Con lo sviluppo rapido dei sistemi elettrici, i trasformatori di tensione elettronici (EVT), come dispositivi di misura chiave nei sistemi elettrici, la loro stabilità delle prestazioni e affidabilità sono cruciali per l'operazione sicura e stabile dei sistemi elettrici. Le prestazioni di compatibilità elettromagnetica (EMC), come uno degli indicatori principali degli EVT, sono direttamente correlate alla capacità del dispositivo di funzionare normalmente in ambienti elettromagnetici complessi e se causeranno interferenze elettromagnetiche ad altri dispositivi. Condurre ricerche e progettazione approfondite sulle prestazioni EMC degli EVT è di grande significato per migliorare la stabilità complessiva e la sicurezza dei sistemi elettrici.
1 Panoramica delle prestazioni di compatibilità elettromagnetica dei trasformatori di tensione elettronici
1.1 Definizione e requisiti di compatibilità elettromagnetica
La compatibilità elettromagnetica (EMC) si riferisce alla capacità di un dispositivo o sistema di funzionare normalmente senza interferenze in un ambiente elettromagnetico specifico e non causare interruzioni elettromagnetiche insopportabili ad altre cose nell'ambiente. Per gli EVT, è necessario mantenere le prestazioni di misura stabili in ambienti elettromagnetici complessi e non causare interferenze elettromagnetiche ad altri dispositivi. Pertanto, durante le fasi di progettazione e produzione degli EVT, le prestazioni EMC devono essere prese in considerazione e devono essere formulate misure di salvaguardia corrispondenti.
1.2 Principio di funzionamento dei trasformatori di tensione elettronici
Gli EVT utilizzano il principio dell'induzione elettromagnetica e la tecnologia di misura elettronica ad alta precisione per convertire i segnali di alta tensione nei sistemi elettrici in segnali di bassa tensione. Solitamente sono costituiti da un sensore primario, un circuito di conversione secondario e un'unità di elaborazione del segnale. Il sensore primario è responsabile della conversione dei segnali di alta tensione in segnali di corrente/tensione debole proporzionali alla tensione primaria; il circuito di conversione secondario converte ulteriormente i segnali deboli in segnali digitali/analogici standard; l'unità di elaborazione del segnale migliora l'accuratezza e la stabilità della misurazione attraverso operazioni come filtraggio, amplificazione e taratura. Gli EVT possono coprire varie forme, come trasformatori di tensione elettronici per la misura di tensioni su canale singolo/multi-canal, trasformatori di corrente elettronici per la misura di correnti su canale singolo/multi-canal, o trasformatori integrati come mostrato nella Figura 1 che misurano contemporaneamente la tensione unidirezionale, la corrente e la potenza corrispondente.
1.3 Analisi delle interferenze elettromagnetiche e della sensibilità elettromagnetica
Gli EVT sono vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche esterne nell'ambiente elettromagnetico, come fulmini e sovratensioni transitorie da operazioni di interruttori, che possono causare problemi come l'aumento degli errori di misura e la instabilità dei dati; allo stesso tempo, le armoniche ad alta frequenza e la radiazione elettromagnetica generate dagli stessi EVT possono anche interferire con altre apparecchiature elettriche. Pertanto, quando si progettano gli EVT, è necessario considerare pienamente i problemi di interferenza elettromagnetica e sensibilità elettromagnetica, e prendere misure di soppressione e protezione.
Il test delle prestazioni EMC degli EVT è un passaggio chiave per garantire la loro stabilità e accuratezza nell'operazione effettiva. Si concentra sulla capacità anti-interferenza e classifica gli standard di valutazione in Classe A e Classe B in base alla gravità dei risultati del test:
2 Analisi dei test delle prestazioni di compatibilità elettromagnetica dei trasformatori di tensione elettronici
2.1 Contenuto del test e standard di valutazione
Classe A: Richiede che, quando gli EVT sono sottoposti a interferenze elettromagnetiche, l'accuratezza della misura rimanga entro i limiti di specifica, e il segnale di tensione di uscita sia coerente con il valore reale senza influenzare il monitoraggio e il controllo del sistema elettrico.
Classe B: Consente un declino temporaneo nelle prestazioni di misura (la parte non correlata alla protezione) degli EVT, ma non deve influire sull'esecuzione delle funzioni di protezione, e l'equipaggiamento non deve essere resettato/riavviato; la tensione di uscita deve essere controllata entro 500V per evitare di interferire con il sistema elettrico.
2.2 Test di interferenze condotte
L'interferenza condotta si propaga attraverso percorsi conduttivi come cavi e tubi metallici ed è uno dei principali tipi di interferenza elettromagnetica affrontati dagli EVT. Include due tipi di test:
Test di Transienti Elettrici Rapidi/Burst: Simula l'interferenza transitoria (con un ampio spettro di frequenze) quando carichi induttivi come relè e contattori vengono disconnessi. Applica un burst di transienti rapidi all'EVT, osserva la stabilità e l'accuratezza del segnale di tensione di uscita, e valuta la capacità anti-interferenza.
Test di Immunità a Impulsi (Impatto): Simula sovratensioni/transcorrenti transitorie causate da operazioni di interruttori e colpi di fulmine (con energia elevata e durata breve). Applica una tensione d'impulso di una certa ampiezza all'EVT per testare la capacità di resistenza e la stabilità delle prestazioni dell'equipaggiamento.
2.3 Test di interferenze irradiate
Include quattro tipi di test per simulare interferenze in diversi ambienti elettromagnetici:
Test di Immunità al Campo Magnetico a Frequenza Industriale: Applica un campo magnetico a frequenza industriale di una certa intensità all'EVT, osserva la stabilità e l'accuratezza del segnale di tensione di uscita, e valuta la capacità anti-interferenza in un ambiente di campo magnetico a frequenza industriale.
Test di Immunità al Campo Magnetico Oscillatorio Smorzato: Simula il campo magnetico oscillatorio smorzato (con attenuazione rapida e alta frequenza) generato quando il disgiuntore in una sottostazione ad alta tensione commuta la barra. Applica il campo magnetico corrispondente all'EVT per testare la stabilità delle prestazioni di misura.
Test di Immunità al Campo Magnetico Impulsivo: Simula il campo magnetico impulsivo (con salita rapida e valore picco elevato) generato dai colpi di fulmine su componenti metallici. Applica un campo magnetico impulsivo all'EVT per verificare se le prestazioni di isolamento e l'accuratezza della misura dell'equipaggiamento sono influenzate.
Test di Immunità al Campo Elettromagnetico Irradiato a Radiofrequenza: Simula la radiazione parassita da fonti elettromagnetiche industriali, radiodiffusione/stazioni di base per comunicazioni mobili, ecc. Applica un campo elettromagnetico a radiofrequenza di una certa intensità all'EVT, osserva la stabilità del segnale di uscita, e valuta la capacità anti-interferenza.
3 Principi di progettazione per la compatibilità elettromagnetica dei trasformatori di tensione elettronici
3.1 Principi di progettazione del circuito
Progettazione a Terra Flottante: Adotta la tecnologia a terra flottante per isolare le linee di segnale del circuito dal telaio, bloccare l'accoppiamento delle correnti di interferenza sul telaio al circuito di segnale, ridurre il rumore e migliorare l'accuratezza e la stabilità del segnale.
Disposizione dei Cavi Ottimizzata: Ottimizza la disposizione di alimentazione, terra e linee di segnale. Riduci la distribuzione parallela dei cavi e minimizza l'interferenza accoppiata tra i cavi attraverso metodi come il cablaggio stratificato e ortogonale.
Progettazione dei Condensatori Filtro: Configura condensatori filtro all'ingresso dell'alimentazione del modulo. Scegli i condensatori in base a fattori come la capacità, la resistenza alla tensione e le caratteristiche di frequenza per filtrare il rumore e le interferenze ad alta frequenza introdotte dall'alimentazione.
Progettazione a Logica a Livello Basso: Dai la priorità ai dispositivi a logica a livello basso (come dispositivi a 3.3V) per evitare livelli logici alti inutili, ridurre il consumo di potenza del circuito e la generazione di interferenze ad alta frequenza.
Controllo del Tempo di Salita/Caduta: Scegli il tempo di salita/caduta più lento consentito dalla funzione del circuito per sopprimere i componenti ad alta frequenza non necessari, ridurre il rumore ad alta frequenza nel circuito e migliorare la stabilità e l'accuratezza del segnale.
3.2 Principi di progettazione della struttura interna
Minimizzazione dei Cavi Esposti: Riduci la lunghezza dei cavi esposti nella carcassa ottimizzando la disposizione e organizzando razionalmente i componenti per ridurre la radiazione elettromagnetica e l'interferenza accoppiata.
Raggruppamento dei Cavi: Raggruppa i cavi in base ai tipi di segnale (separare i segnali digitali da quelli analogici) e mantieni una certa distanza per ridurre l'influenza reciproca tra i cavi e migliorare la chiarezza e l'accuratezza del segnale.
Collegamento con Adesivo Conduttivo: Usa un adesivo conduttivo per il collegamento all'interfaccia della carcassa per assicurare la connessione elettrica e l'effetto di schermo, ridurre la resistenza di contatto e migliorare l'efficienza dello schermo.
4 Strategie per migliorare le prestazioni di compatibilità elettromagnetica dei trasformatori di tensione elettronici
4.1 Progettazione Anti-interferenza delle Prese di Alimentazione
Installazione di Filtri di Alimentazione: Seleziona filtri di alimentazione adeguati in base alla potenza nominale e all'ambiente di lavoro dell'EVT, e installali vicino all'ingresso di alimentazione per filtrare il rumore ad alta frequenza e i pulsanti transitori e assicurare la purezza dell'alimentazione.
Adozione di un Progetto di Alimentazione Redundante: Configura più moduli di alimentazione. Quando un singolo modulo fallisce, i moduli rimanenti prendono rapidamente il sopravvento sull'alimentazione, migliorando l'affidabilità dell'alimentazione, la capacità anti-interferenza e la stabilità complessiva dell'EVT.
Rafforzamento dello Schermo e della Messa a Terra delle Linee di Alimentazione: Usa cavi schermati per avvolgere le linee di alimentazione per ridurre la radiazione elettromagnetica e l'accoppiamento; assicura una buona messa a terra delle linee, introduce le correnti di interferenza nel terreno e evita di danneggiare l'EVT.
4.2 Protezione dalle Scariche Elettrostatiche delle Prese di Segnale
Installazione di Dispositivi di Assorbimento di Transienti: Seleziona dispositivi di zener TVS (diodi di soppressione di tensione transitoria) e varistori adatti. Questi dispositivi possono assorbire rapidamente l'energia durante la scarica elettrostatica, controllare la tensione entro un intervallo sicuro e proteggere i componenti elettronici interni.
Adozione del Metodo di Trasmissione Differenziale: Divide il segnale in canali positivi e negativi per la trasmissione differenziale. Utilizza la differenza di segnale tra i canali per estrarre informazioni efficaci, resistere all'interferenza comune, migliorare la qualità della trasmissione del segnale e ridurre l'interferenza della scarica elettrostatica.
4.3 Ottimizzazione delle Prestazioni di Schermo della Carcassa
Selezione di Materiali ad Alta Permeabilità: Dai la priorità a materiali con alta permeabilità magnetica come lastre di ferro per realizzare la carcassa, aumenta la capacità di schermo del campo magnetico, assorbe e disperde l'energia del campo magnetico e riduce l'interferenza all'interno dell'EVT (la permeabilità magnetica relativa dei metalli è mostrata nella Tabella 1).
Ottimizzazione del Design della Struttura della Carcassa: Adotta una struttura di schermo chiusa per assicurare un buon contatto e messa a terra di ogni superficie della carcassa e migliorare l'effetto di schermo.
Rafforzamento del Trattamento della Messa a Terra della Carcassa: Assicura una connessione a terra affidabile tra la carcassa e il terreno, introduce le correnti di interferenza nel terreno e migliora l'efficienza dello schermo.
5 Conclusione
Questo articolo conduce una ricerca approfondita sulle prestazioni EMC degli EVT, propone principi dal punto di vista del progetto del circuito e del design strutturale interno, e formula strategie come il progetto anti-interferenza delle prese di alimentazione, la protezione elettrostatica delle prese di segnale e l'ottimizzazione dello schermo della carcassa. L'obiettivo è migliorare la capacità anti-interferenza e la stabilità degli EVT in ambienti elettromagnetici complessi, garantire la misura accurata e affidabile dei segnali di tensione nei sistemi elettrici e gettare le basi per l'operazione sicura e stabile dei sistemi elettrici.
