Wraz z szybkim rozwojem systemów energetycznych, elektroniczne transformatory napięcia (EVT), jako kluczowe urządzenia pomiarowe w systemach energetycznych, ich stabilność i niezawodność są kluczowe dla bezpiecznej i stabilnej pracy systemów energetycznych. Wydajność elektromagnetycznej zgodności (EMC), jako jeden z głównych wskaźników EVTs, jest bezpośrednio związana ze zdolnością urządzenia do prawidłowego działania w skomplikowanych środowiskach elektromagnetycznych oraz z tym, czy będzie ono powodować zakłócenia elektromagnetyczne innym urządzeniom. Prowadzenie szczegółowych badań i projektowania wydajności EMC EVTs ma ogromne znaczenie dla poprawy ogólnej stabilności i bezpieczeństwa systemów energetycznych.
1 Przegląd wydajności elektromagnetycznej zgodności elektronicznych transformatorów napięcia
1.1 Definicja i wymagania dotyczące elektromagnetycznej zgodności
Elektromagnetyczna zgodność (EMC) odnosi się do zdolności urządzenia lub systemu do prawidłowego działania bez zakłóceń w określonym środowisku elektromagnetycznym i niepowodowania nieznośnych zakłóceń elektromagnetycznych dla innych elementów w tym środowisku. Dla EVTs, muszą one utrzymywać stabilną wydajność pomiarową w skomplikowanych środowiskach elektromagnetycznych i nie mogą powodować zakłóceń elektromagnetycznych innym urządzeniom. Dlatego podczas etapów projektowania i produkcji EVTs, trzeba uwzględnić wydajność EMC i opracować odpowiednie środki ochronne.
1.2 Zasada działania elektronicznych transformatorów napięcia
EVTs wykorzystują zasadę indukcji elektromagnetycznej i precyzyjnej technologii pomiarowej do przekształcania sygnałów wysokiego napięcia w systemach energetycznych w sygnały niskiego napięcia. Zwykle składają się z czujnika pierwotnego, obwodu konwersji wtórnej i jednostki przetwarzania sygnałów. Czujnik pierwotny odpowiada za przekształcanie sygnałów wysokiego napięcia w słabe sygnały prądowe/napięciowe proporcjonalne do napięcia pierwotnego; obwód konwersji wtórnej dalej przekształca słabe sygnały w standardowe sygnały cyfrowe/analogowe; jednostka przetwarzania sygnałów poprzez operacje takie jak filtrowanie, wzmacnianie i kalibracja poprawia dokładność i stabilność pomiaru. EVT mogą obejmować różne formy, takie jak elektroniczne transformatory napięcia do pomiaru pojedynczego/multikanalowego napięcia, elektroniczne transformatory prądu do pomiaru pojedynczego/multikanalowego prądu, lub zintegrowane transformatory, które jednocześnie mierzą jednokierunkowe napięcie, prąd i odpowiadającą mu moc, jak pokazano na Rysunku 1.
1.3 Analiza zakłóceń elektromagnetycznych i wrażliwości elektromagnetycznej
EVT są podatne na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne w środowisku elektromagnetycznym, takie jak uderzenia piorunów i przejściowe przepięcia spowodowane działaniem przełączników, co może powodować problemy takie jak zwiększone błędy pomiarowe i niestabilne dane; jednocześnie wysokoczęstotliwościowe harmoniki i promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez same EVTs mogą również zakłócać inne urządzenia elektryczne. Dlatego podczas projektowania EVTs, należy w pełni uwzględnić kwestie zakłóceń elektromagnetycznych i wrażliwości elektromagnetycznej, a także podjąć środki tłumienia i ochrony.
Testy wydajności EMC EVTs to kluczowy element zapewniający ich stabilność i dokładność w rzeczywistej pracy. Skupiają się na odporności na zakłócenia i klasyfikują standardy oceny na klasę A i klasę B, w zależności od nasilenia wyników testów:
2 Analiza testów wydajności elektromagnetycznej zgodności elektronicznych transformatorów napięcia
2.1 Treść testów i standardy oceny
Klasa A: Wymaga, aby przy zakłóceniu elektromagnetycznym EVTs zachowywała dokładność pomiarową w granicach specyfikacji, a sygnał napięcia wyjściowego był zgodny z wartością rzeczywistą, nie wpływając na monitorowanie i sterowanie systemem energetycznym.
Klasa B: Pozwala na tymczasowe obniżenie wydajności pomiarowej (część niezwiązana z ochroną) EVTs, ale nie może wpływać na wykonywanie funkcji ochronnych, a urządzenie nie wymaga resetowania/restartu; napięcie wyjściowe musi być kontrolowane w granicach 500V, aby uniknąć zakłóceń w systemie energetycznym.
2.2 Testy przeprowadzane zakłóceń
Przeprowadzane zakłócenia propagują się przez przewody przewodzące, takie jak druty i rury metalowe, i są jednym z głównych typów zakłóceń elektromagnetycznych, z którymi muszą się zmierzyć EVTs. Obejmuje dwa rodzaje testów:
Test szybkich przejściowych zakłóceń/burz: Symuluje przejściowe zakłócenia (o szerokim spektrum częstotliwości) podczas odłączania indukcyjnych obciążeń, takich jak relé i kontaktory. Stosuje szybkie przejściowe burze do EVT, obserwuje stabilność i dokładność sygnału napięcia wyjściowego, a następnie ocenia odporność na zakłócenia.
Test odporności na impulsy (uderzenia): Symuluje przejściowe przepięcia/przepięcia spowodowane działaniem przełączników i uderzeniami piorunów (o dużej energii i krótkiej długości). Stosuje impulsowe napięcie o określonej amplitudzie do EVT, aby przetestować wytrzymałość urządzenia i stabilność wydajności.
2.3 Testy promieniowania zakłóceń
Obejmuje cztery rodzaje testów symulujących zakłócenia w różnych środowiskach elektromagnetycznych:
Test odporności na magnetyczne pole sieciowe: Stosuje magnetyczne pole sieciowe o określonej intensywności do EVT, obserwuje stabilność i dokładność sygnału napięcia wyjściowego, a następnie ocenia odporność na zakłócenia w środowisku magnetycznego pola sieciowego.
Test odporności na tłumione oscylacyjne pole magnetyczne: Symuluje tłumione oscylacyjne pole magnetyczne (z szybkim zanikaniem i wysoką częstotliwością) generowane podczas przełączania busa przez rozłącznik w wysokonapięciowej stacji transformatorowej. Stosuje odpowiednie pole magnetyczne do EVT, aby przetestować stabilność wydajności pomiarowej.
Test odporności na pulsowe pole magnetyczne: Symuluje pulsowe pole magnetyczne (z szybkim narastaniem i wysoką wartością szczytową) generowane przez uderzenia piorunów w komponenty metalowe. Stosuje pulsowe pole magnetyczne do EVT, aby zweryfikować, czy izolacyjna wydajność i dokładność pomiarowa urządzenia są dotknięte.
Test odporności na promieniowane elektromagnetyczne pole radiowe: Symuluje promieniowanie pasożytnicze z przemysłowych źródeł elektromagnetycznych, nadajników radiowych/stacji bazowych komórkowych itp. Stosuje pole radiowe o określonej intensywności do EVT, obserwuje stabilność sygnału wyjściowego, a następnie ocenia odporność na zakłócenia.
3 Zasady projektowania elektromagnetycznej zgodności elektronicznych transformatorów napięcia
3.1 Zasady projektowania obwodów
Projekt zmiennego potencjału ziemnego: Zastosuj technologię zmiennego potencjału ziemnego, aby izolować linie sygnałowe obwodu od obudowy, blokując sprzężenie prądów zakłócających na obudowie z obwodem sygnałowym, redukując hałas i poprawiając dokładność i stabilność sygnału.
Rozsądna rozmieszczenie przewodów: Optymalizuj układ zasilania, ziemnego i linii sygnałowych. Zmniejsz równoległe rozłożenie linii i minimalizuj sprzężenie zakłócające między liniami za pomocą metod takich jak warstwowe rozmieszczenie i ortogonalne rozmieszczenie.
Projekt kondensatorów filtrujących: Skonfiguruj kondensatory filtrujące na wejściu zasilania modułu. Wybierz kondensatory na podstawie czynników takich jak wartość pojemności, napięcie znamionowe i charakterystyki częstotliwościowe, aby filtrować wysokoczęstotliwościowy hałas i zakłócenia wprowadzane przez zasilanie.
Projekt niskopoziomowej logiki: Priorytetowo wybierz urządzenia niskopoziomowej logiki (np. urządzenia o poziomie 3.3V), aby unikać niepotrzebnych wysokopoziomowych logik, zmniejszać zużycie mocy obwodu i generowanie wysokoczęstotliwościowych zakłóceń.
Kontrola czasu narastania/opadania: Wybierz najwolniejszy dopuszczalny czas narastania/opadania zgodny z funkcjami obwodu, aby supresować niepotrzebne składowe wysokoczęstotliwości, zmniejszać wysokoczęstotliwościowy hałas w obwodzie i poprawiać stabilność i dokładność sygnału.
3.2 Zasady projektowania wewnętrznej struktury
Pełnie zamknięta struktura ekranująca: Obudowa korpusu wykorzystuje pełną zamkniętą strukturę ekranującą, aby zapewnić dobry kontakt i ziemienie każdej powierzchni, efektywnie blokując zewnętrzne zakłócenia pola elektromagnetycznego i chroniąc wewnętrzne obwody elektroniczne.
Minimalizacja odsłoniętych przewodów: Skróć długość odsłoniętych przewodów w obudowie poprzez optymalizację układu i rozsądne rozmieszczenie komponentów, aby zmniejszyć promieniowanie elektromagnetyczne i sprzężenie zakłócające.
Grupowe wiązanie przewodów: Wiąż przewody według typów sygnałów (oddziel sygnały cyfrowe i analogowe), a następnie zachowaj pewną odległość, aby zmniejszyć wzajemne oddziaływania między przewodami i poprawić jasność i dokładność sygnału.
Spajanie klejem przewodzącym: Użyj kleju przewodzącego do spajania na interfejsie obudowy, aby zapewnić połączenie elektryczne i efekt ekranujący, zmniejszyć opór kontaktowy i poprawić efektywność ekranowania.
4 Strategie poprawy wydajności elektromagnetycznej zgodności elektronicznych transformatorów napięcia
4.1 Antyzakłócający projekt portów zasilających
Zainstaluj filtry zasilające: Wybierz odpowiednie filtry zasilające w zależności od nominalnej mocy i środowiska pracy EVT, a następnie zainstaluj je blisko wejścia zasilającego, aby filtrować wysokoczęstotliwościowy hałas i przejściowe impulsy, zapewniając czystość zasilania.
Zastosuj redundantny projekt zasilania: Skonfiguruj wiele modułów zasilających. Gdy jeden moduł ulegnie awarii, pozostałe moduły szybko przejmą zasilanie, poprawiając niezawodność zasilania, odporność na zakłócenia i ogólną stabilność EVT.
Wzmocnij ekranowanie i ziemienie linii zasilających: Użyj kabli ekranowanych do okładania linii zasilających, aby zmniejszyć promieniowanie elektromagnetyczne i sprzężenie; zapewnij dobrą ziemienie linii, wprowadzając prądy zakłócające do ziemi, aby uniknąć uszkodzenia EVT.
4.2 Ochrona przed rozładowaniem elektrostatycznym portów sygnałowych
Zainstaluj urządzenia absorpcji przejściowych zakłóceń: Wybierz odpowiednie diody supresorowe napięcia (TVS), varistory i inne urządzenia. Te urządzenia mogą szybko absorbować energię podczas rozładowania elektrostatycznego, kontrolując napięcie w bezpiecznym zakresie i chroniąc wewnętrzne komponenty elektroniczne.
Zastosuj metodę różnicowego przesyłania sygnałów: Podziel sygnał na dodatnie i ujemne kanały do różnicowego przesyłania. Użyj różnicy sygnałów między kanałami, aby wyodrębnić skuteczne informacje, odpierać zakłócenia wspólnego trybu, poprawiać jakość transmisji sygnałów i zmniejszać zakłócenia rozładowania elektrostatycznego.
4.3 Optymalizacja wydajności ekranowania obudowy
Wybierz materiały o wysokiej przewodności magnetycznej: Priorytetowo wybierz materiały o wysokiej przewodności magnetycznej, takie jak płyty żelazne, do wykonania obudowy, aby wzmocnić zdolność ekranowania pola magnetycznego, absorbować i rozpraszać energię pola magnetycznego, zmniejszając zakłócenia wewnątrz EVT (przewodność magnetyczna względna metali jest przedstawiona w Tabeli 1).
Optymalizacja projektu struktury obudowy: Zastosuj pełną zamkniętą strukturę ekranującą, aby zapewnić dobry kontakt i ziemienie każdej powierzchni obudowy, wzmocniając efekt ekranowania.
Wzmocnienie obróbki ziemienia obudowy: Zapewnij niezawodne połączenie ziemne między obudową a ziemią, wprowadzając prądy zakłócające do ziemi, aby poprawić efektywność ekranowania.
5 Podsumowanie
Ten artykuł prowadzi szczegółowe badania wydajności EMC EVTs, proponuje zasady z punktu widzenia projektowania obwodów i wewnętrznej struktury, a także formułuje strategie takie jak antyzakłócający projekt portów zasilających, ochrona przed rozładowaniem elektrostatycznym portów sygnałowych i optymalizacja ekranowania obudowy. Celem jest poprawa odporności na zakłócenia i stabilności EVTs w skomplikowanych środowiskach elektromagnetycznych, zapewnienie dokładnego i niezawodnego pomiaru sygnałów napięcia w systemach energetycznych, a także położenie solidnych podwalin pod bezpieczną i stabilną pracę systemów energetycznych.
