電子式互感器電磁兼容性能

電子式互感器電磁兼容性能是指是電力系統用來測量一次電流/電壓的裝置，以及設備或系統在其電磁環境中不受干擾能正常工作，並不對該環境中其他事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

基本介紹

• 中文名：電子式互感器電磁兼容性能
• 外文名：Electromagnetic compatibility of electronic transformer
• 提出：為了確保ECT正常工作
• 干擾因素：輻射、傳導干擾
• ECT設計原則：電路設計、內部結構
• 互感器原則：電源連線埠、信號連線埠、機箱禁止

電子式互感器中電磁兼容問題的提出

電子式互感器（electronic current/voltagetransformer， 簡稱ECT/EVT)是電力系統用來測量一次電流/電壓的裝置。在正常工作條件下，它能輸出與一次電流/電壓成正比且不發生相移的電流或電壓，供測量儀器、保護或控制裝置使用。鑒於它工作環境的特殊性，它的一次側處於開關站區的戶外部分(圖1中部件1 所示)，必須符合戶外溫度變化，高壓端耐壓絕緣水平等一系列高壓側的要求，同時，它的二次側處於控制櫃區的室內部分，圖1中部件2 所示並包含電子線路，有可能會受到控制櫃區內其它電子設備，計算機等的干擾。

圖1

因此為了確保ECT 在其工作環境中能夠正常的工作，就必須在它實際運行前對其二次側進行電磁兼容試驗。電磁兼容是指設備或系統在其電磁環境中不受干擾能正常工作，並不對該環境中其他事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。它包含對電子設備電磁騷擾發射和電磁敏感性兩方面的要求。由於ECT 的輸出為測量通道4V，保護通道0.2V 的工頻弱電信號，不會對其他設備造成干擾。因此，電子式電流互感器的電磁兼容試驗主要是評定它的抗干擾能力，即電磁敏感性方面的要求。

電子式互感器電磁兼容測試項目及標準

IEC 61000 是關於電磁兼容性的大型系列標準。其中涉及電子式互感器的試驗均為與抗擾性有關的試驗標準。抗擾性試驗的目的是檢驗連線到供電網路、控制和通信網路中的電氣、電子設備對傳導騷擾，輻射騷擾的抗干擾能力，試驗的選擇取決於電磁騷擾的類型;環境條件;對設備性能的要求以及經濟因素等。

電磁兼容試驗中試品的試驗結果可按照被試設備的功能喪失或性能降低分類，電子式電流互感器的試驗結果的評估可分為A，B兩級。具體試驗內容見表。

A:滿足準確度規範限值以內的正常性能（穩態下，在額定一次電流或其較低值）。

B:允許與保護無關或與自動恢復的自診斷無關的測量性能暫時下降。不允許復位或重新啟動。不允許輸出過電壓超過500 V。對於保護用電子式互感器，不允許會使繼電保護裝置誤動的性能下降。根據試驗項目中電磁環境對ECT/EVT干擾的傳播方式不同，主要可分為以下兩種：

1、傳導干擾

傳導干擾是經導線，金屬管道，公共接地阻抗等導電路徑傳播的干擾。只要有連線便可能傳導電磁干擾，一般影響最大的是電源迴路傳導的干擾。工程實踐表明，其中最易導致電子設備故障的是脈寬小於1us 的干擾脈衝以及持續時間大於10ns 的持續噪聲。涉及到的主要試驗為：電快速瞬變/脈衝群試驗，衝擊波（浪涌）抗擾度試驗。

電快速瞬變/脈衝群是由電感性負載（如繼電器、接觸器等）在斷開時，由於開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產生的暫態騷擾。當電感性負載多次重複開關，則脈衝群又會以相應的時間間隙多次重複出現，如圖2所示。這種暫態騷擾能量較小，一般不會引起設備的損壞，但由於其頻譜分布較寬，所以會對電子、電氣設備的正常工作產生影響。目的就是為了檢驗ECT 在遭受這類暫態騷擾影響時的性能。

圖2

開關操作，例如電容器組的切換，晶閘管的通斷，設備和系統對地短路和電弧故障等或雷擊可以在電網或通信線上產生暫態過電壓或過電流。通常將這種過電壓或過電流稱為浪涌。浪涌呈脈衝狀，其波前時間為數微秒，脈衝半峰值時間從幾十微秒到幾百微秒，脈衝幅度從幾百伏到幾萬伏，或從幾百安到上百千安，是一種能量較大的騷擾。

2、輻射干擾

輻射干擾近場表現為靜電感應與電磁感應導致的干擾，遠場則為通過輻射電磁波造成的干擾。所涉及到的試驗有：工頻磁場抗擾度試驗，阻尼振盪磁場抗擾度試驗，脈衝磁場抗擾度試驗，無線電頻率輻射電磁場抗擾度試驗。

工頻磁場是由鄰近的電力線路，變壓器等在正常運行或故障條件下產生的􀊥阻尼振盪磁場主要是由於在高壓變電所中隔離開關分合高壓母線所產生的􀊥脈衝磁場則是由雷擊建築物和其他金屬構架（包括天線桿，接地體和接地網），以及由低壓，中壓和高壓電力系統中故障的起始暫態產生的，也可由高壓變電所的斷路器切合高壓母線和高壓線路產生。而無線電頻率輻射主要是由各種工業電磁源以及寄生輻射源產生的電磁波干擾。這些試驗的目的是為了檢驗ECT 在各種磁場干擾下的運行情況。

上述的傳導干擾與輻射干擾對於電子式互感器來說，是必須要通過的試驗項目，因此，有必要對其進行相應的電磁兼容設計。

ECT 電磁兼容設計一般原則

一般的電磁兼容設計都遵循一定的原則。而根據電子式互感器二次側機箱的一些特點，比如只傳遞低頻弱電信號，傳遞速度不快等，也可以總結出它的電磁兼容設計原則。

1、電路設計方面

1) 採用懸浮地，使電路的信號線與機箱絕緣，以防止機箱上的干擾電流直接耦合到信號電路。

2) 合理排布電源，地和各種信號線，降低各種信號線之間產生的耦合干擾。

3) 合理布置元器件，儘可能降低元器件之間連線長度，降低信號線產生的電磁輻射。

4) 在模組電源輸入端設計濾波電容，降低或消除通過電源進入電路模組的各種干擾信號。

5) 避免產生和使用不必要的高邏輯電平。如能用3.3V 電平的就不要用5V 電平。

6) 選擇電路功能允許的最慢的上升時間和下降時間，以限制產生不必要的高頻分量。

2、內部結構方面

1) 機箱外殼實行全封閉的禁止結構，要求其各個面之間具有良好的接觸，並保持其良好接地。

2) 機箱中各種裸露走線要儘可能短。

3) 傳輸不同電子信號的導線分組綑紮，數位訊號線和模擬信號線也應分組綑紮，並保持適當的距離，以減小導線間的相互影響。

4) 機箱外殼的各個接口處都要利用導電膠搭接。

5) 輸出端子採用隔離輸出方式，各個輸出端子之間的接地採用獨立地線並聯一點接地的方式。

電子式互感器的電磁兼容設計

為了提高電子式互感器二次設備的抗干擾能力，就需要對它進行一些預防干擾的設計。主要包括以下三個部分。

1、電源連線埠部分

電源是最關鍵的部分，如果電源抗干擾能力不足，其他連線埠耦合的干擾都可以通過電源構成迴路。安裝電源濾波器是一個基本的方法。電源濾波器是一種低通濾波器，專用於去除電源中的共模和差模干擾，允許直流或50Hz 工頻電流通過，通常由無源集中參數原件構成。在使用電源濾波器時，要注意以下幾點：

a) 選擇濾波器的電流時，要留有至少50%的餘量，以使濾波器始終工作在最佳狀態。

b) 濾波器一定要安裝在設備離電源入口最近的地方，其外殼一定要良好接地。

c) 濾波器的電源輸入線要儘可能短，它的輸入線和輸出線不能重疊捆綁。通過這樣設計和良好的電源禁止線，電源濾波器就能夠很好的發揮作用，抑制浪涌，電快速瞬變脈衝群等的干擾了。

2、信號連線埠部分

對於信號連線埠，最主要的是進行預防靜電放電。本文通過加裝瞬態騷擾吸收器件來進行保護。

1) 瞬態騷擾吸收器件的特點

a .TVS 器件

瞬態（瞬變）電壓抑制二級管簡稱TVS 器件，在規定的反向套用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈衝時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，並將電壓箝制到預定水平，從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受

損壞。TVS 能承受的瞬時脈衝功率可達上千瓦，其箝位回響時間僅為1ps。TVS 允許的正向浪涌電流在TA=25C，T=10ms 條件下，可達50~200A 。

b.壓敏電阻

壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對後級電路的保護。壓敏電阻的回響時間為ns 級，比空氣放電管快，比TVS 管慢一些，壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF 的數量級範圍，很多情況下不宜直接套用在高頻信號線路的保護中，套用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大。

2) 保護器件的選用及搭配

TVS 回響速度快，但容量有限，壓敏電阻回響速度慢，但容量大。在兩者配合使用時，就需要選擇合適的參數配合，才能發揮出它們各自的優點，有效地保護電路。在交流迴路中，壓敏電阻的壓敏電壓min(U1mA)≥(2.2~2.5)Uac，式中U_ac 為迴路中的交流工作電壓的有效值。壓敏電阻的最大限制電壓約為壓敏電壓的1.7~1.8 倍。而TVS 的最大鉗位電壓大約是擊穿電壓的1.4~1.5 倍。

3、 機箱禁止部分

禁止是用導電或導磁體製成的封閉面對其內外兩側的空間進行電磁隔離，以抑制禁止體兩側電磁輻射能量的傳遞。可以是隔板，金屬盒，箱的形式。

1) 禁止機箱材料的選擇

禁止按其機理分為電禁止，磁禁止以及電磁禁止。根據不同的禁止原理，所使用的材料也不盡相同。

電禁止主要指靜電場和交變電場禁止，其設計原理是用禁止體來儘量減少干擾源和設備之間的分布電容，從而減小干擾源的影響。

因此，需要選取高電導率的材料進行防護。各種金屬的電導率如右表所示。銀和銅的導電效果非常好，但是價格較高。鋁的導電效果雖然也不錯，但首先鋁板表面容易形成氧化膜，有很大的接觸電阻􀊥其次，鋁的機械強度不夠，不適合做機箱。因此，一般可採用鐵殼機箱，再噴塗一層高導電率的材料。

磁禁止主要指靜磁場及交變磁場禁止，它的機理主要是依賴高磁導率材料所具有的小磁阻起到磁分路作用，減小禁止體內部的磁場。可選用金屬鐵磁材料來進行低頻磁場的禁止。右表中列出了部分金屬鐵刺材料的相對磁導率，相對磁導率越高，其禁止效果越好，禁止層數越多，禁止效果越好。從磁禁止的機理而言，禁止體不需要接地，但為了防止電場感應，一般還是要接地。

電磁禁止主要指電磁波禁止，是利用禁止體阻止電磁場在空間傳播，是靠對電磁波的反射和吸收來完成的，禁止效果與禁止體厚度無關，這與電場禁止和磁場禁止不同。根據以上的總結，禁止材料的選擇原則如下表所示。

針對電子式互感器來說，由於其工作頻率較低，並且所需要禁止的干擾主要是磁場干擾。因此本文選擇磁導率較高，價格便宜的鐵板作為機箱材料，用以抵制周圍的磁場干擾。

2) 禁止機箱的表面處理

表面處理直接影響到殼體表面的導電性，影響接觸面間的接觸電阻，影響整體殼體的電氣連續性，從而影響到儀器的電磁禁止效果，尤其是電禁止的禁止效果。

首先，應該使鐵板儘量平整，光滑，並採用電鍍技術，在鐵板表面鍍一層鋅膜，這樣主要可以增加反射衰減。

其次，機箱殼體還必須相互接觸良好，並保證良好接地，這點對於電禁止來說尤其重要，因為在電禁止中，禁止體不接地時，干擾源和感受器間的分布電容比沒有禁止體時還要大。因此儀器在塗漆時必須注意，其安裝面上不能有漆。

最後，機箱的連線處應該用金屬絲網套橡膠芯襯墊來連線，防止出現沒有連線上的懸浮低。

3) 禁止機箱厚度的確定

禁止體的禁止效果是以禁止效能來表示的。禁止效能也稱禁止衰減，是指未加禁止時某一被測點的場強與加禁止後同一被測點的場強之比，以dB 為單位。包括電磁波通過禁止體表面時的反射消耗，電磁波在禁止體內部傳輸時的吸收消耗，電磁波在禁止體之間反射時的多重反射消耗三部分。