微机保护测控装置的抗干扰防护措施设计

陈瑶 王小进

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

微机保护测控装置以其先进的原理及结构，安装调试简单，运行维护方便，保护动作迅速、灵敏度高，可靠性强且能自动记录故障信息等显著优点在电力系统应用广泛。

作为变电站综合自动化系统的底层终端设备，通常安装在现场开关柜上，这就对设备的整体综合可靠性提出了特殊的要求，特别是装置在抗强电磁干扰能力、考高低温、防尘抗腐蚀、防潮湿和抗振动等多方面有着严格的要求，要求设备整体水平达到免维护，这些方面也是多年来国内装置与国外同类装置的主要差距所在，它不仅受到装置本身软硬件水平的影响，而且是涉及到有关工艺水平、结构设计和元器件质量等多方面因素的综合技术难题。

1 干扰分析及后果

干扰就是除有用信号以外的所有可能对微机保护测控装置的正常工作造成不利影响的装置内部或外部的电磁信号。干扰的传播途径如图1所示，干扰源产生的干扰通过耦合途径对接收电路形成干扰。干扰源、耦合途径、接收电路被称为干扰的三要素。

图1 干扰的三要素

干扰产生于干扰源，国内外大量研究表明，干扰主要是由端子排从外界引入的浪涌电压和装置内部继电器切换等原因造成的。前者称为外部干扰，后者称为内部干扰。外部干扰是指那些与系统结构无关而由使用条件和外部环境因素所决定的干扰，主要有由其它物体或设备辐射的电磁波、产生的强电场或磁场以及来自电源的工频干扰等；内部干扰是指由系统结构、元件布局和生产工艺等决定的干扰，主要有杂散电感和电容结合引起的不同信号感应、长线传输造成的电磁波反射以及多点接地造成的电位差干扰等。干扰从型式上又可分为横模干扰和共模干扰，一般情况下，上述两种干扰同时存在。干扰通过耦合途径对正常电路起作用，表现为场干扰和路干扰，具体有静电耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和电磁场辐射耦合等四种耦合方式。对微机保护来说，整个微机保护测控装置就是干扰的接收电路。

干扰对微机保护的后果主要表现为由于数据或地址的传递出错而导致计算出错或程序出格。在程序出格后 CPU将执行一系列非预期的指令，其最终结果不是碰到一条 CPU不认识的指令操作码而停止工作，就是进入某一种非预期的死循环。程序出格后 CPU停止了执行保护的任务，如不能做到及时发现并采取措施，则在被保护对象发生故障时就将拒绝动作。

干扰的另一种可能后果是导致保护误动作，例如从电流互感器或电压互感器二次引入的浪涌造成错误的数据而使保护误动。严重的干扰还可能造成元件损坏。

对微机保护测控装置来说，要提高系统的可靠性，就是采取相应的抗干扰防护措施消除或降低干扰带来的危害。下面从硬件和软件两方面列出微机保护测控装置抗干扰所采取的防护措施。

2 装置硬件方面的抗干扰措施

硬件通常抑制干扰的措施包括三方面的内容：一方面是积极地防范电磁干扰的措施，即抑制干扰源；另一方面是消极防电磁干扰措施，即阻断干扰途径；再一方面是预防性抑制电磁干扰的措施，即降低受干扰装置的噪声敏感度。微机保护研究的重点是“阻断干扰途径”及提高微机保护测控装置的抗干扰水平。

通常，微机保护测控装置在硬件设计上采用以下抗干扰措施：

a) 阻塞耦合通道

电源滤波、旁路/退耦电容、辅助变流器/变压器电屏蔽、光电隔离、弱电系统浮地、强弱电信号走线分离、磁屏蔽、单点接地、双绞线、PCB板内合理分块布线等措施；

b) 提高敏感设备的电磁敏感度

去耦电容、多层印制板、电磁波屏蔽、逻辑与5 V系统总线不外引，各CPU间通讯采用双绞线等措施；

下面给出了本装置机箱及对外引线端子所采取的屏蔽及隔离措施：

1）机箱：用防锈铝板，采用 2.5 mm 的薄板，成形后再作导电氧化处理。机箱前后两面开口，其余各面用型材料螺钉安装而成，组装容易，接缝严密，可防止孔缝泄漏，接地良好，装置就能顺利通过静电放电干扰试验和工频磁场干扰试验。

2）电源：从干扰源入手－－抑制开关电源内部噪声；从干扰传输途径入手－－在开关电源输入端口的滤波；从敏感设备入手－－在弱电回路设置滤波；从减少5 V，5 VGND的长度及其环路面积入手－－采用分布电源。

3）开关量输入、输出回路：

① 慎重选取光耦器件；设计印制板时，一定要树立“光耦器件是一个比较敏感的器件”的概念；电路中设置 EMI器件，以提高共模回路的阻抗来抑制干扰；

② 依靠软件延时、连续多次读取开关量输入来确认开关量状态。

4）交流回路：减小辅助变流器/变压器原、副边的耦合电容；增加共模骚扰回路的阻抗。

5）各电路印制板与主板之间安装和取出方便，印制板的屏蔽和间距良好地解决了电磁干扰问题。

3 装置软件方面的抗干扰措施

采用硬件抗干扰措施可大大提高装置的可靠性。一旦干扰突破了由硬件组成的防线，可由软件进行纠正，以防造成微机工作出错，导致保护误动作或拒动。微机保护测控装置在软件方面采取了以下抗干扰措施：

① 系统自检程序可以有效提高系统的可靠性，自检程序可对内部 RAM、FLASH ROM、I/O通道、传感器等进行故障检测和诊断，这样就能了解系统各个器件的运行状况，进行及时有效的维护，并可避免因器件原因使系统受干扰而不能工作的情况；

② 对开关量的采集采用多次采集进行表决，才确认开关变位；对故障采用连续多次的确认方法；

③ 采用数字滤波可以克服计量算法的分散性，如电压、电流的计算采用了滑动平均滤波的方法，有效地消除了瞬时干扰的影响；

④ 程序每次上电初始化时，均对整定值进行校验，如发现错误，则启用备份数据；

⑤ 程序中设计了自检程序，可通过人机接口测试继电器、指示灯、校验 RAM、校验定值、A/D通道等；

⑥ 软件采用数据冗余及看门狗等技术来提高系统的稳定性和抗干扰能力。

4 微机保护测控装置的抗扰度要求

4.1 装置各个端口电磁兼容要求

GB/T 7261-2000及IEC 60255-26提案规定了量度继电器和保护装置各个端口的电磁发射及抗扰度的试验项目及水平。发射试验规定了机箱外壳端口及电源端口产生的电磁骚扰不得超过影响到其它装置正常工作的限值，抗扰度试验考核了连续的瞬态传导性骚扰、静电放电及辐射骚扰对量度继电器和保护装置影响情况。具体的抗扰度试验项目如表1所示。几种瞬态干扰比较见表2。

表1 各个端口对应的抗扰度试验

表2 几种瞬态干扰比较

4.2 几种瞬变骚扰分析、比较

装置电磁兼容试验包括：静电放电(ESD)干扰试验、辐射电磁场干扰试验、1 MHz和100 kHz衰减振荡波干扰试验、浪涌(冲击)干扰试验、快速瞬变脉冲群干扰试验。

GB/T 7261-2000和GB/T 17626.X (idt IEC 61000-4-X)抗扰度试验中有相当数量是传导性瞬变骚扰干扰。瞬变骚扰的起因是多种多样，如开关动作、电网故障、自然现象等。由于电子设备发展趋向于数字系统，使得瞬变骚扰试验显得尤其重要。描述瞬变骚扰的重要特征：a)干扰是单方向的，还是振荡的瞬变；b)干扰幅度及持续时间；c)振荡瞬变的衰减系数；d)脉冲强度或能量；e)上升时间(或最大电压梯度dv/dt)；f)干扰的重复率。

此外，瞬变骚扰对敏感设备的作用的方式：共模瞬变干扰、差模瞬变干扰。

表2给出了静电放电ESD，1 MHz衰减振荡波、电快速瞬变EFT、浪涌四种典型的瞬变骚扰信号的特性比较。

瞬变骚扰的快速上升沿是破坏电路工作的最主要因素，因为它们在传输过程中衰减最小，并在感性地线和信号线中产生较大的电压。对数字电路影响较大。电源回路瞬态包括差模及共模两种形式。差模尖峰电压往往有较慢的上升时间和较高的能量，为了防止输入电路损坏，需要采取抑制措施。而抑制共模瞬态更困难一些。

5 结束语

本文从干扰三要素的分析着手综合采取各种软硬件抗干扰措施消除或降低干扰带来的危害，使微机保护运行更合理、更安全。相应的措施使微机保护测控装置通过了国家继电器质量监督检验中心型式试验，取得了电磁兼容检验证书。

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