Зі швидким розвитком електроенергетичних систем, електронні вольтметри (EVT) як ключові вимірювальні пристрої в електроенергетичних системах, їх стабільність та надійність мають критичне значення для безпечного та стабільного функціонування електроенергетичних систем. Електромагнітна сумісність (EMC), як один із ключових показників EVТ, прямо пов'язана з здатністю пристрою нормально працювати в складному електромагнітному середовищі та не викликати електромагнітних завад іншим пристроям. Глибоке дослідження та проектування EMC-властивостей EVТ має велике значення для підвищення загальної стабільності та безпеки електроенергетичних систем.
1 Огляд електромагнітної сумісності електронних вольтметрів
1.1 Визначення та вимоги до електромагнітної сумісності
Електромагнітна сумісність (EMC) означає здатність пристрою або системи працювати без завад у конкретному електромагнітному середовищі та не викликати неприйнятних електромагнітних завад іншим об'єктам у цьому середовищі. Для EVТ потрібно зберігати стабільні вимірювальні характеристики в складному електромагнітному середовищі та не викликати електромагнітних завад іншим пристроям. Тому на етапах проектування та виробництва EVТ необхідно враховувати EMC-властивості та розробляти відповідні захисні заходи.
1.2 Принцип роботи електронних вольтметрів
EVT використовують принцип електромагнітної індукції та високоточну електронну технологію вимірювання для перетворення сигналів високого напруги в електроенергетичних системах на сигнали низької напруги. Зазвичай вони складаються з первинного сенсора, вторинного конвертора та блоку обробки сигналів. Первісний сенсор відповідає за перетворення сигналів високої напруги на слабкі струмові/вольтові сигнали, пропорційні первинній напрузі; вторинний конвертор подальше перетворює слабкі сигнали на стандартні цифрові/аналогові сигнали; блок обробки сигналів покращує точність та стабільність вимірювання шляхом операцій, таких як фільтрація, збільшення, калібрування. EVT можуть бути представлені у різних формах, таких як електронні вольтметри для вимірювання одноканальної/багатоканальної напруги, електронні амперметри для вимірювання одноканального/багатоканального струму, або інтегровані перетворювачі, як показано на рисунку 1, які одночасно вимірюють однокеровану напругу, струм та відповідну потужність.
1.3 Аналіз електромагнітних завад та електромагнітної чутливості
EVT є вразливими до зовнішніх електромагнітних завад у електромагнітному середовищі, таких як удар молньї та перехідні перенапруги від комутації, що можуть призвести до проблем, таких як збільшення помилок вимірювання та нестабільність даних; одночасно високочастотні гармоніки та електромагнітне випромінювання, генеровані самими EVT, також можуть завадяти іншому електрообладнанню. Тому при проектуванні EVT необхідно повністю враховувати питання електромагнітних завад та електромагнітної чутливості, а також приймати заходи зі зниження та захисту.
Тестування EMC-властивостей EVT є ключовим етапом для забезпечення їх стабільності та точності в реальній роботі. Воно зосереджується на здатності протистояти завадам та розподіляє оціночні стандарти на класи A та B залежно від важкості результатів тестування:
2 Аналіз тестів електромагнітної сумісності електронних вольтметрів
2.1 Зміст тестів та оціночні стандарти
Клас A: Потрібно, щоб при підверганні EVT електромагнітним завадам, точність вимірювання залишалася в рамках специфікацій, а вихідний сигнал напруги відповідав фактичному значенню, не впливаючи на моніторинг та керування електроенергетичною системою.
Клас B: Дозволяє тимчасовий спад вимірювальних характеристик (частини, не пов'язані з захистом) EVT, але не повинен впливати на виконання функцій захисту, а обладнання не потребує перезавантаження/перезапуску; вихідна напруга повинна бути контролювана в межах 500В, щоб уникнути завади електроенергетичної системи.
2.2 Тести проводних завад
Проводні завади поширюються через провідні шляхи, такі як дроти та металеві труби, і є одним із основних типів електромагнітних завад, з якими стикаються EVT. Вони включають два типи тестів:
Тест електричних швидких переходних процесів/вспухань: Імітує переходні завади (з широким частотним спектром) при відключення індуктивних навантажень, таких як реле та контактори. Накладає швидкі вспухання на EVT, спостерігає стабільність та точність вихідного сигналу напруги та оцінює здатність протистояти завадам.
Тест стійкості до стрибків напруги (впливу): Імітує перехідні перенапруги/перенапружені струми, викликані комутацією та ударом молньї (з великою енергією та коротким тривалістю). Накладає стрибок напруги певної амплітуди на EVT для тестування стійкості обладнання та стабільності його роботи.
2.3 Тести радіаційних завад
Включають чотири типи тестів для імітації завад у різних електромагнітних середовищах:
Тест стійкості до магнітного поля мережевої частоти: Накладає магнітне поле мережевої частоти певної інтенсивності на EVT, спостерігає стабільність та точність вихідного сигналу напруги, оцінює здатність протистояти завадам у середовищі магнітного поля мережевої частоти.
Тест стійкості до затухаючого коливального магнітного поля: Імітує затухаюче коливальне магнітне поле (з швидким затуханням та високою частотою), що генерується при комутації шин високовольтної підстанції. Накладає відповідне магнітне поле на EVT для тестування стабільності вимірювальних характеристик.
Тест стійкості до імпульсного магнітного поля: Імітує імпульсне магнітне поле (з швидким зростанням та високим піковим значенням), що генерується при ударі молньї по металевим компонентам. Накладає імпульсне магнітне поле на EVT, перевіряє, чи впливає на ізоляційні характеристики та точність вимірювання обладнання.
Тест стійкості до радіочастотного радіованого електромагнітного поля: Імітує паразитне випромінювання від промислових електромагнітних джерел, радіо-розсилання/базових станцій мобільної зв'язку тощо. Накладає радіочастотне електромагнітне поле певної інтенсивності на EVT, спостерігає стабільність вихідного сигналу, оцінює здатність протистояти завадам.
3 Принципи проектування електромагнітної сумісності електронних вольтметрів
3.1 Принципи проектування електричних схем
Проектування з плаваючим заземленням: Використовується технологія плаваючого заземлення для ізоляції сигналів електричних схем від корпусу, щоб заблокувати куплення завадних струмів на корпусі до сигналів схеми, зменшити шум та покращити точність та стабільність сигналів.
Розумне розташування проводів: Оптимізується розташування живлення, заземлення та сигналів. Зменшується паралельне розташування ліній, зменшується куплення завад між лініями за допомогою методів, таких як шарування проводів та ортогональне розташування.
Проектування фільтруючих конденсаторів: Конфігуруються фільтруючі конденсатори на вході модуля живлення. Вибираються конденсатори з урахуванням факторів, таких як ємність, стійкість до напруги та частотні характеристики, для фільтрації високочастотних шумів та завад, введених живленням.
Проектування з низьким рівнем логіки: Віддається перевага пристроям з низьким рівнем логіки (наприклад, пристроям з рівнем 3.3V), щоб уникнути непотрібного високого рівня логіки, зменшити споживання електроенергії схемою та генерацію високочастотних завад.
Контроль часу зростання/спаду: Вибирається найповільніший час зростання/спаду, дозволений функцією схеми, для пригнічення непотрібних високочастотних компонентів, зменшення високочастотного шуму в схемі, підвищення стабільності та точності сигналів.
3.2 Принципи проектування внутрішньої структури
Повністю закрита екранируюча конструкція: Корпус використовує повністю закриту екранируючу конструкцію, щоб забезпечити хороший контакт та заземлення кожного поверхня, ефективно заблокувати зовнішні електромагнітні завади та захистити внутрішні електронні схеми.
Мінімізація відкритих проводів: Зкорочується довжина відкритих проводів в корпусі шляхом оптимізації розташування та раціонального розташування компонентів, щоб зменшити електромагнітне випромінювання та куплення завад.
Групування проводів: Проводи групуються згідно з типами сигналів (відокремлюються цифрові сигнали від аналогових), та зберігається певна відстань, щоб зменшити взаємний вплив проводів та покращити ясність та точність сигналів.
Прикріплення провідними клеями: Використовуються провідні клеї для прикріплення на інтерфейсі корпуса, щоб забезпечити електричне з'єднання та ефект екранирування, зменшити контактну опір та підвищити ефективність екранирування.
4 Стратегії підвищення електромагнітної сумісності електронних вольтметрів
4.1 Антізавадне проектування портів живлення
Встановлення фільтрів живлення: Вибираються відповідні фільтри живлення згідно з номінальною потужністю та робочим середовищем EVT, встановлюються близько до входу живлення, щоб відфільтрувати високочастотні шуми та переходні імпульси та забезпечити чистоту живлення.
Впровадження резервного проектування живлення: Конфігуруються кілька модулів живлення. Коли один модуль виходить з ладу, решта модулів швидко приймають на себе функцію живлення, підвищуючи надійність, антізавадні властивості та загальну стабільність EVT.
Посилення екранирування та заземлення ліній живлення: Використовуються екранирувані кабелі для обгортання ліній живлення, щоб зменшити електромагнітне випромінювання та куплення завад; забезпечується якісне заземлення ліній, вводиться завадний струм у землю, щоб уникнути пошкодження EVT.
4.2 Захист від електростатичного випускання сигналів на портах
Встановлення пристроїв поглинання тимчасових завад: Вибираються відповідні діоди підавлення тимчасових напруг (TVS), варистори та інші пристрої. Ці пристрої можуть швидко поглинати енергію під час електростатичного випускання, контролювати напругу в межах безпечного діапазону та захищати внутрішні електронні компоненти.
Впровадження методу диференційної передачі сигналів: Розділяються сигнали на позитивні та негативні канали для диференційної передачі. Використовується різниця між каналами для виділення ефективної інформації, протистояння загальному режиму завад, підвищення якості передачі сигналів та зменшення впливу електростатичного випускання.
4.3 Оптимізація екранируючих властивостей корпуса
Вибір матеріалів з високою магнітною пермеабільністю: Віддається перевага матеріалам з високою магнітною пермеабільністю, таким як сталеві плити, для виготовлення корпуса, підвищення здатності екранирування магнітного поля, поглинання та розсіяння енергії магнітного поля, зменшення завад всередині EVT (відносна магнітна пермеабільність металів представлена в таблиці 1).
Оптимізація конструкції корпуса: Використовується повністю закрита екранируюча конструкція, щоб забезпечити хороший контакт та заземлення кожного поверхня корпуса та підвищити ефективність екранирування.
Посилення обробки заземлення корпуса: Забезпечується надійне з'єднання між корпусом та землею, вводиться завадний струм у землю, підвищується ефективність екранирування.
5 Висновки
У цій статті проведено глибоке дослідження EMC-властивостей EVT, запропоновано принципи з точки зору проектування електричних схем та внутрішньої структури, сформульовано стратегії, такі як антізавадне проектування портів живлення, електростатичний захист портів сигналів та оптимізація екранируючих властивостей корпуса. Метою є підвищення антізавадних властивостей та стабільності EVT у складному електромагнітному середовищі, забезпечення точного та надійного вимірювання сигналів напруги в електроенергетичних системах, створення міцного фундаменту для безпечного та стабільного функціонування електроенергетичних систем.
