张晓东
(国电南京自动化股份有限公司,江苏 南京 210003)
随着技术的发展,电力系统设备的数量、种类与日俱增,性能也不断提高,向高频率、宽频带、高集成度、高可靠性、高精度和高灵敏度方向发展。继电保护和控制装置大多为计算机实现,并趋于小型紧凑化、智能集成化、功率降低化、功能一体化,对其抗干扰性能提出了新的挑战,电磁干扰问题越来越复杂,已成为影响电力系统继电保护装置正常工作的关键技术之一[1,2]。
电磁兼容的研究对象是电磁干扰。国际电工技术委员会对电磁兼容的定义是在不损害信号所含信息的条件下,信号和干扰能够共存的能力。可理解为装置或系统在其预定的场所运行时,具有不受周围电磁环境影响、不影响周围环境、不发生性能恶化和误动作,能按设计要求正常工作的能力。
电快速瞬变脉冲群简称EFT,脉冲群持续时间为15 ms,脉冲群间隔为300 ms,单脉冲宽度为50 ns,脉冲上升沿为 5 ns,脉冲重复率为2.5 kHz[3,4]。
开关断开电感负载时产生反电势。反电势向寄生电容充电,随着充电电压的升高,开关断开处出现击穿现象,共用此电源的其它电路或装置将受到该脉冲电压的影响,这就是EFT形成的原因。
EFT的特点:脉冲成群出现,重复频率高,单个脉冲的上升时间短暂、能量较小,一般不会造成设备损坏,但脉冲群会对装置中半导体器件结电容充电,当结电容能量积累到一定程度,便会引起装置误动作。对地电容是EFT的一个主要传播途径,属共模干扰,是EMC抗扰性试验容易出现的问题。EFT电压的大小取决于负载电路的电感、负载断开速度和介质的耐受能力。
电快速瞬变干扰发生器采用PEFT4010装置(如图1所示)。
被试装置由单片机ATmega16构成微机保护(插件式),能同时对三相输入电压进行采样监控,面板上的数码管循环显示当前各相电压计算值。保护电压动作值、动作时间可整定于E2PROM中。保护动作后启动面板上的信号灯并作用于继电器出口,提供4付接点输出。
图1 试验仪器
在被试装置的以下3个回路中分别加入最高幅值为4 kV的EFT;电源输入回路;交流电压输入回路;继电器的开关量输出回路[3]。
每次试验过程出现的异常现象:面板上数码管出现乱码、信号灯无规律闪动;继电器发出误动作的声音;试验后装置的整定值发生改变。
插件内无抗干扰的元器件,其电源回路、电压滤波回路、继电器输出回路设置在PCB板上,而主芯片ATmega16、数码管、信号灯、按键等设置在面板上部,面板和底板之间采用长15 cm的扁平电缆数据线跳接。直流电源输入、交流电压输入、继电器的输出设置在面板下方的凤凰端子上。
a. 电源输入回路
220 V直流电源直接连接到插件上逆变电源模块,插件背面电源走线长达24 cm(如图2所示)。
为了将EFT抑制在印制板外,可在电源回路的开始端绕接一长3 cm、外径1.5 cm,内径1 cm的铁氧体磁环,绕线匝数定为3匝。磁环内外径差越大、轴向越长、磁环内径越抱紧导线,其高频阻抗就越大。磁环上绕线匝数不宜过多,否则会在绕线间形成寄生电容,导致高频阻抗降低,有利于干扰窜入。
图2 电源走线
b. 交流输入回路
交流电压经过面板的凤凰端子直接进入印制板上的小型电压互感器,接着就是常规低通滤波,最后输入单片机ATmega16的PA口。可在电压互感器原边并接1个高频电容、串接1个电感线圈来抑制EFT干扰。
c. 开关量输出回路
EFT会从继电器输出接点耦合到线圈侧,从而进入插件的弱电回路,导致数据出错而误动作。因此,可在继电器线圈侧 (24 V)处加装磁环和去耦电容。
d. 采用软件技术
经过试验,如果将该装置的软件加入短延时间25 ms再动作出口,也可躲过EFT干扰的影响,但该方法对本快速保护是不允许的,不予采用。
整改后抗扰效果非常好,但3个回路异常现象偶有出现。
a. 空间辐射干扰波形
EFT含有极丰富的高频成分,试验时幅值高达4 kV,空间辐射能量较大。将PEFT4010装置的干扰信号输出端水平引出1 m,拉直后放置于离参考地平面10 cm的木块上,输出4 kV(2.5 kHz)干扰脉冲,用示波器记录导线顶端水平5 cm处,空间辐射对地电压高达77.6 V,波形如图3所示。
图3 导线的辐射电压波形
b. 插件内部辐射干扰波形
直流220 V电源回路加入4 kV的EFT,位于插件中间的扁平电缆接口处,空间辐射对地电压高达127.0 V,波形如图4所示。
图4 插件中间的辐射电压波形
c. 空间干扰的整改
图3、图4表明EFT干扰的空间辐射能量很大,对扁平电缆数据线有很大的干扰。对元器件布置重新设计,将原扁平电缆数据线 (如图5所示)的接口向面板靠拢,缩短其长度,同时将扁平电缆及面板上的单片机回路用金属挡板屏蔽并接地(如图6所示)。最后将整个插件外部加装1块屏蔽金属壳,并接地 (如图7所示)。
整改后屏蔽金属框内扁平电缆 (长度为5 cm)处的空间辐射对地电压高达40.8 V,波形如图8所示。插件外再加金属外壳并接地,扁平电缆处的空间辐射对地电压高达24.0 V,波形如图9所示。
图9 加屏蔽外壳的辐射电压波形
经多次试验证明,各回路施加4级EFT干扰[5],被试插件加入90%动作值交流量电压时不误动,加入110%动作值交流量电压时不拒动。试验过程及试验后,被试插件均运行正常,试验结论为合格。
在电力系统中运行的微机保护装置面临越来越恶劣的电磁环境,电磁兼容的研究越来越重要,逐渐成为一门新兴专业。对微机保护装置进行电磁兼容设计和测试十分必要,电磁兼容设计应贯穿于始终,这样才能提高装置的抗干扰性能,从而节约时间与费用,提高设计的效费比,保证电力系统安全运行。
[1] 张运国,翟俊玉.110 kV输变电工程无线电干扰对环境的影响 [J].东北电力技术,2004,25(07):42-43.
[2] 王 琪,牟 童,何 璐.特高压电网电磁环境研究 [J].东北电力技术,2009,31(11):15-17.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.GB/T 14598.10—2007/IEC 60255-22-4:2002.电气继电器 第22-4部分:量度继电器和保护装置的电气骚扰试验——电快速瞬变/脉冲群抗扰度试验[S].2007.
[4] 机械工业部上海工业自动化仪表研究所.GB/T17626.4—1998.电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 [S].1998.
[5] 机械工业部上海工业自动化仪表研究.GB/T17626.1—1998.电磁兼容 试验和测量技术 抗扰度试验总论 [S].1998.