S obzirom na brz razvoj električnih sustava, elektronički transformatori napona (EVTs), kao ključni mjerilišni uređaji u električnim sustavima, njihova performansna stabilnost i pouzdanost su ključne za sigurno i stabilno funkcioniranje električnih sustava. Performanse elektromagnetske kompatibilnosti (EMC), kao jedan od ključnih pokazatelja EVTa, direktno su povezane s sposobnošću uređaja da normalno funkcioniraju u složenim elektromagnetskim okruženjima te s tim da ne uzrokuju elektromagnetsko smetnje drugim uređajima. Duboka istraživanja i dizajniranje EMC performansi EVTa imaju veliku važnost za poboljšanje ukupne stabilnosti i sigurnosti električnih sustava.
1 Pregled performansi elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih transformatora napona
1.1 Definicija i zahtjevi elektromagnetske kompatibilnosti
Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) odnosi se na sposobnost uređaja ili sustava da normalno funkcioniraju bez smetnji u određenom elektromagnetskom okruženju i da ne uzrokuju neprijelazne elektromagnetske smetnje drugim stvarima u tom okruženju. Za EVTe, potrebno je održavati stabilnu mjerilušnu performansu u složenim elektromagnetskim okruženjima i da ne uzrokuju elektromagnetske smetnje drugim uređajima. Stoga, tijekom faza dizajna i proizvodnje EVTa, mora se uzeti u obzir performansa EMC i formulirati odgovarajuće zaštite.
1.2 Načelo rada elektroničkih transformatora napona
EVTi koriste načelo elektromagnetske indukcije i visoko precizne elektroničke mjerilušne tehnologije kako bi pretvorili visokonaponske signale u električnim sustavima u niskonaponske signale. Obično se sastoje od primarnog senzora, sekundarnog pretvorbe kola i jedinice obrade signala. Primarni senzor je zadužen za pretvaranje visokonaponskih signala u slabe strujne/naponske signale proporcionalne primarnom naponu; sekundarno pretvarbeno kolo dalje pretvara slabe signale u standardne digitalne/analogne signale; jedinica obrade signala unapređuje preciznost i stabilnost mjerenja putem operacija poput filtriranja, pojačavanja i kalibracije. EVTi mogu pokrivati različite forme, kao što su elektronički transformatori napona za mjerenje jednokanalnih/višekanalnih napona, elektronički transformatori struja za mjerenje jednokanalnih/višekanalnih struja, ili integrirani transformatori koji istovremeno mjeri jednosmjerni napon, struju i odgovarajuću snagu, kao što je prikazano na slici 1.
1.3 Analiza elektromagnetskih smetnji i elektromagnetske osjetljivosti
EVTi su osjetljivi na vanjske elektromagnetske smetnje u elektromagnetskom okruženju, poput udara munje i privremenih previsokih napona iz operacija prekidača, što može dovesti do problema poput povećanja grešaka mjerenja i nestabilnosti podataka; u isto vrijeme, visokofrekventne harmonike i elektromagnetska zračenja generirana samim EVTima također mogu smetati drugim električnim uređajima. Stoga, tijekom dizajna EVTa, potrebno je dovoljno uzeti u obzir probleme elektromagnetskih smetnji i elektromagnetske osjetljivosti, te trebaju se poduzeti opreme za suzbijanje i zaštitu.
Testiranje performansi EMC EVTa je ključan dio za osiguranje njihove stabilnosti i točnosti u stvarnom radu. Fokusira se na sposobnost odoljivosti na smetnje i klasificira ocjenjivačke standarde u Klasu A i Klasu B prema težini rezultata testa:
2 Analiza testiranja performansi elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih transformatora napona
2.1 Sadržaj testa i ocjenjivački standardi
Klasa A: Zahtijeva da kada EVTi budu izloženi elektromagnetskim smetnjama, točnost mjerenja ostane unutar specifikacijskih granica, a izlazni naponski signal bude u skladu s stvarnom vrijednošću, bez utjecaja na nadgledanje i kontrolu električnog sustava.
Klasa B: Dozvoljava privremeno padanje performansi mjerenja (dio koji nije povezan s zaštitom) EVTa, ali ne smije utjecati na izvršenje funkcija zaštite, a oprema ne mora biti resetirana/pokrenuta ponovo; izlazni napon mora biti kontroliran unutar 500V kako bi se spriječilo smetanje električnog sustava.
2.2 Testovi vodene smetnje
Vodena smetnja širi se putem vodnih puteva, poput žica i metalnih cijevi, i predstavlja jednu od glavnih vrsta elektromagnetskih smetnji s kojima se suočavaju EVTi. Uključuje dva tipa testova:
Test brzih transijentnih buka: Simulira privremenu smetnju (sa širokim spektrom frekvencija) prilikom isključivanja induktivnih opterećenja, poput releja i kontaktnih čvorova. Primjenjuje brz bujni transijent na EVT, promatra stabilnost i točnost izlaznog naponskog signala, te procjenjuje sposobnost odoljivosti na smetnje.
Test imuniteta na talas (udar): Simulira privremene previsoke napone/struje uzrokovane operacijama prekidača i udara munje (s velikom energijom i kratkim trajanjem). Primjenjuje talasni napon određene amplitudine na EVT kako bi se testirala izdržljivost opreme i stabilnost performansi.
2.3 Testovi radijalne smetnje
Uključuje četiri tipa testova kako bi se simulirale smetnje u različitim elektromagnetskim okruženjima:
Test imuniteta na magnetsko polje strujnog naponskog vala: Primjenjuje magnetsko polje strujnog naponskog vala određene intenziteta na EVT, promatra stabilnost i točnost izlaznog naponskog signala, te procjenjuje sposobnost odoljivosti na smetnje u okruženju magnetskog polja strujnog naponskog vala.
Test imuniteta na umrnuti oscilatorni magnetski val: Simulira umrnuti oscilatorni magnetski val (s brzim umiranjem i visokom frekvencijom) generiran prilikom prebacivanja busa u visokonaponskoj podstanici. Primjenjuje odgovarajuće magnetsko polje na EVT kako bi se testirala stabilnost performansi mjerenja.
Test imuniteta na pulsni magnetski val: Simulira pulsni magnetski val (s brzim porastom i visokim vrhunskim vrijednostima) generiran udarom munje na metalne komponente. Primjenjuje pulsni magnetski val na EVT kako bi se provjerilo jesu li izolacijske performanse i točnost mjerenja opreme utjecane.
Test imuniteta na radiofrekvencijsko radijalno elektromagnetsko polje: Simulira parazitno zračenje iz industrijskih elektromagnetskih izvora, radio emitovanja/mobilnih komunikacijskih baznih stanica itd. Primjenjuje radiofrekvencijsko elektromagnetsko polje određene intenziteta na EVT, promatra stabilnost izlaznog signala, te procjenjuje sposobnost odoljivosti na smetnje.
3 Dizajnerski principi elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih transformatora napona
3.1 Principi dizajna kola
Dizajn plivajuće zemlje: Koristi tehnologiju plivajuće zemlje kako bi se izolirale signalline kola od kućišta, blokirala kopliranje smetnji struje na kućištu na signalno kolo, smanjila buku i poboljšala točnost i stabilnost signala.
Razumit raspored žica: Optimizira raspored napajanja, zemlje i signallina. Smanjuje paralelno distribuiranje linija i minimizira kopliranje smetnji između linija kroz metode poput slojevitog i ortogonalnog postavljanja žica.
Dizajn filter kapacitornog elementa: Konfigurira filter kapacitore na ulazu modula napajanja. Odabire kapacitore na temelju faktora poput kapacitance, otpornosti na napon i karakteristika frekvencije kako bi se filtrirale visokofrekventne buke i smetnje unesenih napajanjem.
Dizajn niskonivo logike: Prednost daje niskonivo logičkim uređajima (poput 3.3V nivoa) kako bi se izbjegao nepotreban visoki logički nivo, smanjio potrošnja struje kola i generiranje visokofrekventnih smetnji.
Kontrola vremena uspona/opadanja: Odabire najsporije dopušteno vrijeme uspona/opadanja koje omogućuje funkcija kola kako bi se suzbijali nepotrebni visokofrekventni komponenti, smanjile visokofrekventne buke u kolu i poboljšala stabilnost i točnost signala.
3.2 Principi dizajna unutarnje strukture
Minimizacija izloženih žica: Skraćuje duljinu izloženih žica u kućištu optimiziranjem rasporeda i razumno postavljanjem komponenti kako bi se smanjilo elektromagnetsko zračenje i kopliranje smetnji.
Grupiranje žica: Grupira žice prema tipovima signala (odvoji digitalne i analogne signale), održava određeni razmak kako bi se smanjilo međusobno utjecanje žica i poboljšala jasnoća i točnost signala.
Lepljenje vodljivom lepljivom masom: Koristi vodljivu lepljivu masu za spojeve na sučelju kućišta kako bi se osigurala električna veza i štitna djelotvornost, smanjila otpor kontakta i poboljšala učinkovitost štita.
4 Strategije za poboljšanje performansi elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih transformatora napona
4.1 Dizajn odoljivosti na smetnje napajanja
Instalirajte filtre napajanja: Odaberite odgovarajuće filtre napajanja prema nominalnoj snazi i radnom okruženju EVTa, i instalirajte ih blizu ulaza napajanja kako bi se filtrirale visokofrekventne buke i privremene impulse i osigurala čistoća napajanja.
Primijenite redundantni dizajn napajanja: Konfigurirajte više modula napajanja. Kada jedan modul ne radi, preostali moduli brzo preuzmu napajanje, poboljšavajući pouzdanost napajanja, odoljivost na smetnje i ukupnu stabilnost EVTa.
Ojačajte štit i zemlju linija napajanja: Koristite štitne kable za obavljanje linija napajanja kako bi se smanjilo elektromagnetsko zračenje i kopliranje; osigurate dobro zemljenje linija, uvode smetnje struje u zemlju, i izbjegavate oštećenje EVTa.
4.2 Zaštita od statičke razlike signala
Instalirajte uređaje za apsorbiranje privremenih smetnji: Odaberite odgovarajuće dijode za supresiju privremenog napona (TVS), varistore i druge uređaje. Ovi uređaji mogu brzo apsorbirati energiju tijekom statičke razlike, kontrolirati napon unutar sigurnog opsega, i zaštititi interne elektroničke komponente.
Primijenite metod diferencijalne prijenos signala: Podijelite signal na pozitivne i negativne kanale za diferencijalni prijenos. Koristite razliku signala između kanala kako bi se izvukle efektivne informacije, odporno na zajedničku smetnju, poboljšali kvalitetu prijenosa signala, i smanjili smetnju statičke razlike.
4.3 Optimalizacija performansi štita kućišta
Odaberite materijale s visokom magnetnu prolaznošću: Prednost dajte materijalima s visokom magnetnom prolaznošću, poput čelika, za izradu kućišta, jačajući sposobnost štitanja magnetskog polja, apsorbiranje i disperziju energije magnetskog polja, i smanjivanje smetnje unutrašnjosti EVTa (relativna magnetska prolaznost metala prikazana je u Tablici 1).
Optimalizirajte dizajn strukture kućišta: Koristite potpuno zatvorenu štitnu strukturu kako bi se osiguralo dobro kontaktiranje i zemljenje svake površine kućišta i jačanje štitne djelotvornosti.
Ojačajte tretman zemlje kućišta: Osigurajte pouzdanu vezu zemlje između kućišta i zemlje, uvode smetnje struje u zemlju, i poboljšajte učinkovitost štita.
5 Zaključak
Ovaj rad provede duboku analizu performansi EMC EVTa, predlaže principe s aspekta dizajna kola i unutarnje strukture, te formuliše strategije poput dizajna odoljivosti na smetnje napajanja, statičke zaštite signala, i optimalizacije performansi štita kućišta. Cilj je poboljšati odoljivost na smetnje i stabilnost EVTa u složenim elektromagnetskim okruženjima, osigurati točno i pouzdano mjerenje naponskih signala u električnim sustavima, i položiti čvrsti temelj za sigurno i stabilno funkcioniranje električnih sustava.
