塑殼斷路器智能測試系統的電磁兼容性研究

廖志闖 程武山 張鵬舉

(1.上海工程技術大學機械工程學院，上海 201620；2.美鉆能源科技(上海)有限公司,上海 201900)

我國電力行業對低壓電器的需求量與日俱增，對其質量的要求也正逐步提高。目前，低壓斷路器測試系統正朝著自動化、智能化、節能化蓬勃發展[1]。在設計開發的塑殼斷路器智能測試系統中，有各類傳感器(如磁柵傳感器、激光傳感器及扭矩傳感器等)輸入和控制信號脈沖(控制電磁閥及步進脈沖等)輸出，因此，電磁兼容性是智能測試系統能否可靠運行的一個重要內容。

要解決該智能測試系統中出現的電磁兼容性問題，就必須對電磁干擾形成的3個必要條件(即干擾源、傳輸介質和敏感接收單元)中的兩個進行削弱或解除，比如削弱干擾源的干擾強度，切斷或限制噪聲干擾傳播和耦合途徑，提高敏感設備的抗干擾能力等[2]。根據現場設備和運行環境，該系統采用的措施有接地、屏蔽及濾波等。

1 接地①

接地是為了給工作電路提供一個等電位，是抗電磁干擾的重要手段之一。接地方式有4種：單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地。由于該塑殼斷路器智能測試系統中動作元件和傳感器較多，其接地系統需要合理設計和布局，以減小公共接地阻抗上的干擾電壓，避免形成地環路，從而建立一個接近零電位的接地系統。

接地系統設計的基本原則是按照設備中各部分具有的電位大小進行分類接地[3]。如圖1所示，將小功率、低電平的部分歸為一類，如扭矩傳感器，因這部分靈敏度高，易受外界干擾，需設置專門的接地線；將大功率、高電平的部分歸為一類，如大電流閉環系統，這部分雖然對外干擾不靈敏，但可能成為內干擾源；將各類干擾源分為一類，稱為噪聲電路，如繼電器及接觸器等；將設備的金屬外殼安全接地，泄漏外殼吸收到的干擾信息。以上4類接地線，每類若干根，分別并聯后再接地，以減小相互耦合的影響，避免公共地阻抗引入干擾。

圖1 接地系統分類

2 屏蔽

屏蔽能有效地抑制空間傳播的各種電磁干擾，增強電磁兼容能力。屏蔽措施按機理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽。電場屏蔽通常采用高導電材料制成屏蔽體，以隔離經電容性耦合傳遞的干擾。磁場屏蔽選用的材料與干擾源的頻率有關：低頻時由于導電材料導磁性能差，渦流作用小，屏蔽效能低，宜選用高導磁材料；高頻時由于導磁材料會發生嚴重的磁損耗，使導磁率大幅度下降，宜選用高導電材料。電磁屏蔽主要用于高頻，利用金屬表面的反射和金屬層內的吸收來抑制電磁輻射，一般采用高導電材料[4]。

2.1 機箱的屏蔽

該智能測試系統中人機界面的電磁屏蔽有兩個關鍵點：一是保證箱體的導電連續性，二是不能有穿過箱體的導體。由于實際機箱不僅有顯示器和按鈕，還有縫隙及通風口等，這些都會引入電磁干擾。因此，需要分別采取措施。

機箱上面難免有縫隙，即使很窄，但只要長度超過波長的1%，就能產生大量的電磁干擾，這就是所謂的“縫隙天線”。當縫隙天線等于波長的50%時，電磁干擾最嚴重[5]。如圖2所示，可在機箱縫隙處添加電磁密封襯墊。常用的電磁密封襯墊有金屬網襯墊、導電橡膠、指形彈片、螺旋管襯墊和導電布。若縫隙處不加襯墊，也可以在縫隙結合處進行鍍層處理，使之具有良好的導電性。

圖2 機箱縫隙的處理方式示意圖

箱體上面的操作按鈕(如開始、停止、復位、手動/自動按鈕)與機箱連接時往往留有一定的縫隙。在按鈕處添加一個截止波導管，并在按鈕與安裝面板接觸處添加一個導電襯墊(圖3)。截止波導管是一種金屬管，對電磁波而言它是一種高通濾波器。當電磁波的頻率低于截止頻率時，電磁波不能通過波導管，即起到了屏蔽作用[6]。

圖3 面板按鈕處理方式示意圖

孔隙的形狀、大小、位置對屏蔽效果都有影響，設計的基本原則是盡量減小孔隙對屏蔽體磁阻的影響[7]。實際操作中，應盡量減小垂直于磁場方向孔隙的尺寸。孔隙越小，輻射干擾就越小，對于相同面積的孔縫，受輻射干擾影響的程度取決于孔徑的最大尺寸。如圖4所示，圖4b中孔的布置增加了磁通路徑的長度，使屏蔽體磁阻增加，屏蔽效果不如圖4a。

圖4 面板通風口處理方式比較

安裝在箱體上的LCD顯示屏，由于窗口面積較大，極易造成干擾。如圖5所示，在LCD顯示屏上覆蓋一層導電薄膜并放置在屏蔽盒中，屏蔽盒通過電磁襯墊和接地面板連接，通過屏蔽盒的進、出線設置穿心電容，以濾除由窗口進入并沿引線傳播的干擾信號[8]。

圖5 LCD顯示屏防干擾處理示意圖

2.2 線的屏蔽

在該智能測試系統中，對具有不同功能的信號線(如扭矩傳感器信號線、I/O信號線、電源線及PPI通信線等)需做好屏蔽和隔離措施，以避免被干擾和相互干擾。

當交變電流通過導線時，電磁感應會引起導線截面上電流分布不均勻，越接近導體表面，電流密度越大，而導線的中心部分幾乎沒有電流通過，導致導線的電阻增加，這種現象稱為“趨膚效應”。趨膚效應使傳輸線在輸送高頻(微波)信號時衰減很大、效率很低[9]。因此，傳輸線應選擇空芯導線、雙絞線或者辮線，該系統選用雙絞線。

由于該系統有很多動作，比如抓取斷路器及螺釘螺母一體化擰緊等都需要傳感器的密切配合，而這些小信號傳感器在斷路器通電測試時都極易受到大電流產生的電磁干擾，這顯然不利于系統的精密控制，也無法保證測試過后斷路器的可靠性。因此，如圖6所示，傳感器信號線采用雙層屏蔽，內層單端接地，外層雙端接地。單端接地主要抵抗低頻干擾，雙端接地抵抗低頻和高頻干擾。需要注意的是，雙端接地必須要接在同一個地電位上，否則會因地電位差造成環流，影響屏蔽效果，甚至比不接屏蔽線出現的后果還嚴重[10]。

圖6 電纜屏蔽方式示意圖

該系統是一個小型分布式控制系統，里面有很多根通電導線，線與線之間會產生相互干擾。此時可采用十字交叉排線。將信號線與電力線和控制線保持垂直，且電力線與控制線之間距離大于20cm。這樣，信號線與電力線產生的磁力線平行，也就不會產生感應電流，從而避免了線間干擾。

當傳感器采集完信號后，為保證信號能夠準確地輸送至工控機進行分析處理，信號線通過銅塊或者夾片沿著柜體內壁走線，以保證屏蔽線能夠360°完全接地。

若有穿過屏蔽體的低頻信號線，在信號線的端口處使用低通濾波器，濾除線上不必要的高頻成分，減小電磁輻射，同時也能防止外界的電磁通過電纜傳入設備。若穿過屏蔽體的是高頻信號線，只能采用屏蔽的方法。

3 濾波

濾波器是抑制傳導干擾的重要單元，能切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構成完善的干擾防護，在設備或系統的電磁兼容性設計中有極其重要的作用。濾波器通常由電阻、電感和電容組成，一般分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器等。

3.1 濾波器的選型

由于數字電路中不僅含有大量的高次諧波，而且電磁干擾大多是高頻信號，所以在該系統的電磁兼容性設計中，一般使用低通濾波器。低通濾波器按結構分為單電容型(C型)、單電感型(L型)、LC型和CL型、T型和π型。濾波器的選擇應滿足阻抗匹配原則(表1)，不同的源阻抗和負載阻抗應使用不同結構的濾波器[11]。

表1 濾波器阻抗匹配原則

注：指數k表示k個該結構串聯。

由于該智能測試系統中的開關電源在工作過程中會產生高di/dt和高du/dt，引起浪涌電壓和尖峰電壓，形成干擾源。干擾的主要形態是差模干擾和共模干擾，這兩種干擾通常同時存在，又會互相轉換，因此，抑制電源線的傳導干擾通常是在電源端添加EMI濾波器。

一個基本的EMI濾波器如圖7所示，Cx1、Cx2為差模電容，Cy1、Cy2為共模電容，L為共模電感。共模電感L是在同一個磁環上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成，當共模干擾流經兩個繞組時，產生的磁場同向相加，呈現出較大的感抗，對共模干擾有很好的抑制作用；共模電感L的差值電感和Cx1、Cx2構成一個π型濾波器，對差模干擾有很好的抑制作用；Cy1、Cy2濾除殘留的高頻共模干擾[12]。

圖7 EMI電源濾波器

3.2 濾波器的安裝

濾波器的安裝和布線對濾波效果有直接的影響，在安裝過程中，應注意以下幾點[13]：

a. 濾波器應直接與設備相連，且濾波器接地點與設備接地點間的距離盡量短。若濾波器和設備的接地點相距較遠，則濾波器的泄漏電流和噪聲電流會在流經兩接地線的線路時，將干擾引入設備內部。

b. 利用機箱將濾波器的輸入端和輸出端隔開。若濾波器的輸入線和輸出線距離較短，高頻干擾則可通過輸入線與輸出線之間的寄生電容直接耦合，從而旁路掉濾波器，使濾波器的高頻衰減特性變差。

c. 濾波器的輸入線和接地線應盡量短。若輸入線較長，則未經濾波的干擾信號會通過空間耦合的方式對設備內部進行干擾，設備內部產生的干擾也會耦合到輸入線上，傳導到機箱外面，引起超標的電磁發射。若接地線過長，則會引入感抗，會削弱濾波器的高頻衰減特性。

綜上所述，濾波器的正確安裝位置如圖8所示。

圖8 濾波器安裝位置示意圖

4 結束語

電磁干擾幾乎在所有含電子設備的系統中都存在，且產生的原因非常復雜。要解決電磁兼容性問題，首先必須找到干擾源，再根據現場電磁干擾的種類、頻率、阻抗和使用環境采取不同的防護措施，將接地、屏蔽及濾波等手段有效結合起來，使設備在電磁環境中能夠正常工作且對周圍的其他設備不造成影響。筆者針對項目組自主研發的塑殼斷路器智能測試系統的電磁干擾防護措施做了一些具體的介紹，這些措施不僅適用于該系統，還適用于其他電子設備和相關系統。目前，該系統已經在某電力企業的自控系統中良好運行，測試效果高效穩定，預計每年可以為企業帶來1 000

萬元的經濟效益。