塑殼式電子斷路器傳導特性的分析與研究

謝迪，杜桐

(中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

塑殼式電子斷路器傳導特性的分析與研究

謝迪，杜桐

(中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

采用傳輸線矩陣的方法(TLM)對塑殼式電子斷路器進行建模和研究，并對騷擾源集總的騷擾特性進行了仿真，通過與實測的數據的比對，全面了解和掌握該產品的傳導特性，為企業設計和制造低壓電器產品的提供了相應的理論基礎和實踐數據。

TLM；低壓電器；傳導騷擾

1 引言

280 隨著電子技術的發展以及電子化、數字化和智能化的電工、電子產品的廣泛應用，電磁干擾的水平在逐年遞增。其中，由低壓電器產生的傳導騷擾成為了電磁兼容比較重要的問題[1]。

為此低壓電器GB14048系列標準中，對不同適用環境的低壓電器的電磁發射水平進行了嚴格的規定與限制。本文采用傳輸線矩陣法(TLM)對典型的低壓電器產品-塑殼式電子斷路器的傳導特性進行解析和研究，為企業提高低壓電器設計水平提供理論依據和參考。

2 TLM分析方法介紹

FLO/EMC是專業針對系統級電磁兼容性分析的仿真軟件，FLO/EMC采用先進的時域傳輸線矩陣法(TLM)，軟件首先用沖擊脈沖作為激勵源，沖擊脈沖在時域的寬度趨于無限窄，從頻域來說，它能覆蓋無限寬的頻率范圍；當以這個沖擊脈沖來激勵整個系統時，在時域得到的將是此脈沖與系統函數即h(t)的卷積，對應于頻域，結果將是系統函數H(s)與沖擊脈沖的頻域響應的乘積，由此我們得到H(s)，即整個系統的頻域響應。由于以上的求解原理，只需要一次求解就可以得到系統在整個頻域的響應[3]。

3 傳導耦合分類及介紹

傳導耦合是騷擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開關電源中，這3種耦合方式同時存在，互相聯系。

3.1 電路性耦合

電路性耦合是最常見、最簡單的傳導耦合方式。其又有以下幾種：

(1)直接傳導耦合導線經過存在騷擾的環境時，即拾取騷擾能量并沿導線傳導至電路而造成對電路的干擾。

(2)形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。

3.2 電容性耦合

電容性耦合也稱為電耦合，由于兩個電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻間存在寄生電容，使一個電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。

3.3 電感性耦合

電感性耦合也稱為磁耦合，兩個電路之間存在互感時，當干擾源是以電源形式出現時，此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。

圖1這種方法是把外部連接端口的干擾源表示成無源阻抗元件和有效電壓或電流源的簡單組合，用這種方式表示的干擾源，隱去了干擾源內部的所有響應而只保持了干擾源的外部響應，但只要內部電磁干擾源電路是線性的，就完全可以忽略內部源電路的復雜性。

4 理論計算

干擾線由一端所加的電源激勵，線上流過電流為，接收端遭受磁通耦合。電壓源VS,在激勵線I1上也會產生一個電荷密度，導致兩個線路的電容耦合。I1產生電影響，VS產生磁影響，這兩種耦合機制都要考慮,M為介質互感，C0為介質耦合電容。

當阻抗和源內阻都已知后，可首先求出干擾線上的電流I1和電壓V1：

(1)

(2)

為了得到被干擾電路中的負載元件上的電壓或電流響應，要使用圖2中的電路模型：

在這種情況下，需要描述電磁場耦合的電壓源和電流源，根據對等效電路的簡單分析，可以得到負載電壓Va和Vb：

(3)

(4)

用源VS把上式中的I1和V1替掉，變為：

(5)

(6)

由于電路的復雜和不規則形狀以及周圍環境中的磁性物質對電感數值的影響，很難獲得實際電路的互感和自感的精確值。但是，通過一些簡化的假設還是可以做出大致的估計，假定回路電流處在自由的空間中，則它們之間的互感為:

(7)

其中，I1為流進驅動電路(回路1)中的電流，B1是由電流產生的磁通量，這個磁通量在回路表面S2上積分。

5 模型建立

現構建一個電流互感器監控并感應供電的塑殼式電子斷路器，應用上述TLM原理及公式的電磁發射模型來驗證。

圖3為開斷電流100A,短路電流4300A的斷路器,屬于GB14048.2標準中的產品，電磁發射源為其PCB板上的控制芯片[4]。

圖3 斷路器內部結構

圖4為TLM解析后的模型網格圖，電流互感器鐵心材料為鐵，互感器一次和二次側繞組材料為細鐵絲，斷路器端子材料為銅，PCB材料賦值FR4。電流互感器驅動下的塑殼式電子斷路器耦合到主回路的電磁干擾如圖5所示。

圖4 TLM解析后的模型網格圖

圖5 耦合到主回路的電磁干擾模擬

6 實測數據解析

根據GB14048.2的規定，傳導騷擾測試在屏蔽室內進行，人工電源網絡實現傳導騷擾信號的拾取與阻抗匹配，再將信號傳送至接收機。

實測采用峰值檢波器，準峰值檢波器和平均值檢波器，設置如下：

表1

圖6 實測布置示意圖和實測照片

圖7 騷擾電壓測試準峰值/平均值曲線示意圖

頻率(MHz)實測值(dBuV)理論值(dBuV)0.24450028.829.80.29850028.028.30.35700027.327.30.44250026.726.50.55950025.925.724.06300037.737.4

表2 電源端子騷擾電壓測試平均值

由表1和表2可以看出，理論值普遍高于實測值，主要原因有兩點：一是理論分析的騷擾源與實測的騷擾源一致，但設定的干擾強度為理想狀態，線性度較高，而實際情況中任何騷擾源的發射能量為時變的；二是實際測試通過電源線有衰減存在。也就是說這種理論分析所得到的結果較實測結果苛刻，故通過TLM方法進行的解析可以有效、定性分析產品的電磁發射水平、發射方向以及耦合路徑。

7 結束語

通過對塑殼式電子斷路器的建模與分析，直觀的對低壓電器類產品電磁傳導騷擾特性進行理論分析，通過與實際數據的比對驗證了這種定性解析方法的有效性。為企業設計和制造低壓電器產品的提供了相應的參考依據，為日后對該類產品在電磁兼容領域的全方面研究奠定了理論基礎。

[1] 吳蔚.低壓電器產品電磁兼容標準及其檢測[J].低壓電器,2004,9.[2] 吳賢,杜平安,聶寶林,等.帶縫隙腔體電磁屏蔽特性的數值模擬研究[J].工程設計學報,2011.6.[3] GB 14048.2-2008 低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器[S].

Analysis and Research on Disturbance Voltage Characteristic of Molded Case Circuit Breakers

XIEDi,DUTong

(CQC(ShenYang) North Laboratory，Shenyang,110141，China)

Using Transmission Line Matrix Method (TLM) to model and research molded case circuit breakers.The simulation for the characteristics of the disturbance characteristics are conducted.By comparison with the experimental data,fully understand and master conduction characteristics of the product.A theoretical basis and practical guideline for the design and manufacturing of low-voltage electrical apparatus are provided.

transmission line matrix (TLM);low voltage apparatus;disturbance voltage

1004-289X(2016)03-0027-04

TM56

B

2016-03-11

謝迪(1981-),女,研究生學歷,碩士學位，工程師,主要從事機電產品的安全與電磁兼容檢測研究。