Con el rápido desarrollo de los sistemas de energía, los transformadores electrónicos de voltaje (EVTs), como dispositivos de medición clave en los sistemas de energía, su estabilidad y confiabilidad de rendimiento son cruciales para la operación segura y estable de los sistemas de energía. El rendimiento de compatibilidad electromagnética (EMC), como uno de los indicadores centrales de los EVTs, está directamente relacionado con la capacidad del dispositivo para funcionar normalmente en entornos electromagnéticos complejos y si causará interferencia electromagnética a otros dispositivos. Realizar una investigación y diseño profundos sobre el rendimiento EMC de los EVTs es de gran importancia para mejorar la estabilidad general y la seguridad de los sistemas de energía.
1 Resumen del rendimiento de compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje
1.1 Definición y requisitos de la compatibilidad electromagnética
La compatibilidad electromagnética (EMC) se refiere a la capacidad de un dispositivo o sistema para funcionar normalmente sin interferencias en un entorno electromagnético específico y no causar molestias electromagnéticas insoportables a otras cosas en el entorno. Para los EVTs, necesitan mantener un rendimiento de medición estable en entornos electromagnéticos complejos y no causar interferencia electromagnética a otros dispositivos. Por lo tanto, durante las etapas de diseño y fabricación de los EVTs, se debe considerar el rendimiento EMC y formular medidas de protección correspondientes.
1.2 Principio de funcionamiento de los transformadores electrónicos de voltaje
Los EVTs utilizan el principio de inducción electromagnética y la tecnología de medición electrónica de alta precisión para convertir señales de alto voltaje en sistemas de energía en señales de bajo voltaje. Generalmente constan de un sensor primario, un circuito de conversión secundaria y una unidad de procesamiento de señales. El sensor primario se encarga de convertir las señales de alto voltaje en señales de corriente/voltaje débiles proporcionales al voltaje primario; el circuito de conversión secundaria convierte aún más las señales débiles en señales digitales/análogas estándar; la unidad de procesamiento de señales mejora la precisión y estabilidad de la medición mediante operaciones como filtrado, amplificación y calibración. Los EVTs pueden cubrir diversas formas, como transformadores electrónicos de voltaje para medir voltajes de un solo canal/múltiples canales, transformadores electrónicos de corriente para medir corrientes de un solo canal/múltiples canales, o transformadores integrados que miden simultáneamente voltaje, corriente y potencia unidireccional, como se muestra en la Figura 1.
1.3 Análisis de la molestia electromagnética y la sensibilidad electromagnética
Los EVTs son vulnerables a la molestia electromagnética externa en el entorno electromagnético, como rayos y sobretensiones transitorias de las operaciones de interruptores, que pueden causar problemas como un aumento de los errores de medición y datos inestables; al mismo tiempo, los armónicos de alta frecuencia y la radiación electromagnética generados por los propios EVTs también pueden interferir con otros equipos eléctricos. Por lo tanto, al diseñar los EVTs, es necesario considerar plenamente los problemas de molestia electromagnética y sensibilidad electromagnética, y tomar medidas de supresión y protección.
La prueba de rendimiento EMC de los EVTs es un eslabón clave para garantizar su estabilidad y precisión en la operación real. Se enfoca en la capacidad anti-interferencia y clasifica los estándares de evaluación en Clase A y Clase B según la gravedad de los resultados de la prueba:
2 Análisis de las pruebas de rendimiento de compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje
2.1 Contenido de la prueba y estándares de evaluación
Clase A: Requiere que, cuando los EVTs se someten a molestias electromagnéticas, la precisión de medición permanezca dentro de los límites especificados, y la señal de voltaje de salida sea consistente con el valor real, sin afectar la supervisión y control del sistema de energía.
Clase B: Permite una disminución temporal en el rendimiento de medición (la parte no relacionada con la protección) de los EVTs, pero no debe afectar la ejecución de las funciones de protección, y el equipo no necesita ser reiniciado/reiniciado; el voltaje de salida debe estar controlado dentro de 500V para evitar interferir con el sistema de energía.
2.2 Pruebas de interferencia conducida
La interferencia conducida se propaga a través de rutas conductoras como cables y tuberías metálicas y es uno de los principales tipos de molestias electromagnéticas enfrentadas por los EVTs. Incluye dos tipos de pruebas:
Prueba de Transitorio Rápido/Burst: Simula la molestia transitoria (con un espectro de frecuencia amplio) cuando se desconectan cargas inductivas como relés y contactores. Aplica un burst de transitorio rápido al EVT, observa la estabilidad y precisión de la señal de voltaje de salida, y evalúa la capacidad anti-interferencia.
Prueba de Inmunidad a Sobretensiones (Impacto): Simula sobretensiones/transcorrientes transitorias causadas por operaciones de interruptores y rayos (con gran energía y corta duración). Aplica un voltaje de sobretensión de cierta amplitud al EVT para probar la capacidad de soporte y la estabilidad de rendimiento del equipo.
2.3 Pruebas de interferencia radiada
Incluye cuatro tipos de pruebas para simular interferencias en diferentes entornos electromagnéticos:
Prueba de Inmunidad al Campo Magnético de Frecuencia de Red: Aplica un campo magnético de frecuencia de red de cierta intensidad al EVT, observa la estabilidad y precisión de la señal de voltaje de salida, y evalúa la capacidad anti-interferencia en un entorno de campo magnético de frecuencia de red.
Prueba de Inmunidad al Campo Magnético Oscilatorio Amortiguado: Simula el campo magnético oscilatorio amortiguado (con rápida atenuación y alta frecuencia) generado cuando el interruptor de conexión en una subestación de alta tensión cambia la barra. Aplica el campo magnético correspondiente al EVT para probar la estabilidad del rendimiento de medición.
Prueba de Inmunidad al Campo Magnético Pulsado: Simula el campo magnético pulsado (con rápido ascenso y alto valor pico) generado por rayos en componentes metálicos. Aplica un campo magnético pulsado al EVT para verificar si el rendimiento de aislamiento y la precisión de medición del equipo se ven afectados.
Prueba de Inmunidad al Campo Electromagnético Radiado de Radiofrecuencia: Simula la radiación parasitaria de fuentes electromagnéticas industriales, emisoras de radio/estaciones base de comunicación móvil, etc. Aplica un campo electromagnético de radiofrecuencia de cierta intensidad al EVT, observa la estabilidad de la señal de salida, y evalúa la capacidad anti-interferencia.
3 Principios de diseño para la compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje
3.1 Principios de diseño de circuitos
Diseño de Tierra Flotante: Adopta la tecnología de tierra flotante para aislar las líneas de señal del chasis, bloquear el acoplamiento de corrientes de interferencia en el chasis al circuito de señal, reducir el ruido y mejorar la precisión y estabilidad de la señal.
Distribución de Cableado Razonable: Optimiza la distribución de suministros de energía, tierras y líneas de señal. Reduce la distribución paralela de líneas y minimiza el acoplamiento de interferencia entre líneas mediante métodos como cableado en capas y cableado ortogonal.
Diseño de Capacitores de Filtro: Configura capacitores de filtro en el extremo de entrada del suministro de energía del módulo. Seleccione los capacitores basándose en factores como el valor de capacitancia, resistencia a voltaje y características de frecuencia para filtrar el ruido y la interferencia de alta frecuencia introducidos por el suministro de energía.
Diseño de Lógica de Nivel Bajo: Da prioridad a dispositivos de lógica de nivel bajo (como dispositivos de nivel 3.3V) para evitar niveles lógicos altos innecesarios, reducir el consumo de energía del circuito y la generación de interferencia de alta frecuencia.
Control de Tiempo de Subida/Descenso: Seleccione el tiempo de subida/descenso más lento permitido por la función del circuito para suprimir componentes de alta frecuencia innecesarios, reducir el ruido de alta frecuencia en el circuito y mejorar la estabilidad y precisión de la señal.
3.2 Principios de diseño de estructura interna
Minimización de Cableado Externo: Acorta la longitud del cableado expuesto en el chasis optimizando la disposición y arreglando razonablemente los componentes para reducir la radiación electromagnética y el acoplamiento de interferencia.
Agrupamiento de Cables: Agrupa los cables según los tipos de señal (separando las señales digitales y análogas) y manteniendo una cierta distancia para reducir la influencia mutua entre los cables y mejorar la claridad y precisión de la señal.
Unión con Adhesivo Conductivo: Utiliza adhesivo conductivo para la unión en la interfaz del chasis para asegurar la conexión eléctrica y el efecto de blindaje, reducir la resistencia de contacto y mejorar la eficiencia de blindaje.
4 Estrategias para mejorar el rendimiento de compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje
4.1 Diseño anti-interferencia de los puertos de alimentación
Instalar Filtros de Alimentación: Selecciona filtros de alimentación adecuados según la potencia nominal y el entorno de trabajo del EVT, e instálalos cerca de la entrada de alimentación para filtrar el ruido y los pulsos transitorios de alta frecuencia y asegurar la pureza de la alimentación.
Adoptar Diseño de Alimentación Redundante: Configura múltiples módulos de alimentación. Cuando un módulo único falla, los módulos restantes toman rápidamente el suministro de energía, mejorando la confiabilidad de la alimentación, la capacidad anti-interferencia y la estabilidad general del EVT.
Fortalecer el Blindaje y la Tierra de las Líneas de Alimentación: Usa cables blindados para envolver las líneas de alimentación para reducir la radiación electromagnética y el acoplamiento; asegura una buena tierra de las líneas, introduce las corrientes de interferencia en la tierra y evita dañar el EVT.
4.2 Protección contra descargas electrostáticas de los puertos de señal
Instalar Dispositivos de Absorción de Molestias Transitorias: Selecciona diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS) adecuados, varistores y otros dispositivos. Estos dispositivos pueden absorber rápidamente la energía durante la descarga electrostática, controlar el voltaje dentro de un rango seguro y proteger los componentes electrónicos internos.
Adoptar Método de Transmisión de Señal Diferencial: Divide la señal en canales positivo y negativo para la transmisión diferencial. Usa la diferencia de señal entre canales para extraer información efectiva, resistir la interferencia en modo común, mejorar la calidad de transmisión de la señal y reducir la interferencia de la descarga electrostática.
4.3 Optimización del rendimiento de blindaje del chasis
Seleccionar Materiales de Alta Permeabilidad: Da prioridad a materiales con alta permeabilidad magnética, como placas de hierro, para fabricar el chasis, aumentar la capacidad de blindaje del campo magnético, absorber y dispersar la energía del campo magnético, y reducir la interferencia en el interior del EVT (la permeabilidad magnética relativa de los metales se muestra en la Tabla 1).
Optimizar el Diseño Estructural del Chasis: Adopta una estructura de blindaje totalmente cerrada para asegurar un buen contacto y tierra de cada superficie del chasis y mejorar el efecto de blindaje.
Fortalecer el Tratamiento de Tierra del Chasis: Asegura una conexión de tierra confiable entre el chasis y la tierra, introduce las corrientes de interferencia en la tierra y mejora la eficiencia de blindaje.
5 Conclusión
Este artículo realiza una investigación en profundidad sobre el rendimiento EMC de los EVTs, propone principios desde los aspectos de diseño de circuitos y diseño de estructura interna, y formula estrategias como el diseño anti-interferencia de los puertos de alimentación, la protección electrostática de los puertos de señal y la optimización del blindaje del chasis. El objetivo es mejorar la capacidad anti-interferencia y la estabilidad de los EVTs en entornos electromagnéticos complejos, garantizar su medición precisa y confiable de señales de voltaje en los sistemas de energía, y sentar una base sólida para la operación segura y estable de los sistemas de energía.
