Com o rápido desenvolvimento dos sistemas de energia, os transformadores eletrônicos de tensão (EVTs), como dispositivos de medição-chave nos sistemas de energia, sua estabilidade e confiabilidade de desempenho são cruciais para a operação segura e estável dos sistemas de energia. O desempenho de compatibilidade eletromagnética (EMC), como um dos principais indicadores dos EVTs, está diretamente relacionado à capacidade do dispositivo de funcionar normalmente em ambientes eletromagnéticos complexos e se não causará interferência eletromagnética a outros dispositivos. Realizar pesquisas e projetos aprofundados sobre o desempenho de EMC dos EVTs é de grande importância para melhorar a estabilidade geral e segurança dos sistemas de energia.
1 Visão Geral do Desempenho de Compatibilidade Eletromagnética dos Transformadores Eletrônicos de Tensão
1.1 Definição e Requisitos de Compatibilidade Eletromagnética
Compatibilidade eletromagnética (EMC) refere-se à capacidade de um dispositivo ou sistema de funcionar normalmente sem interferência em um ambiente eletromagnético específico e não causar perturbações eletromagnéticas insuportáveis a outras coisas no ambiente. Para os EVTs, eles precisam manter um desempenho de medição estável em ambientes eletromagnéticos complexos e não causar interferência eletromagnética a outros dispositivos. Portanto, durante as fases de design e fabricação dos EVTs, o desempenho de EMC deve ser considerado, e medidas de proteção correspondentes devem ser formuladas.
1.2 Princípio de Funcionamento dos Transformadores Eletrônicos de Tensão
Os EVTs utilizam o princípio da indução eletromagnética e tecnologia de medição eletrônica de alta precisão para converter sinais de alta tensão nos sistemas de energia em sinais de baixa tensão. Eles geralmente consistem em um sensor primário, um circuito de conversão secundária e uma unidade de processamento de sinal. O sensor primário é responsável por converter sinais de alta tensão em sinais de corrente/tensão fracos proporcionais à tensão primária; o circuito de conversão secundária converte ainda mais os sinais fracos em sinais digitais/analogos padrão; a unidade de processamento de sinal melhora a precisão e estabilidade da medição através de operações como filtragem, amplificação e calibração. Os EVTs podem abranger várias formas, como transformadores eletrônicos de tensão para medir tensões de canal único/múltiplos canais, transformadores eletrônicos de corrente para medir correntes de canal único/múltiplos canais, ou transformadores integrados que medem simultaneamente tensão, corrente e potência unidirecional, conforme mostrado na Figura 1.
1.3 Análise de Perturbação Eletromagnética e Sensibilidade Eletromagnética
Os EVTs são vulneráveis a perturbações eletromagnéticas externas no ambiente eletromagnético, como descargas atmosféricas e sobretensões transitórias devido a operações de chaves, que podem causar problemas como aumento de erros de medição e dados instáveis; ao mesmo tempo, harmônicos de alta frequência e radiação eletromagnética gerados pelos próprios EVTs também podem interferir em outros equipamentos elétricos. Portanto, ao projetar EVTs, as questões de perturbação eletromagnética e sensibilidade eletromagnética devem ser plenamente consideradas, e medidas de supressão e proteção devem ser tomadas.
O teste de desempenho de EMC dos EVTs é um elo chave para garantir sua estabilidade e precisão na operação real. Ele se concentra na capacidade anti-interferência e classifica os padrões de avaliação em Classe A e Classe B de acordo com a gravidade dos resultados do teste:
2 Análise dos Testes de Desempenho de Compatibilidade Eletromagnética dos Transformadores Eletrônicos de Tensão
2.1 Conteúdo do Teste e Padrões de Avaliação
Classe A: Exige que, quando os EVTs estão sujeitos a perturbações eletromagnéticas, a precisão de medição permaneça dentro dos limites especificados, e o sinal de tensão de saída seja consistente com o valor real, sem afetar o monitoramento e controle do sistema de energia.
Classe B: Permite uma queda temporária no desempenho de medição (a parte não relacionada à proteção) dos EVTs, mas não deve afetar a execução das funções de proteção, e o equipamento não precisa ser reinicializado/reiniciado; a tensão de saída deve ser controlada dentro de 500V para evitar interferência no sistema de energia.
2.2 Testes de Interferência Conduzida
A interferência conduzida se propaga por caminhos condutores, como fios e tubulações metálicas, e é um dos principais tipos de perturbação eletromagnética enfrentados pelos EVTs. Inclui dois tipos de testes:
Teste de Transiente Elétrico Rápido/Burst: Simula a perturbação transitória (com amplo espectro de frequência) quando cargas indutivas, como relés e contatos, são desconectadas. Aplica um burst de transiente rápido ao EVT, observa a estabilidade e precisão do sinal de tensão de saída e avalia a capacidade anti-interferência.
Teste de Imunidade a Surto (Impacto): Simula sobretensões/sobrecorrentes transitórias causadas por operações de chaves e descargas atmosféricas (com grande energia e duração curta). Aplica uma tensão de surto de determinada amplitude ao EVT para testar a capacidade de resistência e a estabilidade de desempenho do equipamento.
2.3 Testes de Interferência Radiada
Inclui quatro tipos de testes para simular interferências em diferentes ambientes eletromagnéticos:
Teste de Imunidade a Campo Magnético de Frequência de Rede: Aplica um campo magnético de frequência de rede de certa intensidade ao EVT, observa a estabilidade e precisão do sinal de tensão de saída e avalia a capacidade anti-interferência no ambiente de campo magnético de frequência de rede.
Teste de Imunidade a Campo Magnético Oscilatório Amortecido: Simula o campo magnético oscilatório amortecido (com rápida atenuação e alta frequência) gerado quando o disjuntor em uma subestação de alta tensão troca a barra. Aplica o campo magnético correspondente ao EVT para testar a estabilidade do desempenho de medição.
Teste de Imunidade a Campo Magnético de Pulso: Simula o campo magnético de pulso (com rápido crescimento e alto valor pico) gerado por descargas atmosféricas em componentes metálicos. Aplica um campo magnético de pulso ao EVT para verificar se o desempenho de isolamento e a precisão de medição do equipamento são afetados.
Teste de Imunidade a Campo Eletromagnético de Frequência de Rádio: Simula a radiação parasitária de fontes eletromagnéticas industriais, transmissões de rádio/estações base de comunicação móvel, etc. Aplica um campo eletromagnético de frequência de rádio de certa intensidade ao EVT, observa a estabilidade do sinal de saída e avalia a capacidade anti-interferência.
3 Princípios de Design de Compatibilidade Eletromagnética dos Transformadores Eletrônicos de Tensão
3.1 Princípios de Design de Circuito
Design de Terra Flutuante: Adota tecnologia de terra flutuante para isolar as linhas de sinal do circuito do chassis, bloquear o acoplamento de correntes de perturbação no chassis ao circuito de sinal, reduzir o ruído e melhorar a precisão e estabilidade do sinal.
Layout de Fiação Racional: Otimiza a disposição de fornecimentos de energia, terras e linhas de sinal. Reduz a distribuição paralela de linhas e minimiza o acoplamento de interferência entre linhas através de métodos como fiação em camadas e fiação ortogonal.
Design de Capacitor de Filtro: Configura capacitores de filtro na entrada de alimentação do módulo. Seleciona os capacitores com base em fatores como valor de capacitância, resistência à tensão e características de frequência para filtrar ruídos e interferências de alta frequência introduzidos pela alimentação.
Design de Lógica de Nível Baixo: Dá prioridade a dispositivos de lógica de nível baixo (como dispositivos de nível 3.3V) para evitar níveis lógicos altos desnecessários, reduzir o consumo de energia do circuito e a geração de interferências de alta frequência.
Controle de Tempo de Subida/Descida: Seleciona o tempo de subida/descida mais lento permitido pela função do circuito para suprimir componentes de alta frequência desnecessários, reduzir o ruído de alta frequência no circuito e melhorar a estabilidade e precisão do sinal.
3.2 Princípios de Design de Estrutura Interna
Minimização de Fiação Exposta: Reduz o comprimento de fiação exposta no chassis otimizando a disposição e arranjando racionalmente os componentes para reduzir a radiação eletromagnética e o acoplamento de interferência.
Agrupamento de Fios: Agrupa os fios de acordo com os tipos de sinal (separando sinais digitais e analógicos) e mantém uma certa distância para reduzir a influência mútua entre os fios e melhorar a clareza e precisão do sinal.
Colagem com Adesivo Condutivo: Utiliza adesivo condutivo para colagem na interface do chassis para garantir a conexão elétrica e o efeito de blindagem, reduzir a resistência de contato e melhorar a eficiência de blindagem.
4 Estratégias para Melhorar o Desempenho de Compatibilidade Eletromagnética dos Transformadores Eletrônicos de Tensão
4.1 Design Anti-interferência de Portas de Energia
Instalação de Filtros de Energia: Seleciona filtros de energia adequados de acordo com a potência nominal e o ambiente de trabalho do EVT e os instala próximos à entrada de energia para filtrar ruídos de alta frequência e pulsos transitórios e garantir a pureza da energia.
Adoção de Design de Energia Redundante: Configura múltiplos módulos de energia. Quando um módulo falha, os módulos restantes assumem rapidamente o fornecimento de energia, melhorando a confiabilidade de fornecimento de energia, a capacidade anti-interferência e a estabilidade geral do EVT.
Fortalecimento do Blindagem e Aterramento das Linhas de Energia: Utiliza cabos blindados para envolver as linhas de energia para reduzir a radiação eletromagnética e o acoplamento; garante um bom aterramento das linhas, introduzindo correntes de perturbação no solo e evitando danos ao EVT.
4.2 Proteção contra Descarga Eletrostática de Portas de Sinal
Instalação de Dispositivos de Absorção de Perturbação Transitória: Seleciona diodos de supressão de tensão transitória (TVS) e varistores adequados. Esses dispositivos podem absorver rapidamente a energia durante a descarga eletrostática, controlar a tensão dentro de um intervalo seguro e proteger os componentes eletrônicos internos.
Adoção de Método de Transmissão de Sinal Diferencial: Divide o sinal em canais positivo e negativo para transmissão diferencial. Usa a diferença de sinal entre os canais para extrair informações efetivas, resistir à interferência de modo comum, melhorar a qualidade de transmissão do sinal e reduzir a interferência da descarga eletrostática.
4.3 Otimização do Desempenho de Blindagem do Chassis
Seleção de Materiais de Alta Permeabilidade: Dá prioridade a materiais com alta permeabilidade magnética, como placas de ferro, para fabricar o chassis, reforçar a capacidade de blindagem do campo magnético, absorver e dispersar a energia do campo magnético e reduzir a interferência no interior do EVT (a permeabilidade magnética relativa dos metais é mostrada na Tabela 1).
Otimização do Design de Estrutura do Chassis: Adota uma estrutura de blindagem totalmente fechada para garantir um bom contato e aterramento de cada superfície do chassis e reforçar o efeito de blindagem.
Fortalecimento do Tratamento de Aterramento do Chassis: Garante uma conexão de aterramento confiável entre o chassis e o solo, introduzindo correntes de perturbação no solo e melhorando a eficiência de blindagem.
5 Conclusão
Este artigo realiza uma pesquisa aprofundada sobre o desempenho de EMC dos EVTs, propõe princípios a partir dos aspectos de design de circuito e design de estrutura interna, e formula estratégias como design anti-interferência de portas de energia, proteção eletrostática de portas de sinal e otimização de blindagem do chassis. O objetivo é melhorar a capacidade anti-interferência e a estabilidade dos EVTs em ambientes eletromagnéticos complexos, garantir a medição precisa e confiável de sinais de tensão nos sistemas de energia e estabelecer uma base sólida para a operação segura e estável dos sistemas de energia.
