1、电力通信设备的电磁兼容性要求目前,我国电力通信事业伴随着电力工业的蓬勃发展而快速成长,电力通信领域在国家电网公司努力打造“一强二优” 的宏伟目标卜,正在逐步实现技术上数字化、应用上网络化和运行上规范化。针对电力通信专业标准体系架构导则,国家电网公司已卜达了电网通信设备电磁兼容性能规范企业标准的编制任务,该项标准的制定将规范电力通信设备的电磁兼容技术要求,为保证电力系统安全、可靠运行奠定了基础。过去曾经出现过电力通信设备开关电源在生产调试过程中产品技术性能正常,一旦安装到电力系统的变电站投入运行后经常出现不正常的工作状态,如开关电源发生保护、自行切断供电的情况。更为严重的是,某省电网在 500
2、kV 双回线系统中,一路出现接地短路故障时,另一回路工作的国外高频保护通信设备收到干扰信号,错发继电保护跳闸信号,导致电力系统故障的扩大。以上的现象都是由于设备的电磁兼容性不符合要求所致,因此,尽早规范电力通信设备电磁兼容性的技术要求是非常必要的。 W. Z, Q5 v/ D0 x* M) 1 电力通信设备电磁兼容性所谓电磁兼容性(EMC , ElectromagneticCompatibility)包括 2 个方而的含义,即设备或系而对电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的卜降称为电磁干扰。减少电磁干扰可从抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高干扰受体的抗扰度水平出发,采取各种措施,如屏蔽、滤
3、波和接地等方法。+ c P( H而收信支路工作于弱信号检测状态,将更容易成为被干扰对象,以造成该设备工作性能卜降或停止工作。这一点使电力通信设备比其他电力自动化设备的电磁兼容性要求更为严格和重要。: Z5 7 z* ! F* k电力通信设备是电力系统运行设备的一个部分,在讨论其电磁兼容问题时,不应该把它孤立地作为一个电子设备来进行,而要结合电力系统的电磁环境进行综合、全而地考虑。研究电力通信设备的电磁兼容性能,最终目的是提高其抵御各种电磁干扰的能力,同时降低设备对周围其他设备的干扰程度,从而提高系统运行的可靠性。然而,设备抗干扰性能的提高并不是无限度的,无论是从技术上还是经济上都是不现实的。从
4、电力系统这一总体电磁环境角度出发,只有在对干扰源以及干扰祸合途径进行深入研究的基础上,对电力通信设备所处的电磁环境进行合理的评估,才能对其抗干扰性能提出合理的要求,并在此基础上研究提高其抗干扰能力以及抑制其所产生干扰的程度2。* 7 w6 C3 t$ S5 u9 g2 G/ Z n2 电磁兼容的标准体系现状/ F- x/ f/ U. b7 c7 X) 电磁兼容的标准体系是由基础标准、通用标准、产品类标准和产品标准组成,其结构如图 1 所示( Z- L; u q. W而 IEC TC77 技术委员会负责 9 kHz 以卜的电磁兼容标准,卞要是抗扰度部分。但是由于 CISPR 组织成立较早,实际上
5、标准内容有所交叉。 国际电工委员会IEC 标准发布的电磁兼容标准体系中的基础标准,包括 IEC/CISPR 16 无线电骚扰和抗扰度测量设备规范和测量方法、IEC61000-4 电磁兼容(EMC)试验与测量技术 2 个系列标准。这 2 个系列标准已成为制定各种电气产品电磁兼容标准的依据。 X我国电力行业中远动系统及设备采用的电磁兼容标准卞要是 GB/T 17626 系列标准,其中继电保护设备卞要采用 GB/T 14598 系列标准中有关电磁兼容标准的部分。对于通信设备,现阶段执行的电磁兼容标准有GB/T 17626 系列标准国家标准和信 h,产业部的有关标准.这些标准包括: + 4 g4 k/
6、 6 b V1 GB/T 17626.2电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验;3GB/T 17626.4电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验;4 ) GB/T 17626.5电磁兼容试验和测量技术浪涌( 冲击)抗扰度试验;5 ) GB/T 17626.6电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度 ;- Z; D3 l) , 7 ) GB/T 17626.9电磁兼容试验和测量技术脉冲磁场抗扰度试验;8 ) GB/T 17626.10电磁兼容试验和测量技术阻尼振荡磁场抗扰度试验 ; 0 S0 2 G U0 “ T6 ! ?9 ) GB/T 17626.11电磁兼容试验和测量技
7、术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验;10 ) GB/T 17626.12电磁兼容试验和测量技术振荡波抗扰度试验; # B“ N) d8 j. t! b3 _- 11) GB 19286-2003电信网络 设备的电磁兼容性要求及测量方法 ; m n8 1 Q. ) q! |“ E13)YD/T 993-2006电信终端设备防雷技术要求及试验方法;, m, |% . t1 ! U14)YD/T 983-1998通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法;: |8 ?: M! ; J( c15 ) GB 9254-1998信急技术设备的无线电骚扰限值和测量方法;信技术设备抗扰度限值和测量方法。.
8、V1 B; I/ h8 O! e# e+ g5 H: f此外,还有一些电力通信相关的产品或产品类标准中包含了电磁兼容的测试内容,如 GB/T7255-1998单边带电力线载波机,GB/T 15153.1-1998远动设备及系统第 2 部分工作条件第 1 篇电源和电磁兼容性和 DL/T 698-1999低压电力用户集中抄表系统技术条件。9 X. S3 n- V: q$ W共模 EMI 则是指由相线或中线与地线所构成回路中的干扰信号。对于变频器,多数情况下产生的传导干扰是以共模 EMI 为主,并 A_共模电流流经大地构成回路,大地将形成天线效应,给其他设备带来严重的 EMI,这使得共模 EMI 造
9、成的危害远远大于差模 EMI 所造成的危害。因此共模 EMI 在变频器的电磁兼容性设计中显得尤为重要,而这种共模电流即为系统的漏电流。为此各国学者相继围绕着电机系统的干扰源、传播途径和敏感设备这 3 个方面开展了理论及应用技术的研究工作5 一 7,并取得了一定的成就。总体上包括两类:一类是通过改善控制策略和优化电路拓扑结构来降低干扰源的干扰强度; 另一类是通过滤波器来抑制干扰的传播。从已有工作来看,目前的抑制措施都在不同程度上增加了系统的成本和复杂性,降低了系统的可靠性,而目_大多数工作都集中在研究如何降低和消除共模电压,而忽略从局部进行改善而直接抑制共模 EMI 电流,降低 EMI 强度的方
10、法。为此本文针对以上的不足,提出通过减小电力电了器件与散热器之问的藕合寄生电容,提高漏电流传播途径阻抗的方法,实现减小漏电流,降低系统传导干扰强度。2 寄生电容与漏电流的传播途径在电机驱动系统,由于 PWM 调制技术被广泛运用,线路中的电压、电流随功率开关器件动作产生很高的Iv ldt ,dildt,电压、电流的谐波成分从儿 kHz 到儿白 MHz 甚至上 GHz,这些高频成分通过寄生电容和公共阻抗形成漏电流,产生传导 EMI。电机驱动系统漏电流的传播主要通过两条途径89:一条是电力电了器件与散热器之问的寄生电容藕合;另一条是电机的绕组和定了机壳之问的分布电容藕合。如果变频器输出电缆很长的话,
11、还要考虑通过电缆和地之问的分布电容的藕合。漏电流的返回路径主要是系统变压器的中性点接地线对于在电机驱动系统,通过电机的绕组与机壳之问分布电容及电缆与大地之问分布电容藕合的漏电流,可以通过在变频器输出端口安装 EMI 滤波器降低共模电压及采用屏蔽电缆的方法来抑制,并目_实验证明,这一方法是行之有效的,但对于电力电了器件与散热器之问寄生电容这条藕合途径,如果散热器通过机壳接地,那么电力电了器件与散热器问的寄生电容就为漏电流提供了一条低阻抗藕合通路,高频漏电流就会流到散热器上,再经机壳流入公共地,最终流入交流电源的地线,从而产生共模辐射使返回到交流电源地线的漏电流增加,从而加重了传导 E M I;相
12、反地,如果散热器不接地,虽然切断了漏电流的通路,减小了漏电流的传导发射,但高频开关电流会藕合到散热器上,使散热器成为一个电压激励的天线,从而增加了辐射EMI,但通常散热器都是与机壳相连接的。因此,散热片与电力电了器件问的电容藕合是电力电了装置产生共模辐射的主要原因之一。从物理概念上讲,减小散热器的尺寸可以减小电力电了器件与散热器问的寄生电容,从而增大回路的阻抗,降低散热器 EMI 的发射量,但是,随着散热器尺寸的减小,散热器的散热效率也同时被降低了,这不利于电力电了器件的可靠工作,并目_随着电力电了器件功率及开关频率的不断增大,器件的发热量也在不断提高,因此,试图依靠简单地减小散热器的尺寸或接
13、地、不接地以达到降低散热器 EMI 的发射量是不可行的。而随着电力电了器件功率及开关频率的不断升高,由散热器造成的 EMI 将越来越明显,但目前大多数研究都是集中在散热器的辐射 EMI 问题,而通过减小电力电了器件与散热器问的寄生电容达到抑制传导 EMI 的方法往往被忽视,关于这一方法的文献还未见详细报道。直流电机 emc 测试不过的解决方案一.单相串激电机的换向种类分为 :直线换向(电阻换向).延时换向.超前换向, 由于有电抗电势的存在和影响,直线换向根本不存在,因此单相串激电机的换向只有两种 ,不是延时换向 ,就是超前换向; 1. 当电抗电势所形成的环流大于换向电势所形成的环流时,直线换向
14、就变成延时换向, 此时后刷边的电流密度大于前刷边的电流密度,造成后刷边的火花较大; 2.当电抗电势所形成的环流小于换向电势所形成的环流时,直线换向就变成超前换向,此时前刷边的电流密度大于后刷边的电流密度,造成前刷边的火花较大; 二.单相串激电机的换向好坏直接影响 EMC 的测试,要想改善 EMC 就必须改善电机的换向,改善电机的换向有以下措施: 1. 选用与换向器接触电阻较大的碳刷,而增加碳刷与换向器的接触电阻最有效的办法是选用硬质碳刷, 碳刷越硬,接触电阻越大,接触压降也越大,相对的削弱了电感的影响 ,使换向过程近似于直线换向 ,有利于消除火花.碳刷根据接触电阻大小分为:碳石墨碳刷.石墨碳刷
15、.电化石墨碳刷和铜石墨碳刷.需要注意的是,每种电机都有适合其性能的碳刷,有的电机可能这种碳刷火花大,而换上另一种碳刷可能就满足换向要求, 因此,一个电机尽量多试几种碳刷,以找到最适合该电机的碳刷. 2. 控制碳刷弹簧压力在 250500g/cm之间; 3. 控制碳刷电流密度12A/cm 4.控制换向器片间电压 25V; 5. 控制碳刷在刷握里的单边尺寸在 0.05-0.39MM 之间; 6. 控制换向器与刷握的端面间距在1.50.5MM 之间 ; 7. 控制换向器的表面粗糙度 Ra5mm。其它贴片元件相互间的距离0.7mm;贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于 2mm;有压接件的 P
16、CB,压接的接插件周围 5mm 内不能有插装元、器件,在焊接面其周围 5mm 内也不能有贴装元、器件。11. IC 去偶电容的布局要尽量靠近 IC 的电源管脚,并使之与电源和地之间形成的回路最短。12. 元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源分隔。13. 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局,要根据其属性合理布置。串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端,距离一般不超过 500mil。匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端,对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。14. 布局完成后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确性,并且确认单板、背板和接插
17、件的信号对应关系,经确认无误后方可开始布线元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响,是应该特别注意的地方。一般来说应该有以下一些原则:(1)放置顺序先放置与结构有关的固定位置的元器件,如电源插座、指示灯、开关、连接件之类,这些器件放置好后用软件的功能将其锁定,使之以后不会被误移动。再放置线路上的特殊元件和大的元器件,如发热元件、变压器、IC 等。最后放置小器件。(3)注意散热元件布局还要特别注意散热问题。对于大功率电路,应该将那些发热元件如功率管、变压器等尽量靠边分散布局放置,便于热量散发,不要集中在一个地方,也不要高电容太近以免使电解液过早老化。印制电路板(PCB) 是电
18、子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件 之间的电气连接。随着电于技术的飞速发展,PGB 的密度越来越高。PCB 设计的好坏对抗 干扰能力影响很大。因此,在进行 PCB 设计时。必须遵守 PCB 设计的一般原则,并应符合 抗干扰设计的要求。要使电子电路获得最佳性能,元器件的布且及导线的布设是很重要 的。为了设计质量好、造价低的 PCB。应遵循以下一般原则: 布局 首先,要考虑 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定 PCB 尺寸后。再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全
19、部元器件进行布局。尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。 易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 重量超过 15g 的元器件、应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印制板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机 的结构要求。若是机内调节,应放在印制板上方便于调节的地方;
20、若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根据电路的功能单元。对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则: 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观。而且装焊容易。易于批量生产。位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于 2mm。电路板的最佳形状为
21、矩形。长宽比为 3:2 成 4:3。电路板面尺寸大于200x150mm 时。应考虑电路板所受的机械强度。印制电路板(PCB) 是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电于技术的飞速发展,PGB 的密度越来越高。PCB 设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此,在进行 PCB 设计时。必须遵守 PCB 设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。要使电子电路获得最佳性能,元器件的布且及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的 PCB。应遵循以下一般原则: 2.2.1 布局 首先,要考虑 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降
22、,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定 PCB 尺寸后。再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。2.2.2 尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。 2.2.3 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。2.2.4 重量超过 15g 的元器件、应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印制板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考
23、虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。2.2.5 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印制板上方便于调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。2.2.6 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根据电路的功能单元。对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:2.2.6.1 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。2.2.6.2 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上。尽量减少和缩短各元器件之
24、间的引线和连接。2.2.6.3 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观。而且装焊容易。易于批量生产。2.2.6.4 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于 2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为 3:2 成 4:3。电路板面尺寸大于 200x150mm 时。应考虑电路板所受的机械强度。2.2.7 布线 布线的原则如下:2.2.7.1 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线,以免发生反馈藕合。2.2.7.2 印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为 0.05mm、宽度
25、为 1 15mm 时。通过 2A 的电流,温度不会高于 3,因此。导线宽度为 1.5mm 可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选 0.020.3mm 导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线。尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小至 58mm。2.2.7.3 印制导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则。长时间受热时,易发生 胀和脱落现?。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。2.
26、2.7.4 印刷线路板的布线要注意以下问题:专用零伏线,电源线的走线宽度1mm;电源线和地线尽可能靠近,整块印刷板上的电源与地要 呈“井”字形分布,以便使分布线电流达到均衡;要为模拟电路专门提供一根零伏线;为减少线间串扰,必要时可增加印刷线条间距离,在意;安插一些零伏线作为线间隔离;印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离;特别注意电流流通中的导线环路尺寸;如有可能在控制线(于印刷板上)的入口处加接 R-C 去耦,以便消除传输中可能出现的干扰因素;印刷弧上的线宽不要突变,导线不要突然拐角(90 度 )。2.2.7.5 焊盘概讨行目 要比器件引线直径?大一些。焊盘太大易形成虚焊。? 盘外径 D 一般不小于 (d+1.2)mm,其中 d 为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0)mm 。 2.3 PCB 及电路抗干扰措施 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就 PCB 抗干扰设计的几