Med den snabba utvecklingen av kraftsystem har elektroniska spänningsomvandlare (EVTs), som viktiga mätenheter i kraftsystem, en avgörande betydelse för prestandastabilitet och tillförlitlighet för det säkra och stabila drift av kraftsystem. Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) som ett av de kärnindikatorerna för EVT är direkt relaterat till enhetens förmåga att fungera normalt i komplexa elektromagnetiska miljöer och om den orsakar elektromagnetisk störning till andra enheter. Att genomföra djupgående forskning och design av EMC-prestandan för EVT är av stor betydelse för att förbättra det totala stabiliteten och säkerheten i kraftsystem.
1 Översikt över elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda för elektroniska spänningsomvandlare
1.1 Definition och krav på elektromagnetisk kompatibilitet
Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) refererar till en enhets eller ett systemets förmåga att fungera normalt utan störningar i en specifik elektromagnetisk miljö och inte orsaka oacceptabel elektromagnetisk störning till andra saker i miljön. För EVT behöver de bibehålla stabil mätningsegenskap i komplexa elektromagnetiska miljöer och inte orsaka elektromagnetisk störning till andra enheter. Därför måste EMC-prestandan tas i beaktning under design- och tillverkningsstadiet av EVT, och motsvarande skyddsåtgärder måste fastställas.
1.2 Arbetsprincip för elektroniska spänningsomvandlare
EVT använder principen om elektromagnetisk induktion och högprecisionsteknik för elektroniska mätningar för att konvertera högspänningssignaler i kraftsystem till lågspänningssignaler. De består vanligtvis av en primär sensor, en sekundär konverteringskrets och en signalsbehandlingsenhet. Den primära sensorn ansvarar för att konvertera högspänningssignaler till svaga ström-/spänningssignaler proportionella till den primära spänningen; den sekundära konverteringskretsen konverterar vidare de svaga signalerna till standardiserade digitala/analogsignaler; signalsbehandlingsenheten förbättrar mätningens noggrannhet och stabilitет через операции, такие как фильтрация, усиление и калибровка. Электронные трансформаторы напряжения могут включать различные формы, такие как электронные трансформаторы для измерения одно- или многоканального напряжения, электронные трансформаторы тока для измерения одно- или многоканального тока, или интегрированные трансформаторы, как показано на рисунке 1, которые одновременно измеряют однонаправленное напряжение, ток и соответствующую мощность.
1.3 Analys av elektromagnetisk störning och elektromagnetisk känslighet
EVT är sårbara för externa elektromagnetiska störningar i elektromagnetiska miljöer, såsom blixtnedslag och transitoriska överspänningar från brytare, vilket kan leda till problem som ökad mätfelet och instabil data; samtidigt kan de högfrekventa harmoniska vågformerna och elektromagnetiska strålningar som genereras av EVT själva också störa andra elektriska apparater. Därför behöver frågor angående elektromagnetisk störning och elektromagnetisk känslighet fullt beaktas vid design av EVT, och åtgärder för undertryckning och skydd bör vidtas.
EMC-prestandatest för EVT är en nyckelkomponent för att säkerställa deras stabilitet och precision i praktisk drift. Det fokuserar på motståndskraft mot störningar och indelar utvärderingsstandarderna i klass A och B enligt allvarligheten av testresultaten:
2 Analys av elektromagnetisk kompatibilitetsprestandatester för elektroniska spänningsomvandlare
2.1 Testinnehåll och utvärderingsstandarder
Klass A: Det krävs att när EVT utsätts för elektromagnetiska störningar, mätningens noggrannhet fortfarande hålls inom specifikationsgränserna, och utgångsspänningsignalen är konsistent med det faktiska värdet utan att påverka övervakning och kontroll av kraftsystemet.
Klass B: Det tillåter en tillfällig minskning av mätningsegenskaperna (den delen som inte är relaterad till skydd) hos EVT, men det får inte påverka utförandet av skyddsfunktioner, och utrustningen behöver inte startas om; utgångsspänningen måste hållas inom 500V för att undvika störning av kraftsystemet.
2.2 Fördelade störningstester
Fördelade störningar sprider sig genom ledande vägar som trådar och metallrör och är en av de huvudsakliga typerna av elektromagnetiska störningar som EVT står inför. Det inkluderar två typer av tester:
Test för elektriska snabbtransienter/burst: Simulerar transientstörningar (med ett brett frekvensspektrum) när induktiva belastningar som reläer och kontaktor kopplas ifrån. Tillämpar en snabb-transient burst på EVT, observerar stabiliteten och noggrannheten i utgångsspänningsignalen, och utvärderar motståndskraften mot störningar.
Surge (påverkan) immunitetstest: Simulerar transitoriska överspänningar/överströmmar orsakade av brytaroperationer och blixtnedslag (med stor energi och kort varaktighet). Tillämpar en surgespänning med viss amplitud på EVT för att testa utrustningens uthållighet och prestandastabilitet.
2.3 Strålade störningstester
Det inkluderar fyra typer av tester för att simulera störningar i olika elektromagnetiska miljöer:
Immunitetstest för nätspänningens magnetfält: Tillämpar ett nätspänningsmagnetfält med viss intensitet på EVT, observerar stabiliteten och noggrannheten i utgångsspänningsignalen, och utvärderar motståndskraften mot störningar i nätspänningsmagnetfältsmiljö.
Immunitetstest för dämpade oskulerande magnetfält: Simulerar dämpade oskulerande magnetfält (med snabb dämpning och hög frekvens) som genereras när kopplingsbrytaren i en högspänningsstation växlar bus. Tillämpar motsvarande magnetfält på EVT för att testa mätningsegenskapernas stabilitet.
Immunitetstest för pulsartade magnetfält: Simulerar pulsartade magnetfält (med snabb uppgång och hög toppvärde) som genereras av blixtnedslag på metallkomponenter. Tillämpar ett pulsartat magnetfält på EVT för att verifiera om utrustningens isoleringsegenskaper och mätningarnas noggrannhet påverkas.
Immunitetstest för radiofrekvent strålade elektromagnetiskt fält: Simulerar parasitstrålning från industriella elektromagnetiska källor, radiosändningar/mobila kommunikationsbasstationer, etc. Tillämpar ett radiofrekvent elektromagnetiskt fält med viss intensitet på EVT, observerar stabiliteten i utgångssignalen, och utvärderar motståndskraften mot störningar.
3 Designprinciper för elektromagnetisk kompatibilitet av elektroniska spänningsomvandlare
3.1 Kretsdesignprinciper
Flytande jorddesign: Använd flytande jordteknologi för att isolera kretssignallinjer från chassit, blockera kopplingen av störningsströmmar på chassit till signalkretsen, minska brus, och förbättra signalegenskapernas noggrannhet och stabilitet.
Rimlig kablagelayout: Optimering av layouten för strömförsörjningar, jorder och signallinjer. Minska parallella distributioner av linjer och minimera kopplingssignalstörningar mellan linjer genom metoder som lagerkablage och ortogonalt kablage.
Filterkondensator-design: Konfigurera filterkondensatorer vid ingången till modulströmförsörjningen. Välj kondensatorer baserat på faktorer som kapacitansvärde, spänningsmotstånd och frekvenskarakteristika för att filtrera bort högfrekventa brus och störningar introducerade av strömförsörjningen.
Lågnivålogikdesign: Ge prioritet till lågnivålogikenheter (t.ex. 3.3V-nivåenheter) för att undvika onödiga höga logiknivåer, minska kretsens strömförbrukning och generationen av högfrekventa störningar.
Stig/tillbakagångstidkontroll: Välj den långsammaste stig/tillbakagångstiden som möjliggörs av kretsfunktionen för att undertrycka onödiga högfrekventa komponenter, minska högfrekvent brus i kretsen, och förbättra signalegenskapernas stabilitet och noggrannhet.
3.2 Inre strukturdesignprinciper
Fullständigt stängd sköljningsstruktur: Chassihussen använder en fullständigt stängd sköljningsdesign för att säkerställa bra kontakt och jordning av varje yta, effektivt blockera externa elektromagnetiska fältstörningar, och skydda de inre elektroniska kretsarna.
Minimering av exponerade kablar: Forkorta längden av exponerade kablar i chassit genom att optimera layouten och rätt anordna komponenter för att minska elektromagnetisk strålning och kopplingssignalstörningar.
Gruppering av kablar: Gruppera kablar enligt signaltyper (separera digitala signaler och analoga signaler), och håll en viss avstånd för att minska den gensidiga påverkan mellan kablar och förbättra signalklarhet och noggrannhet.
Ledande limfastning: Använd ledande lim för fastning vid chassigränssnittet för att säkerställa elektrisk kontakt och sköljningseffekt, minska kontaktmotstånd, och förbättra sköljningseffektivitet.
4 Strategier för att förbättra elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda för elektroniska spänningsomvandlare
4.1 Störningsmotståndskraftig design av strömförsörjningsportar
Installera strömförsörjningsfilter: Välj lämpliga strömförsörjningsfilter baserat på EVT:s nominella effekt och arbetsmiljö, och installera dem nära strömförsörjningsinloppet för att filtrera bort högfrekventa brus och transitoriska pulser och säkerställa strömförsörjningens renhet.
Använd redundant strömförsörjningsdesign: Konfigurera flera strömförsörjningsmoduler. När en enskild modul misslyckas tar de återstående modulerna snabbt över strömförsörjningen, vilket förbättrar strömförsörjningens tillförlitlighet, störningsmotståndskraft, och den totala stabiliteten hos EVT.
Förstärk skydd och jordning av strömförsörjningslinjer: Använd sköljda kabler för att omsluta strömförsörjningslinjer för att minska elektromagnetisk strålning och koppling; säkerställ god jordning av linjerna, införa störningsströmmar i jorden, och undvik skada på EVT.
4.2 ESD-skydd för signalportar
Installera absorberingsenheter för transienta störningar: Välj lämpliga transienta spänningsundertryckningsdioder (TVS), varistorer, och andra enheter. Dessa enheter kan snabbt absorbera energi under ESD, kontrollera spänningen inom ett säkert intervall, och skydda de inre elektroniska komponenterna.
Använd differentiell signalöverföringsmetod: Dela upp signalen i positiva och negativa kanaler för differentiell överföring. Använd signalskillnaden mellan kanalerna för att extrahera effektiv information, motstå gemensam-mode störningar, förbättra signalöverföringskvaliteten, och minska ESD-störning.
4.3 Optimering av chassisköljningsprestanda
Välj material med hög permeabilitet: Ge prioritet till material med hög magnetisk permeabilitet, som järnplåtar, för att göra chassit, förbättra magnetfältsköljningsförmågan, absorbera och sprida magnetfältenergi, och minska störning till EVT:s insida (det relativa magnetiska permeabilitet för metaller visas i tabell 1).
Optimera chassistrukturdesign: Använd en fullständigt stängd sköljningsstruktur för att säkerställa god kontakt och jordning av varje yta av chassit och förbättra sköljningseffekten.
Förstärk chassijordning: Säkerställ en tillförlitlig jordningskoppling mellan chassit och jorden, införa störningsströmmar i jorden, och förbättra sköljningseffektiviteten.
5 Slutsats
Denna artikel genomför en djupgående studie av EVT:s EMC-prestanda, föreslår principer från aspekterna kretsdesign och inre strukturdesign, och formulerar strategier som störningsmotståndskraftig design av strömförsörjningsportar, ESD-skydd för signalportar, och optimering av chassisköljning. Syftet är att förbättra EVT:s störningsmotståndskraft och stabilitet i komplexa elektromagnetiska miljöer, säkerställa deras korrekta och tillförlitliga mätning av spänningssignaler i kraftsystem, och lägga en solid grund för det säkra och stabila drift av kraftsystem.
