С быстрым развитием энергетических систем электронные напряженческие трансформаторы (EVTs), как ключевые измерительные устройства в энергетических системах, их стабильность и надежность работы имеют решающее значение для безопасной и стабильной работы энергетических систем. Электромагнитная совместимость (EMC) как один из основных показателей EVTs напрямую связана с способностью устройства нормально работать в сложных электромагнитных условиях и не вызывать электромагнитные помехи другим устройствам. Проведение глубоких исследований и проектирования EMC EVTs имеет большое значение для повышения общей стабильности и безопасности энергетических систем.
1 Обзор электромагнитной совместимости электронных напряженческих трансформаторов
1.1 Определение и требования к электромагнитной совместимости
Электромагнитная совместимость (EMC) означает способность устройства или системы нормально функционировать без помех в определенной электромагнитной среде и не вызывать неприемлемых электромагнитных помех другим объектам в этой среде. Для EVTs необходимо поддерживать стабильные измерительные характеристики в сложных электромагнитных условиях и не вызывать электромагнитные помехи другим устройствам. Поэтому на этапах проектирования и производства EVTs необходимо учитывать EMC и разрабатывать соответствующие меры защиты.
1.2 Принцип работы электронных напряженческих трансформаторов
EVTs используют принцип электромагнитной индукции и высокоточные электронные измерительные технологии для преобразования высоковольтных сигналов в энергетических системах в низковольтные сигналы. Они обычно состоят из первичного датчика, вторичной преобразовательной цепи и блока обработки сигналов. Первичный датчик отвечает за преобразование высоковольтных сигналов в слабые токовые/напряженческие сигналы, пропорциональные первичному напряжению; вторичная преобразовательная цепь затем преобразует слабые сигналы в стандартные цифровые/аналоговые сигналы; блок обработки сигналов улучшает точность и стабильность измерений путем фильтрации, усиления и калибровки. EVTs могут включать различные формы, такие как электронные напряженческие трансформаторы для измерения одноканальных/многоканальных напряжений, электронные токовые трансформаторы для измерения одноканальных/многоканальных токов, или интегрированные трансформаторы, как показано на рисунке 1, которые одновременно измеряют однонаправленное напряжение, ток и соответствующую мощность.
1.3 Анализ электромагнитных помех и электромагнитной чувствительности
EVTs уязвимы к внешним электромагнитным помехам в электромагнитной среде, таким как удары молнии и переходные перенапряжения от операций коммутации, которые могут вызвать проблемы, такие как увеличение погрешностей измерений и нестабильность данных; в то же время, высокочастотные гармоники и электромагнитное излучение, генерируемые самими EVTs, также могут создавать помехи другому электрооборудованию. Поэтому при проектировании EVTs необходимо полностью учитывать вопросы электромагнитных помех и электромагнитной чувствительности, а также принимать меры по подавлению и защите.
Тестирование EMC EVTs является ключевым звеном, обеспечивающим их стабильность и точность в реальной эксплуатации. Оно сосредоточено на анти-помеховых свойствах и классифицирует оценочные стандарты на класс A и класс B в зависимости от степени результатов тестирования:
2 Анализ тестов электромагнитной совместимости электронных напряженческих трансформаторов
2.1 Содержание тестов и оценочные стандарты
Класс A: Требуется, чтобы при воздействии электромагнитных помех точность измерений EVTs оставалась в пределах установленных спецификаций, а выходной сигнал напряжения соответствовал фактическому значению, не влияя на мониторинг и управление энергетической системой.
Класс B: Допускается временный спад в измерительных характеристиках (часть, не связанная с защитой) EVTs, но это не должно влиять на выполнение функций защиты, и оборудование не требует перезагрузки/перезапуска; выходное напряжение должно быть контролируемым в пределах 500 В, чтобы избежать помех в энергетической системе.
2.2 Тесты проводимых помех
Проводимые помехи распространяются через проводящие пути, такие как провода и металлические трубы, и являются одним из основных типов электромагнитных помех, с которыми сталкиваются EVTs. Включают два типа тестов:
Тест на быстротечные импульсы/серии: Имитирует переходные помехи (с широким частотным спектром) при отключении индуктивных нагрузок, таких как реле и контакторы. Применяет быстротечную серию к EVT, наблюдает за стабильностью и точностью выходного сигнала напряжения и оценивает анти-помеховую способность.
Тест на иммунитет к импульсным перенапряжениям (ударам): Имитирует переходные перенапряжения/переходные токи, вызванные операциями коммутации и ударами молнии (с большой энергией и короткой длительностью). Применяет импульсное напряжение определенной амплитуды к EVT, чтобы проверить выносливость оборудования и стабильность его характеристик.
2.3 Тесты на радиационные помехи
Включают четыре типа тестов для имитации помех в различных электромагнитных средах:
Тест на иммунитет к сетевому магнитному полю: Применяет сетевое магнитное поле определенной интенсивности к EVT, наблюдает за стабильностью и точностью выходного сигнала напряжения и оценивает анти-помеховую способность в условиях сетевого магнитного поля.
Тест на иммунитет к затухающему колебательному магнитному полю: Имитирует затухающее колебательное магнитное поле (с быстрым затуханием и высокой частотой), возникающее при переключении шины в высоковольтной подстанции. Применяет соответствующее магнитное поле к EVT, чтобы проверить стабильность измерительных характеристик.
Тест на иммунитет к импульсному магнитному полю: Имитирует импульсное магнитное поле (с быстрым нарастанием и высокой амплитудой), возникающее при ударах молнии по металлическим компонентам. Применяет импульсное магнитное поле к EVT, чтобы проверить, влияет ли оно на изоляционные характеристики и точность измерений оборудования.
Тест на иммунитет к радиочастотному радиационному электромагнитному полю: Имитирует паразитное излучение от промышленных источников, радиовещательных станций/базовых станций мобильной связи и т.д. Применяет радиочастотное электромагнитное поле определенной интенсивности к EVT, наблюдает за стабильностью выходного сигнала и оценивает анти-помеховую способность.
3 Принципы проектирования электромагнитной совместимости электронных напряженческих трансформаторов
3.1 Принципы проектирования цепей
Дизайн с плавающим заземлением: Используйте технологию плавающего заземления, чтобы изолировать сигнальные линии цепи от корпуса, блокировать соединение помеховых токов на корпусе с сигнальной цепью, уменьшить шум и повысить точность и стабильность сигнала.
Рациональная разводка проводов: Оптимизируйте расположение источников питания, заземления и сигнальных линий. Уменьшите параллельное распределение линий и минимизируйте взаимное влияние между линиями, используя методы, такие как многослойная разводка и ортогональная разводка.
Дизайн конденсаторов фильтра: Установите конденсаторы фильтра на входе модульного источника питания. Выберите конденсаторы, учитывая такие факторы, как емкость, напряжение и частотные характеристики, чтобы фильтровать высокочастотные шумы и помехи, вносимые источником питания.
Дизайн с низким уровнем логики: Отдавайте предпочтение устройствам с низким уровнем логики (например, устройствам уровня 3.3 В), чтобы избежать ненужных высоких уровней логики, уменьшить потребление энергии цепи и генерацию высокочастотных помех.
Контроль времени нарастания/спада: Выберите максимально медленное время нарастания/спада, допустимое функциональными возможностями цепи, чтобы подавлять ненужные высокочастотные компоненты, уменьшить высокочастотный шум в цепи и улучшить стабильность и точность сигнала.
3.2 Принципы внутреннего конструктивного проектирования
Полностью закрытая экранирующая конструкция: Корпус имеет полностью закрытую экранирующую конструкцию, обеспечивая хорошее соприкосновение и заземление каждой поверхности, эффективно блокируя внешнее электромагнитное поле и защищая внутренние электронные цепи.
Минимизация открытых проводов: Сократите длину открытых проводов в корпусе, оптимизировав расположение и рационально разместив компоненты, чтобы уменьшить электромагнитное излучение и взаимное влияние.
Группировка проводов: Группируйте провода по типам сигналов (отдельно цифровые и аналоговые сигналы), сохраняя определенное расстояние, чтобы уменьшить взаимное влияние между проводами и улучшить четкость и точность сигнала.
Применение проводящих клеев: Используйте проводящие клеи для склеивания на интерфейсе корпуса, чтобы обеспечить электрическое соединение и эффект экранирования, уменьшить контактное сопротивление и повысить эффективность экранирования.
4 Стратегии улучшения электромагнитной совместимости электронных напряженческих трансформаторов
4.1 Анти-помеховый дизайн портов питания
Установка фильтров питания: Выберите подходящие фильтры питания в соответствии с номинальной мощностью и рабочей средой EVT, установите их близко к входу питания, чтобы фильтровать высокочастотные шумы и переходные импульсы и обеспечить чистоту питания.
Использование резервного дизайна питания: Конфигурируйте несколько модулей питания. При отказе одного модуля остальные быстро берут на себя питание, повышая надежность, анти-помеховую способность и общую стабильность EVT.
Усиление экранирования и заземления линий питания: Используйте экранированные кабели для обертывания линий питания, чтобы уменьшить электромагнитное излучение и взаимное влияние; обеспечьте хорошее заземление линий, направьте помеховые токи в землю, чтобы избежать повреждения EVT.
4.2 Защита от электростатического разряда на сигнальных портах
Установка устройств поглощения переходных помех: Выберите подходящие диоды подавления переходных напряжений (TVS), варисторы и другие устройства. Эти устройства могут быстро поглощать энергию при электростатическом разряде, контролировать напряжение в безопасном диапазоне и защищать внутренние электронные компоненты.
Использование дифференциального метода передачи сигнала: Разделите сигнал на положительный и отрицательный каналы для дифференциальной передачи. Используйте разницу сигналов между каналами для извлечения эффективной информации, сопротивления общему режиму помех, улучшения качества передачи сигнала и уменьшения влияния электростатического разряда.
4.3 Оптимизация экранирующих характеристик корпуса
Выбор материалов с высокой магнитной проницаемостью: Отдавайте предпочтение материалам с высокой магнитной проницаемостью, таким как железные пластины, для изготовления корпуса, чтобы усилить способность экранирования магнитного поля, поглощать и рассеивать энергию магнитного поля и уменьшить помехи внутри EVT (относительная магнитная проницаемость металлов показана в таблице 1).
Оптимизация конструкции корпуса: Используйте полностью закрытую экранирующую конструкцию, чтобы обеспечить хорошее соприкосновение и заземление каждой поверхности корпуса и усилить эффект экранирования.
Усиление заземления корпуса: Обеспечьте надежное заземление между корпусом и землей, направьте помеховые токи в землю и улучшите эффективность экранирования.
5 Заключение
В данной работе проведены глубокие исследования EMC EVTs, предложены принципы с точки зрения проектирования цепей и внутренней конструкции, а также разработаны стратегии, такие как анти-помеховый дизайн портов питания, защита от электростатического разряда на сигнальных портах и оптимизация экранирующих характеристик корпуса. Цель — улучшить анти-помеховую способность и стабильность EVTs в сложных электромагнитных условиях, обеспечить точное и надежное измерение сигналов напряжения в энергетических системах и заложить прочную основу для безопасной и стабильной работы энергетических систем.
