智能电能表的电磁兼容.pdf

1、第 35 卷 第 6 期2001 年 11 月浙 江 大 学 学 报 (工 学 版 )Jou rnal of Zhejiang U n iversity (Engineering Science) V o l. 35 N o. 6N ov. 2001收 稿 日 期 : 2001203215.作 者 简 介 : 宗 承 云 (1947- ) , 山 东 泰 安 人 , 高 级 工 程 师 , 现 任 胜 利 石 油 管 理 局 副 总 工 程 师 , 从 事 油 田 电 网 技 术 管 理 工 作 L智 能 电 能 表 的 电 磁 兼 容宗 承 云 1, 王 康 元 2(11 胜 利 石 油 管

2、 理 局 , 山 东 东 营 257001; 21 浙 江 大 学 电 气 学 院 , 浙 江 杭 州 310027)摘 要 : 从 瞬 变 及 高 频 脉 冲 、 低 频 脉 冲 、 雷 电 、 辐 射 电 磁 场 、 静 电 放 电 等 几 个 方 面 分 析 了 智 能 电 能 表 运 行中 的 电 磁 干 扰 源 、 电 磁 干 扰 的 传 播 途 径 , 提 出 了 提 高 智 能 电 能 表 电 磁 兼 容 性 的 设 计 思 路 , 并 重 点 介 绍 了其 电 源 和 印 刷 线 路 板 等 方 面 的 硬 件 电 路 设 计 L关 键 词 : 智 能 电 能 表 ; 电 磁

3、兼 容 ; 干 扰 源 ; 设 计中 图 分 类 号 : TM 93314 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 10082973X (2001) 0620681203随 着 我 国 现 代 化 建 设 的 迅 猛 发 展 和 人 们 消 费 水 平 的 不 断 提 高 , 市 场 对 电 能 的 需 求 量 日 益 增 大 L针 对 这 一 市 场 需 求 , 近 几 年 内 , 我 国 电 力 部 门 结 合 电 力 市 场 化 改 革 的 推 行 , 相 继 出 台 了 “ 一 户 一 表 ”和 “ 分 时 电 价 ” 两 项 政 策 , 其 目 的 是 利 用 现 代 化 计

4、 量 装 置 和 管 理 系 统 , 通 过 市 场 调 节 , 以 达 到 电 能 计量 准 确 , 使 用 合 理 , 使 有 限 的 电 力 资 源 发 挥 更 大 的 效 用 L这 两 项 政 策 在 全 国 范 围 内 的 相 继 实 施 , 极 大地 促 进 了 我 国 电 能 仪 表 行 业 的 技 术 进 步 , 各 种 广 泛 应 用 现 代 电 子 技 术 和 通 讯 技 术 的 智 能 电 能 表 及其 管 理 系 统 因 此 应 运 而 生 , 较 好 地 解 决 了 电 能 计 量 及 电 费 回 收 的 问 题 , 提 高 了 电 力 部 门 的 经 济效 益 L智

5、 能 电 能 表 作 为 电 能 计 量 和 电 费 结 算 的 计 量 产 品 , 不 仅 要 求 产 品 具 有 精 确 、 稳 定 的 计 量 性 能 ,而 且 要 求 产 品 有 极 强 的 抗 电 磁 干 扰 、 抗 冲 击 、 耐 恶 劣 环 境 的 能 力 , 确 保 在 任 何 情 况 下 用 电 信 息 正 确可 靠 , 保 证 用 电 、 供 电 双 方 的 利 益 不 受 损 害 L智 能 电 能 表 大 都 采 用 单 片 机 技 术 设 计 而 成 , 电 磁 干 扰 是造 成 智 能 电 能 表 故 障 或 性 能 下 降 的 主 要 原 因 之 一 L因 此 ,

6、提 高 智 能 电 能 表 的 电 磁 兼 容 性 是 提 高 其 运行 可 靠 性 的 关 键 L 国 际 上 已 将 电 磁 兼 容 性 作 为 电 气 、 电 子 产 品 一 项 极 为 重 要 的 性 能 指 标 , 并 制 定 了必 须 强 制 性 执 行 的 法 规 L我 国 在 JB T 7566、 JB T 8382 中 对 智 能 电 能 表 的 电 磁 兼 容 性 也 有 明 确 的 要求 和 规 定 L1 电 磁 兼 容 性电 磁 兼 容 技 术 是 以 解 决 实 践 中 的 电 磁 干 扰 而 出 现 并 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 学 科 L 根 据 国 际

7、 电 工技 术 委 员 会 ( IEC)的 定 义 : 电 磁 兼 容 性 (electrom agnetic compatib ility, 简 称 EM C) 是 设 备 的 一 种 能力 , 它 在 其 电 磁 环 境 中 能 完 成 它 的 性 能 , 而 不 至 于 在 其 环 境 中 产 生 不 允 许 的 干 扰 L 该 定 义 可 以 理 解概 括 为 三 个 方 面 内 容 : 首 先 , 干 扰 的 可 限 制 性 L 干 扰 是 普 遍 存 在 的 , 但 可 以 限 制 其 危 害 性 , 应 规 定 产品 产 生 的 干 扰 电 平 不 超 过 限 定 范 围 ; 其

8、 次 , 干 扰 的 豁 免 性 L无 线 电 设 备 及 高 频 设 备 的 广 泛 应 用 , 导 致电 磁 干 扰 发 射 源 越 来 越 多 , 由 此 要 求 产 品 在 规 定 的 电 磁 干 扰 强 度 环 境 中 应 能 正 常 工 作 ; 其 三 , 干 扰的 共 有 性 L 即 对 干 扰 采 取 任 何 措 施 都 不 能 使 与 其 相 关 的 产 品 或 系 统 性 能 下 降 , 只 能 共 处 L电 磁 兼 容 设 计 已 成 为 电 气 系 统 可 靠 性 设 计 中 必 不 可 少 的 重 要 组 成 部 分 L 任 何 一 个 电 磁 干 扰 的发 生 必

9、须 具 备 三 个 基 本 条 件 : 首 先 应 具 有 干 扰 源 ; 其 次 有 传 播 干 扰 能 量 的 途 径 和 通 道 ; 第 三 还 必 须有 被 干 扰 对 象 的 响 应 (在 电 磁 兼 容 性 理 论 中 把 被 干 扰 对 象 统 称 为 敏 感 设 备 ) L电 磁 干 扰 的 产 生 、 传 播 和 接 收 是 不 可 能 完 全 消 除 的 , 但 是 可 以 在 满 足 电 磁 兼 容 设 计 目 标 的 要 求 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

10、reserved. http:/下 给 以 适 当 的 约 束 , 换 言 之 在 满 足 一 定 的 约 束 条 件 下 来 完 成 电 磁 兼 容 的 可 行 性 设 计 L2 智 能 电 能 表 的 电 磁 干 扰 源 和 传 播 途 径对 于 直 接 安 装 在 电 网 上 的 智 能 电 能 表 , 特 别 是 安 装 在 变 电 站 内 的 智 能 电 能 表 , 在 正 常 运 行 状 态下 遭 受 到 的 电 磁 干 扰 源 主 要 有 :(1) 瞬 变 及 高 频 脉 冲 : 主 要 来 源 , 一 是 低 压 电 网 中 因 大 容 量 熔 断 器 熔 断 时 , 电 路

11、内 存 储 能 量 的释 放 , 在 电 压 恢 复 过 程 中 产 生 的 瞬 时 过 电 压 ; 二 是 高 压 开 关 操 作 时 , 关 断 口 电 弧 的 熄 灭 和 重 燃 所 引起 的 一 系 列 高 频 震 荡 ; 三 是 小 电 感 性 负 载 (如 继 电 器 、 接 触 器 )的 切 换 所 产 生 的 快 速 瞬 变 脉 冲 的 干 扰 L(2) 低 频 脉 冲 : 主 要 来 源 , 一 是 高 压 、 中 压 和 低 压 电 网 中 偶 尔 产 生 的 短 路 或 接 地 故 障 , 连 续 快 速重 合 闸 所 产 生 的 电 压 跌 落 和 短 时 中 断 ;

12、二 是 连 续 的 , 但 随 机 变 化 的 大 负 载 (如 电 弧 炉 )、 大 负 载 的 投切 (如 电 焊 机 、 电 动 机 )、 电 压 阶 变 (如 变 压 器 抽 头 的 调 节 ) 所 引 起 的 电 压 周 期 性 波 动 或 不 规 则 的 波动 等 L(3) 雷 电 : 电 力 线 路 遭 受 雷 击 或 者 感 应 雷 击 , 雷 电 波 沿 线 路 传 播 , 产 生 极 强 的 脉 冲 电 场 和 磁 场 ,通 过 电 源 线 传 入 智 能 电 能 表 , 造 成 集 成 芯 片 的 PN 结 击 穿 或 整 个 芯 片 烧 毁 L(4) 辐 射 电 磁 场

13、 : 主 要 有 两 个 来 源 , 一 是 来 自 专 门 用 来 发 射 电 磁 能 量 的 装 置 , 如 广 播 电 视 、 通信 、 雷 达 和 导 航 等 无 线 电 设 备 ; 二 是 在 完 成 自 身 功 能 的 同 时 附 带 产 生 电 磁 能 量 的 发 射 , 如 交 通 车 辆 、架 空 输 电 线 、 照 明 器 具 、 电 动 机 械 、 家 用 电 器 以 及 工 业 、 医 用 射 频 设 备 等 等 L 辐 射 电 磁 场 主 要 通 过 智能 电 能 表 中 线 路 板 上 的 导 线 发 生 作 用 , 由 于 线 路 板 上 的 导 线 是 最 有

14、效 的 接 收 和 辐 射 天 线 , 它 不 仅 能产 生 电 磁 辐 射 , 而 且 能 接 受 外 部 的 电 磁 干 扰 , 使 电 路 对 干 扰 很 敏 感 L3 智 能 电 能 表 电 磁 兼 容 性 设 计根 据 以 上 的 分 析 , 智 能 电 能 表 的 电 磁 兼 容 性 设 计 主 要 考 虑 两 方 面 的 内 容 : 一 是 在 规 定 干 扰 强 度的 电 磁 环 境 下 能 正 常 工 作 ; 二 是 向 外 界 发 送 的 电 磁 干 扰 强 度 在 规 定 的 范 围 内 L由 于 智 能 电 能 表 复 杂的 工 作 环 境 , 抗 电 磁 干 扰 设

15、计 是 两 者 中 的 重 点 L 依 据 电 磁 干 扰 形 成 的 三 要 素 , 在 产 品 设 计 阶 段 主 要遵 循 以 下 三 个 原 则 : 一 是 尽 可 能 抑 制 干 扰 源 , 直 接 将 干 扰 源 隔 离 在 智 能 电 能 表 的 工 作 之 外 ; 二 是 消除 干 扰 源 与 智 能 电 能 表 之 间 的 干 扰 耦 合 和 辐 射 , 切 断 电 磁 干 扰 的 传 递 途 径 ; 三 是 隔 离 敏 感 部 件 , 加强 智 能 电 能 表 的 抵 抗 电 磁 干 扰 的 能 力 L具 体 设 计 中 包 含 结 构 设 计 、 硬 件 设 计 、 软

16、件 设 计 等 内 容 , 以 下重 点 介 绍 硬 件 设 计 L3. 1 电 源 设 计电 网 中 的 电 压 变 化 (如 电 压 的 跌 落 、 浪 涌 和 中 断 )、 频 率 变 化 、 电 压 或 电 流 的 波 形 失 真 、 持 续 噪 声或 杂 波 , 以 及 瞬 变 所 形 成 的 电 源 干 扰 , 主 要 是 通 过 电 源 线 传 入 设 备 的 , 干 扰 设 备 的 正 常 工 作 , 因 此 ,电 源 线 上 的 干 扰 抑 制 成 为 产 品 设 计 中 第 一 重 点 L 目 前 有 各 种 各 样 的 器 件 和 产 品 能 有 效 地 抑 制 电 源线

17、 的 干 扰 , 考 虑 到 智 能 电 能 表 的 工 作 环 境 及 成 本 , 主 要 选 用 的 器 材 有 : 压 敏 电 阻 、 硅 瞬 变 电 压 吸 收 二极 管 (简 称 TV S)和 隔 离 变 压 器 L压 敏 电 阻 用 于 吸 收 瞬 变 电 压 , 应 根 据 使 用 电 路 的 工 作 电 压 的 112114 倍 的 关 系 来 选 择 其 标 称 电 压 (考 虑 到 使 用 电 压 的 波 动 范 围 ) , 同 时 还 要 注 意 有 效 值 和 峰 值 间 的换 算 LTV S 具 有 极 快 的 响 应 时 间 和 非 常 高 的 浪 涌 吸 收 能

18、力 , 用 于 保 护 电 路 免 受 静 电 、 电 感 负 载 切 换过 程 以 及 感 应 雷 击 所 产 生 的 瞬 时 过 电 压 L隔 离 变 压 器 通 过 实 现 电 路 和 电 路 之 间 的 电 器 隔 离 , 解 决 地线 环 路 电 流 带 来 的 干 扰 , 它 对 低 频 干 扰 尤 其 有 效 L312 印 刷 线 路 板 的 设 计31211 印 刷 线 路 板 的 布 局 将 电 源 部 分 与 数 字 逻 辑 电 路 部 分 分 配 在 不 同 的 区 域 , 以 缩 短 高 频 电 流在 印 刷 板 上 的 走 线 路 径 : 去 耦 电 容 用 于 消

19、除 瞬 态 过 程 对 电 路 的 影 响 , 应 尽 可 能 靠 近 芯 片 的 电 源 管脚 , 所 使 用 的 电 容 器 的 尺 寸 要 尽 可 能 的 小 , 并 尽 量 缩 短 其 引 脚 的 长 度 (最 好 无 线 脚 ) ; 所 有 连 接 到 其他 面 板 及 部 件 的 连 接 头 必 须 尽 可 能 相 互 靠 近 放 置 , 以 防 止 外 部 电 流 流 过 印 刷 线 路 板 上 的 线 路 L286 浙 江 大 学 学 报 (工 学 版 ) 第 35 卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing

20、 House. All rights reserved. http:/31212 印 刷 线 路 板 的 布 线 传 送 信 号 的 线 路 要 与 其 信 号 回 路 尽 量 靠 近 , 这 样 可 以 消 除 高 频 电 流环 , 防 止 这 些 线 路 包 围 的 环 路 区 域 发 生 辐 射 ; 电 源 线 与 地 线 应 尽 可 能 靠 近 , 最 好 是 电 源 线 布 在 印 刷板 的 一 面 , 而 地 线 布 在 印 刷 板 的 另 一 面 , 上 下 重 合 , 使 电 源 的 阻 抗 最 低 ; 增 加 印 刷 板 线 条 间 的 距 离 ,或 在 走 线 之 间 有

21、意 识 地 安 插 一 条 地 线 , 作 为 线 条 间 的 隔 离 , 以 减 少 平 行 走 线 时 的 干 扰 L31213 元 器 件 的 选 择 微 控 制 器 是 智 能 电 能 表 的 核 心 部 件 , 应 选 择 体 系 结 构 好 , 并 具 备 优 异 电 磁兼 容 性 能 的 控 制 器 ; 逻 辑 电 路 尽 可 能 选 择 低 速 的 时 钟 频 率 , 并 将 闲 置 的 输 入 输 出 端 强 制 在 高 电 平 或低 电 平 上 L4 结 论(1) 由 于 电 磁 兼 容 技 术 是 伴 随 着 无 线 电 、 电 子 技 术 的 发 展 而 出 现 并 得

22、 以 发 展 , 随 着 电 子 、 电 气设 备 的 广 泛 应 用 , 对 于 产 品 的 电 磁 兼 容 性 要 求 也 越 来 越 高 L(2) 智 能 电 能 表 作 为 电 能 计 量 和 电 费 结 算 的 计 量 产 品 , 要 求 产 品 具 有 精 确 、 稳 定 的 计 量 性 能 ,在 设 计 时 必 须 充 分 考 虑 电 磁 干 扰 源 , 并 仔 细 分 析 这 些 干 扰 源 如 何 传 递 L(3) 通 过 对 智 能 电 能 表 的 结 构 设 计 、 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 可 以 提 高 其 电 磁 兼 容 性 , 特 别 是 通 过电 源

23、设 计 和 印 刷 电 路 板 的 设 计 在 硬 件 上 可 以 抑 制 和 消 除 电 磁 干 扰 源 L参 考 文 献 :1 贺 景 亮 . 电 力 系 统 电 磁 兼 容 M . 北 京 : 水 利 电 力 出 版 社 , 1993.2 徐 鹏 根 . 电 磁 兼 容 性 原 理 及 应 用 M . 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社 , 1996.Electromagnetism com patibility of in telligen telectr ic ity m eterZHON G Cheng2yun1, W AN G Kang2yuan2(1. T he M ana

24、gem ent Bureau of Shengli O il, Dongying 257001, Ch ina;2. D ep t. of E lectrical Engineering, Zhejiang U ni. , H angzhou 310027, Ch ina)Abstract: T he tran sm ission w ays of electrom agnetic in terfere and its sou rce from aspects of h ighfrequency impu lse, low frequency impu lse, thundersto rm e

25、lectricity, radiative electrom agnetismfield, static electricity discharge, and etc. Since the in telligen t electricity m eter is the pow ersystem s m easu re, it requ ired to have a good electrom agnetic compatib ility. T h is thesis analysisthe sou rce of electrom agnetic in terfere in pow er sys

26、tem and disp lay how its tran sm it. Som em ethods can be found in structu re design, hardw are design and softw are design to imp rove them eters electrom agnetic compatib ility, and the design of m eters pow er supp ly and p rin ted civcu tboard is also stressed.Key words: in telligen t electricity m eter; electrom agnetic compatib ility; distu rbance sou rce386 第 6 期 宗 承 云 , 等 : 智 能 电 能 表 的 电 磁 兼 容 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/