výstupního napěťového signálu a hodnotí se odolnost proti rušení.
Test imunitního vlivu přechodů (impakt): Simuluje přechodné přetěžování/přetoky způsobené operacemi spínačů a blesky (s vysokou energií a krátkou dobou trvání). Při aplikaci přechodového napětí určité amplitudy na EVT se testuje odolnost a stabilita výkonu zařízení.
2.3 Testy rozměrového rušení
Zahrnuje čtyři typy testů, které simulují rušení v různých elektromagnetických prostředích:
Test imunity vůči síťovému magnetickému poli: Při aplikaci síťového magnetického pole určité intenzity na EVT se pozoruje stabilita a přesnost výstupního napěťového signálu a hodnotí se odolnost proti rušení v prostředí síťového magnetického pole.
Test imunity vůči tlumenému oscilatorickému magnetickému poli: Simuluje tlumené oscilatorické magnetické pole (s rychlým zanikáním a vysokou frekvencí) generované při přepínání sběrnice vysokovoltovou oddělovačem. Při aplikaci odpovídajícího magnetického pole na EVT se testuje stabilita měřicího výkonu.
Test imunity vůči pulznímu magnetickému poli: Simuluje pulzní magnetické pole (s rychlým vzestupem a vysokou vrcholem) generované blesky na kovových komponentách. Při aplikaci pulzního magnetického pole na EVT se ověřuje, zda je izolační vlastnost a přesnost měření zařízení ovlivněna.
Test imunity vůči radiofrekvenčnímu rozměrovému elektromagnetickému poli: Simuluje parazitní záření z průmyslových elektromagnetických zdrojů, rádiových vysílačů/mobilních komunikačních stanic atd. Při aplikaci radiofrekvenčního elektromagnetického pole určité intenzity na EVT se pozoruje stabilita výstupního signálu a hodnotí se odolnost proti rušení.
3 Návrhové principy elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů
3.1 Principy návrhu obvodů
Návrh plovoucího zemnění: Použití technologie plovoucího zemnění k izolaci signálových vodičů od skříně, blokování kouplování rušivých proudů na skříni do signálového obvodu, snížení šumu a zlepšení přesnosti a stability signálu.
Rozumné uspořádání vedení: Optimalizace uspořádání zdrojů napájení, zemnění a signálových vodičů. Snížení paralelní distribuce vedení a minimalizace kouplového rušení mezi vedeními metodami, jako je vrstvené uspořádání a kolmé uspořádání.
Návrh filtračních kondenzátorů: Konfigurace filtračních kondenzátorů na vstupu modulového zdroje napájení. Vybrání kondenzátorů na základě faktorů, jako je kapacitní hodnota, výdrž napětím a frekvenční charakteristiky, k filtrování vysokofrekvenčního šumu a rušení zavedeného zdrojem napájení.
Návrh nízké logiky: Preferování nízkých logických zařízení (jako jsou zařízení na úrovni 3.3V) k zabránění nezbytným vysokým logickým úrovním, snížení spotřeby energie obvodu a generování vysokofrekvenčního rušení.
Řízení času vzestupu/spadu: Výběr nejpomalejšího povoleného času vzestupu/spadu pro funkci obvodu k potlačení nepotřebných vysokofrekvenčních složek, snížení vysokofrekvenčního šumu v obvodu a zlepšení stability a přesnosti signálu.
3.2 Principy návrhu vnitřní struktury
Úplně uzavřená štítovací struktura: Skříň má úplně uzavřený štítovací návrh, který zajistí dobrý kontakt a zemnění každé plochy, efektivně blokuje vnější elektromagnetické pole a chrání vnitřní elektronické obvody.
Minimalizace expozice vedení: Zkrácení délky expozovaných vedení v skříni optimalizací uspořádání a rozumným umístěním komponent k snížení elektromagnetického záření a kouplového rušení.
Skupinové svazování vedení: Svazování vedení podle typu signálu (oddělení digitálních a analogových signálů) a udržení určité vzdálenosti k snížení vzájemného vlivu vedení a zlepšení jasnosti a přesnosti signálu.
Štítování pomocí vodivé lepidlo: Použití vodivého lepidla pro spojení na rozhraní skříně k zajištění elektrického spojení a štítového efektu, snížení kontaktového odporu a zlepšení efektivity štítování.
4 Strategie pro zlepšení výkonnosti elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů
4.1 Anti-rušivý návrh portů napájení
Instalace filtrů napájení: Výběr vhodných filtrů napájení podle nominálního výkonu a pracovního prostředí EVT a jejich instalace blízko vstupu napájení k filtrování vysokofrekvenčního šumu a přechodových impulsů a zajištění čistoty napájení.
Použití redundantního návrhu napájení: Konfigurace více modulů napájení. Pokud selže jeden modul, zbývající moduly rychle převezmou napájení, což zlepší spolehlivost napájení, odolnost proti rušení a celkovou stabilitu EVT.
Posílení štítování a zemnění vedení napájení: Použití štítovaných kabelů k obalení vedení napájení k snížení elektromagnetického záření a kouplového rušení; zajištění dobrého zemnění vedení, zavedení rušivých proudů do země a zabránění poškození EVT.
4.2 Ochrana signalizačních portů před elektrostatickým vypalováním
Instalace zařízení pro absorpci přechodového rušení: Výběr vhodných diod pro potlačení přechodového napětí (TVS), varistorů a dalších zařízení. Tyto zařízení mohou rychle absorbovat energii během elektrostatického vypalování, kontrolovat napětí v bezpečném rozmezí a chránit vnitřní elektronické komponenty.
Použití diferenciální metody přenosu signálu: Rozdělení signálu na kladný a záporný kanál pro diferenciální přenos. Použití rozdílu signálů mezi kanály k extrakci efektivní informace, odolání společnému režimu rušení, zlepšení kvality přenosu signálu a snížení rušení elektrostatického vypalování.
4.3 Optimalizace štítovacího výkonu skříně
Výběr materiálů s vysokou permeabilitou: Preferování materiálů s vysokou magnetickou permeabilitou, jako jsou železné desky, pro výrobu skříně, posílení schopnosti štítování magnetického pole, absorbe a disperze energie magnetického pole a snížení rušení uvnitř EVT (relativní magnetická permeabilita kovů je uvedena v tabulce 1).
Optimalizace návrhu struktury skříně: Použití úplně uzavřené štítovací struktury k zajištění dobrého kontaktu a zemnění každé plochy skříně a posílení štítového efektu.
Posílení zemnění skříně: Zajištění spolehlivého zemnění mezi skříní a zemí, zavedení rušivých proudů do země a zlepšení efektivity štítování.
5 Závěr
Tento článek provedl hluboký výzkum výkonnosti EMC EVTs, navrhl principy z hlediska návrhu obvodů a vnitřní struktury a stanovil strategie, jako je anti-rušivý návrh portů napájení, ochrana signalizačních portů před elektrostatickým vypalováním a optimalizace štítovacího výkonu skříně. Cílem je zlepšit odolnost proti rušení a stabilitu EVTs v komplexních elektromagnetických prostředích, zaručit přesné a spolehlivé měření napěťových signálů v elektrických systémech a položit pevný základ pro bezpečné a stabilní fungování elektrických systémů.
