載波衰減隔離器在電力線載波集抄系統中的應用研究

李榮幸 梁秋虹

（新開普電子股份有限公司，河南 鄭州 45500000011）

1 同頻干擾的定義和來源

新開普窄帶電力線載波模塊的中心頻點為48kHz，帶寬±2kHz。如果使用新開普載波模塊的電網環境中存在頻段在46～48kHz的干擾信號，且該干擾信號的幅值超過了載波模塊正常接收信號的容限，該干擾信號就稱為同頻干擾。同頻干擾的存在，將嚴重影響載波信號的發送和接收，表現在抄表層面，就是抄到率嚴重下降。

使用載波綜合抄控器或其他頻譜分析設備，在電網中進行測量，可以清晰地定位該故障現象，并可分析出干擾源的具體頻點和幅值。然后通過工程排查，進一步找到干擾源—發出該干擾信號的設備。根據國家和行業的相關規定，這個干擾源的EMC肯定是超標的，是不允許生產、銷售和使用的，最好的解決方法是拆除該干擾源。如果由于各種原因無法拆除，就要針對該設備的特點考慮加裝隔離器，達到抑制或隔離干擾信號的目的，使有用的載波信號能夠正常收發，提高抄到率。

2 載波衰減隔離器的理論分析

載波衰減隔離器理論上是一個多階的LC低通濾波器。LC濾波器也稱為無源濾波器，是傳統的諧波補償裝置。LC濾波器之所以稱為無源濾波器，顧名思義，就是該裝置不需要額外提供電源［1］。LC濾波器一般是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯，除起濾波作用外，還兼顧無功補償的需要；LC濾波器按照功能分為LC低通濾波器、LC帶通濾波器、高通濾波器、LC全通濾波器、LC帶阻濾波器。

按調諧又分為單調諧濾波器、雙調諧濾波器及三調諧濾波器等幾種。LC濾波器設計流程主要考慮其諧振頻率及電容器耐壓和電抗器耐流。在電子線路中，電感線圈對交流有限流作用，由電感的感抗公式XL=2πfL可知，電感L越大，頻率f越高，感抗就越大。因此電感線圈有通低頻、阻高頻的作用，這就是電感的濾波原理。由電容的容抗公式XC=1/2πfc可知，電容c越大，頻率f越高，容抗就越小。因此電容有通高頻、阻低頻的作用，這就是電容的濾波原理。電感與電容組合，就形成了最常見的LC濾波電路［2］。各種隔離或衰減電路的原理實際是L、c元件基本特性的組合利用。因為電容器的容抗XC=1/2πfc會隨信號頻率升高而變小，而電感器的感抗XL=2πfL會隨信號頻率升高而增大，如果把電容、電感進行串聯、并聯或混聯應用，它們組合的阻抗也會隨信號頻率不同而發生很大的變化。這表明，不同濾波電路會對某種頻率信號呈現很小或很大的電抗，以致能讓該頻率信號順利通過或阻礙它通過，從而起到選取某種頻率信號和濾除某種頻率信號的作用［3］。

以圖1所示的濾波電路來說，當有信號從左至右傳輸時，L對低頻信號阻礙小，對高頻信號阻礙大；C則對低頻信號衰減小，對高頻信號衰減大。因此該濾波電路容易通過低頻信號，稱為低通濾波電路。其特點可用圖2中的幅頻特性曲線表示。

圖1 LC濾波電路

圖2 LC濾波電路幅頻特性

3 載波衰減隔離器的應用設計

3.1 載波衰減隔離器的應用要求

載波衰減隔離器要求通過的是低頻的交流220V/50Hz，需要濾掉或衰減的是高頻干擾信號。考慮到電網的復雜環境，必須滿足三點要求：一是能夠對干擾信號有效隔離或抑制；二是不能對產生干擾源設備的正常工作造成影響；三是長期工作穩定可靠［4］。

3.2 載波衰減隔離器的原理分析

載波衰減隔離器的原理圖，如圖3所示，為3階LC濾波電路。L2、C2、L6構成第一級，L3、C3、L7構成第二級，L4、C6、L8構成第三級。電感為470uH工字電感，骨架為0912，最大電流DC1A；電容為0.47uF/275V安規電容。

圖3 S201003型隔離器原理圖

根據公式XL=2πfL可計算單個電感在48kHz下的阻抗為：XL=2πfL=2*3.14*48kHz*470uH=141.677Ω；單個電容阻抗為 XC=1/2XL=2πfL=2*3.14*48kHz*0.47uF*10-1=6.803Ω；因此一級LC濾波電路對48kHz的衰減倍數約為2*XL/XC=2*141.677/6.803=41.65倍，三級LC濾波電路對48kHz的衰減倍數約為41.65*41.65*41.65=72251倍，約為97DB。同時可計算出該濾波電路對交流220V/50Hz幾乎沒有衰減。

由以上計算可知，S201003型隔離器對48kHz的干擾信號有高達97DB的衰減，而絲毫不影響交流供電，既滿足了對干擾信號的抑制要求，又能夠為設備提供持續的供電［5］。

4 載波衰減隔離器安全設計

4.1 過流保護

載波衰減隔離器為應對復雜的電網環境，在進線端設計有慢斷型的保險管F1、F2，在被隔離設備出現短路過流故障時，可以有效地切斷電源，防止事故擴大，減少損失。

4.2 雷擊浪涌保護

載波衰減隔離器在進線端設計有壓敏電阻RV1，在電網出現雷擊浪涌強干擾時，能夠將電壓嵌位在安全范圍內，同時電流變大，保險管動作斷開，保護了自身和所隔離的設備。

4.3 外殼安全設計

載波衰減隔離器的外殼采用絕緣、阻燃、防紫外線的環保材料，并有足夠的機械強度，體積小，安裝方式可靠，安裝位置靈活，能夠長期工作在惡劣的環境中。

4.4 工作指示設計

載波衰減隔離器設計有紅色工作指示燈D1，清晰指示工作狀態。

5 載波衰減隔離器的接線示意

圖4 接線示意

6 結語

根據本文設計出的載波衰減隔離器已經在多個電力線載波集抄現場應用，有效地抑制了同頻干擾，提高了電力線載波通信的信道質量，抄到率達到國網標準的要求，長期工作穩定可靠，取得良好的經濟和社會效益。

［1］王勇，盧中華.窄帶LC帶通濾波器的設計與實現［J］.艦船電子對抗，2011，34（4）：115-117.

［2］楊麗，馬健，陳輝.波窄帶帶通濾波器的設計［J］.數字通信，2011，38（4）：85-87.

［3］王冬梅.窄帶帶通濾波器設計實例［J］.電子設計工程，2012，20（15）：113-114.

［4］秦曾煌.電工學［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［5］呂仲瑜，孟力，李璐.低壓電力線載波通信中的抗干擾問題［J］.電測與儀表，2003，40（6）：36-39.