變電站微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的電磁兼容及應(yīng)對(duì)措施

李紅兵 張展華

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司712研究所，武漢 430064 )

1 引言

微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置以其先進(jìn)的原理及結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，保護(hù)動(dòng)作迅速、靈敏度高，可靠性強(qiáng)且能自動(dòng)記錄故障信息等顯著優(yōu)點(diǎn)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

作為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的底層終端設(shè)備，通常安裝在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜上，這就對(duì)設(shè)備的整體綜合可靠性提出了特殊的要求，微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在嚴(yán)酷的電磁環(huán)境，而變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部各自子系統(tǒng)都為低電平的弱電系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)處理器件（傳感器、變送器、傳輸線）靈敏度高，對(duì)電磁干擾的敏感性強(qiáng)，該裝置在強(qiáng)電磁干擾下，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行異常，甚至元器件損壞，即該裝置的電磁兼容問(wèn)題所致。

2 電磁兼容

2.1 電磁兼容的產(chǎn)生使裝置受到的干擾

電磁兼容，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一個(gè)裝置在電磁干擾環(huán)境中的正常工作的適應(yīng)能力。電磁干擾在變電站微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置中無(wú)處不在，對(duì)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)造成不良后果。

（1）電源回路受干擾；

（2）模擬量輸入通道受干擾；

（3）開(kāi)關(guān)量輸入、輸出通道受干擾；

（4）CPU和數(shù)字電路受干擾。

對(duì)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置來(lái)說(shuō)，要提高系統(tǒng)的可靠性，就是采取相應(yīng)的抗電磁干擾防護(hù)措施消除或降低干擾帶來(lái)的危害。下面從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)列出微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置抗電磁干擾所采取的防護(hù)措施。

2.2 裝置硬件方面的抗電磁干擾措施

硬件通常抑制電磁干擾的措施包括三方面的內(nèi)容：一方面是積極地防范電磁干擾的措施，即抑制干擾源；另一方面是消極防患電磁干擾措施，即阻斷干擾途徑；再一方面是預(yù)防性抑制電磁干擾的措施，即降低受干擾裝置的噪聲敏感度。微機(jī)保護(hù)研究的重點(diǎn)是“阻斷電磁干擾途徑”及提高微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的抗電磁干擾水平。

通常，微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置在硬件設(shè)計(jì)上采用以下抗電磁干擾措施：

（1）阻塞耦合通道

電源濾波、旁路/退耦電容、輔助變流器/變壓器電屏蔽、光電隔離、弱電系統(tǒng)浮地、強(qiáng)弱電信號(hào)走線分離、磁屏蔽、單點(diǎn)接地、雙絞線、PCB板內(nèi)合理分塊布線等措施；

（2）提高敏感設(shè)備的電磁敏感度

去耦電容、多層印制板、電磁波屏蔽、邏輯與5 V系統(tǒng)總線不外引，各CPU間通訊采用雙絞線等措施；

下面給出了本裝置機(jī)箱及對(duì)外引線端子所采取的屏蔽及隔離措施：

（1）機(jī)箱：用防銹鋁板，采用 2.5mm的薄板，成形后再作導(dǎo)電氧化處理。機(jī)箱前后兩面開(kāi)口，其余各面用型材料螺釘安裝而成，組裝容易，接縫嚴(yán)密，可防止孔縫泄漏，接地良好，裝置就能順利通過(guò)靜電放電干擾試驗(yàn)和工頻磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)。

（2）電源：從干擾源入手抑制開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部噪聲；從干擾傳輸途徑入手在開(kāi)關(guān)電源輸入端口的濾波；從敏感設(shè)備入手在弱電回路設(shè)置濾波；從減少5 V，5 V GND的長(zhǎng)度及其環(huán)路面積入手采用分布電源。

（3）開(kāi)關(guān)量輸入、輸出回路：

①慎重選取光耦器件；設(shè)計(jì)印制板時(shí)，一定要樹(shù)立“光耦器件是一個(gè)比較敏感的器件”的概念；電路中設(shè)置EMI器件，以提高共模回路的阻抗來(lái)抑制干擾；

②依靠軟件延時(shí)、連續(xù)多次讀取開(kāi)關(guān)量輸入來(lái)確認(rèn)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。

（4）交流回路：減小輔助變流器/變壓器原、副邊的耦合電容；增加共模騷擾回路的阻抗。

（5）各電路印制板與主板之間安裝和取出方便，印制板的屏蔽和間距良好地解決了電磁干擾問(wèn)題。

2.3 裝置軟件方面的抗電磁干擾措施

采用硬件抗電磁干擾措施可大大提高裝置的可靠性。一旦干擾突破了由硬件組成的防線，可由軟件進(jìn)行糾正，以防造成微機(jī)工作出錯(cuò)，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)。微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置在軟件方面采取了以下抗電磁干擾措施：

（1）系統(tǒng)自檢程序可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，自檢程序可對(duì)內(nèi)部RAM、FLASH ROM、I/O通道、傳感器等進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷，這樣就能了解系統(tǒng)各個(gè)器件的運(yùn)行狀況，進(jìn)行及時(shí)有效的維護(hù)。并可避免因器件原因使系統(tǒng)受干擾而不能工作的情況；

（2）對(duì)開(kāi)關(guān)量的采集采用多次采集進(jìn)行表決，才確認(rèn)開(kāi)關(guān)變位；對(duì)故障采用連續(xù)多次的確認(rèn)方法；

（3）采用數(shù)字濾波可以克服計(jì)量算法的分散性，如電壓、電流的計(jì)算采用了滑動(dòng)平均濾波的方法，有效地消除了瞬時(shí)干擾的影響；

（4）程序每次上電初始化時(shí)，均對(duì)整定值進(jìn)行校驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則啟用備份數(shù)據(jù)；

（5）程序中設(shè)計(jì)了自檢程序，可通過(guò)人機(jī)接口測(cè)試?yán)^電器、指示燈、校驗(yàn)RAM、校驗(yàn)定值、A/D通道等；

（6）軟件采用數(shù)據(jù)冗余及看門(mén)狗等技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3 微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的抗擾度要求

3.1 裝置各個(gè)端口電磁兼容要求

GB/T 7261-2000及IEC 60255-26提案規(guī)定了量度繼電器和保護(hù)裝置各個(gè)端口的電磁發(fā)射及抗擾度的試驗(yàn)項(xiàng)目及水平。發(fā)射試驗(yàn)規(guī)定了機(jī)箱外殼端口及電源端口產(chǎn)生的電磁騷擾不得超過(guò)影響到其它裝置正常工作的限值，抗擾度試驗(yàn)考核了連續(xù)的瞬態(tài)傳導(dǎo)性騷擾、靜電放電及輻射騷擾對(duì)量度繼電器和保護(hù)裝置影響情況。具體的抗擾度試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

3.2 幾種瞬變騷擾分析、比較

裝置電磁兼容試驗(yàn)包括：靜電放電(ESD)干擾試驗(yàn)、輻射電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)、1 MHz和100 kHz衰減振蕩波干擾試驗(yàn)、浪涌(沖擊)干擾試驗(yàn)、快速瞬變脈沖群干擾試驗(yàn)。

GB/T 7261-2000和GB/T 17626.X (idt IEC 61000-4-X)抗擾度試驗(yàn)中有相當(dāng)數(shù)量是傳導(dǎo)性瞬變騷擾干擾。瞬變騷擾的起因是多種多樣，如開(kāi)關(guān)動(dòng)作、電網(wǎng)故障、自然現(xiàn)象等。由于電子設(shè)備發(fā)展趨向于數(shù)字系統(tǒng)，使得瞬變騷擾試驗(yàn)顯得尤其重要。描述瞬變騷擾的重要特征:

a) 干擾是單方向的，還是振蕩的瞬變；

b) 干擾幅度及持續(xù)時(shí)間；

c) 振蕩瞬變的衰減系數(shù);

d) 脈沖強(qiáng)度或能量；

e) 上升時(shí)間(或最大電壓梯度dv/dt)；

f) 干擾的重復(fù)率。

此外，瞬變騷擾對(duì)敏感設(shè)備的作用的方式:共模瞬變干擾、差模瞬變干擾。

表2給出了靜電放電ESD,1MHz衰減振蕩波、電快速瞬變EFT、浪涌四種典型的瞬變騷擾信號(hào)的特性比較。

瞬變騷擾的快速上升沿是破壞電路工作的最主要因素，因?yàn)樗鼈冊(cè)趥鬏斶^(guò)程中衰減最小，并在感性地線和信號(hào)線中產(chǎn)生較大的電壓。對(duì)數(shù)字電路影響較大。電源回路瞬態(tài)包括差模及共模兩種形式。差模尖峰電壓往往有較慢的上升時(shí)間和較高的能量，為了防止輸入電路損壞，需要采取抑制措施。而抑制共模瞬態(tài)更困難一些。

表1 各個(gè)端口對(duì)應(yīng)的抗擾度試驗(yàn)

表2 幾種瞬態(tài)干擾比較

4 結(jié)論

本文從分析變電站微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的電磁兼容問(wèn)題來(lái)源著手，綜合采取各種軟硬件抗電磁干擾措施消除或降低電磁干擾帶來(lái)的危害，使微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置在變電站使用中運(yùn)行更合理、更安全。相應(yīng)的措施使微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)了國(guó)家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式試驗(yàn)，取得了電磁兼容檢驗(yàn)證書(shū)，為變電站安全可靠的運(yùn)行提供了有力的保障。

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