高压隔离开关智能组件硬件系统的抗电磁干扰策略

李少东，黄国兵，张敏

（西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710048）

高压隔离开关智能组件硬件系统的抗电磁干扰策略

李少东，黄国兵，张敏

（西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710048）

高压隔离开关智能组件是变电站智能一次设备的关键部件，但嵌入在一次设备中运行的智能组件电磁环境恶劣，可能导致隔离开关智能组件的误操作。为了提高智能组件的抗干扰能力，本文提出了改进硬件平台系统抗电磁干扰的设计理念。对智能组件系统所处的电磁干扰环境，电磁干扰源、抗电磁干扰机理做了详细分析，研究了设计电磁兼容性问题，总结出了智能组件系统硬件设计中应采取的抑制电磁干扰措施。通过对设计的硬件系统进行现场测试，试验效果验证了硬件系统抗干扰策略的可行性和有效性。

高压隔离开关；智能组件；ARM；电磁干扰；抗电磁干扰策略

高压隔离开关的智能控制已经成为变电站智能化系统的一个重要组成部分，是智能变电站中使用量最大的一次设备。在变电站内部，如雷击、涌浪、VFTO等复杂电磁环境严重制约电网的正常调度、运行和维护，尤其不利于电网事故的快速处置和恢复，影响电网安全运行[1]。目前国内在高压隔离开关的智能化控制上还处于起步阶段，智能组件处理速度较低并且抗干扰能力不强，还不能满足电网智能化数字化的要求[2]。

文中结合变电站实际工程需要，设计基于ARM的高稳定性、可靠性的高压隔离开关智能组件。通过深入分析干扰机理，对硬件系统的抗干扰性能进行了多方面优化设计，提高了隔离开关智能设备的抗干扰能力和稳定性，为实现变电站综合自动化奠定了基础。

1 硬件总体系统

1.1 硬件总体设计

本文所设计隔离开关智能组件以LMS9D96作为控制核心，根据相关操作命令使高压隔离开关打开、闭合或停止。在隔离开关传动装置上装有旋转编码器，把旋转编码器采集的位置信号通过信号调理传给控制器，通过实时的信号比较，以确定隔离开关是否到位。由于智能组件所处的工作环境较为复杂，考虑到控制器的正常工作条件，需要有温湿度传感器来检测周围环境的温湿度，并采取一定的改善措施，如温度过低或者湿度较大时，启动加热器风扇进行加热或者除湿。硬件总体设计如图1所示。

1.2 控制核心芯片

设计中采用的CPU为德州仪器（TI）公司的LM3S9D96，该芯片是基于ARM高性能的CortexTM-M3 32位的RISC内核，工作频率为80MHz，内置512KB字节的闪存和96KB字节的SRAM，2个12位的ADC转换、4个通用32位定时器和1个带死区的PWM定时器，标准的2个I2C接口和SSI接口，工作温度为-40～85℃[3]。本系统的CPU是针对工业应用方案设计的，其数据处理性能满足本设计实时数据采集、数据处理和出口控制的性能要求，同时该片上系统SoC（SoCSystem on chip）还在片内集成了网络控制芯片、支持IEEE1588硬件时钟同步，片内程序存储器和数据存储器满足应用要求，大大简化硬件系统的设计，提高了控制系统的抗干扰性能和电磁兼容性能。

图1 硬件总体设计框图Fig.1 The diagram of hardwave general design

1.3 电机三相交流信号调理

电动机三路幅值220 V交流电压及电流5 A经过微型精密互感器变化为幅值5 V交流电压及20 mA电流，6路交流模拟量由信号调理器件完成调理并输入芯片LM3S9D96，通过A/D转换单元完成实时信息采集。电机三相交流信号调理电路包括信号入口处干扰抑制、微型精密互感器、滤波电路和电压跟随电路等部分组成，提高采样信号的抗干扰能力，如图2所示。

图2 电机信号调理电路Fig.2 Motor signal conditioning circuit

1.4 温湿度传感器模块

变电站所在环境温湿度一般比较复杂，通过设计相应模块提高设备的适用性能。该模块采用闭环系统设计，装置所设计的环境温湿度传感器采集工作环境的温湿度上传给CPU并与设定的值进行比较，若超出设定值则发出警告并采取措施进行降温，若低于设定值则启动加热器进行升温，保证装置的可靠运行，温湿度传感器电路图如图3所示。

图3 温湿度传感器电路Fig.3 The circuit of temperature and humidity sensor

2 电磁干扰源分析

隔离开关设备位于户外变电站内，变电站的电磁干扰非常强烈。由于隔离开关在户外一次设备内嵌入运行，可能存在的电磁干扰多种多样，例如雷电引起的电气暂态现象；高压回路中绝缘击穿放电引起的电气暂态现象；静电放电；设备开合操作引起的特快速暂态过电压 （(VFTO-Very Fast Transient Overvoltage）；涌浪电流等等都容易造成运行设备自身损坏，影响变电站的可靠运行。基本电磁干扰现象如表1中所示。

3 硬件系统抗干扰策略

电力系统工作环境中有严重的电磁场干扰，这些干扰的特点是频率高、幅度大，但是控制器是在时钟控制下高速运行的，不能只是设置延时电路防止干扰，采取硬件抗干扰设计是必要的。因此，本系统分4个层次进行设计：1）电磁场屏蔽设计及接地系统的设计；2）滤波设计；3）隔离设计；4）PCB一级的设计。

3.1 电磁场屏蔽及接地系统设计

假设A是干扰源，B是工作的设备，它们对地点位分别为UA和UB，则UB=UAC1/(C1+C2+C4)，C1是A、B间的分布电容，C3、C4是插入屏蔽板后形成的分布电容，C3被屏蔽板短路到大地消除，B点的感应电压分到C2和 C4上，因此，B点新的对地电位要比未加屏蔽板时的小得多，原理图如图4所示。

表1 基本电磁干扰现象Tab.1 Interference list of basic electromagnetic phenomena

图4 电场屏蔽板原理Fig.4 The principle of electric filed shielding plate

根据电磁波的机理，电场和磁场是同时存在的，因此在屏蔽电磁波时，要同时对电场和磁场进行屏蔽[4]。从电磁屏蔽的角度上分析，选择较好的导电率、较强的导磁率和较大的厚度可以更大程度上反射和衰减电磁波的干扰。本设计选用不锈钢作为机箱的屏蔽材料，装置的金属机壳接地，同时金属机壳与机箱之间接入较小的接地电阻。信号线选用屏蔽双胶线可以提高设备的屏蔽能力，减少不对称干扰的耦合，外部引线选用带铜丝编织层的屏蔽电缆，这样可以减小回路面积，抑制变化的电场芯线的静电感应，更加削弱外部干扰磁通[4]。

在智能组件设备中，合理的接地可以保证电子、电气设备的正常、稳定和可靠的工作，而且可以提高电路的精度。结合本设计中的电源地、信号地和屏蔽地，选取混合接地的方式提高硬件系统的抗干扰能力，将所有电源地线接到电源的总地线上，所有信号地线接到总信号地线上，同时数字地和模拟地分开，所有屏蔽底线接到屏蔽总线上，三根总地线汇总到公共的参考地。

3.2 滤波设计

滤波技术可以显著抑制电磁干扰信号的传导干扰，用电感和电容组成的π型滤波器可以将电源线上的高频干扰导入地线，抑制共模干扰，装置内部的零电位全部悬空，并用电磁密封衬垫搭接滤波器与机箱，减小射频阻抗。抑制差模干扰的主要方法是交流输入端接入低通滤波电路，电源线与地线之间接入去耦电容，同时在共模电感器后串联两只差模电感器，以增大差模电感，进一步抑制差模干扰信号[5]。信号电缆中设计铁氧体电磁干扰吸收磁环可以有效抑制高频噪声干扰，提高设备抗静电干扰能力。另外，滤波器与面板之间用短导线连接并用金属板遮挡，隔离近场干扰[6]。系统的部分滤波电路如图5所示。

图5 滤波电路图Fig.5 The circuit diagram of filter

3.3 隔离设计

本设计中采用三级隔离技术，对系统的输入量进行隔离。第一级采用带屏蔽层的隔离变压器，衰减共模和差模干扰信号，防止高次谐波干扰对电网的污染，提高模拟量的输入品质。第二级采用隔离运放，滤除电源中的浪涌、雷击、VFTO等干扰信号，提高开关器件可控硅的抗冲击和抗干扰能力。第三极采用光电隔离，开光量输入电路接入两级光电耦合器，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲被阻挡在输入的一侧，对传导干扰有很好的消除作用。图6、图7、图8分别为本设计采用的隔离电路图。

3.4 印制板（PCB）一级的设计

印制电路板的布局与布线好坏对PCB的对长期工作在强电磁环境下的设备影响非常大，所以本设计在布局与布线前就考虑印制板的电磁兼容性问题。数字电路、模拟电路以及电源电路的元件的布局和布线特点各不相同，它们产生的干扰以及抑制措施也不相同。所以在元件布局时，将数字电路、模拟电路以及电源电路分开放置，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生阻抗耦合，将高频电路与低频电路分开，同时缩短高频元件之间的连线，减小分布参数相互之间的电磁干扰，输入输出元器件远离高频元件。此外，电磁干扰滤波器设计在干扰源附近，开关元件靠近隔离变压器放置，将PCB板按照频率和电流开关特性区分[7]。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都容易产生噪声，要相互靠近放置。对于发热量较大的元器件靠近通风口设计，提高系统的整体性能[8]。

图6 带屏蔽层的隔离变压器电路图Fig.6 The circuit diagram of isolation transformer with shield

图7 隔离运放电路图Fig.7 The circuit diagram of isolation amplifier

图8 光电隔离电路图Fig.8 The diagram of photoelectric isolated circuit

4 结束语

变电站智能化建设对我国的电网发展意义深远，可靠的户外高压隔离开关智能系统对保障电网完全运行至关重要。隔离开关的智能组件硬件系统受变电站的电磁干扰强烈，硬件系统设计考虑稍有不周就会对其安全、可靠性运行造成很大影响。研究隔离开关的硬件抗干扰措施，提高其在复杂电磁环境下的抗干扰能力[9]有着现实意义。本设计结合工程中模块化的设计思想设计控制器硬件系统，并充分考虑硬件系统的抗干扰等级，使隔离开关的智能组件具有更强的环境适应能力，对我国未来发展智能变电站的建设有着广阔的应用前景。

[1]卢鹏.750KVGIS变电站VFTO特性分析 ［J］.电力建设，2011，32（1）：86-90. LU Peng.Anasysis on VFTO of 750 kV GIS Substation [J].Electric Power Construction，2011，32（1）：86-90.

[2]苑舜.高压隔离开关设计与改造[M].北京:中国电力出版社，2007.

[3]黄志伟.32位ARM微控制器系统设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2010.

[4]王幸之，王雷等 .单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.

[5]钱振宇，史建华 .电气、电子产品的电磁兼容技术及设计实例［M］.北京:电子工业出版社，2008.

[6]田广坤，范如东等.高速电路PCB设计与EMC技术分析[M].北京:电子工业出版社，2011.

[7]顾海洲,马双武.PCB电磁兼容技术—设计实践[M].北京：清华大学出版社，2004.

[8]钱振宇，史建华 .电气、电子产品的电磁兼容技术及设计实例[M].北京:电子工业出版社，2008.

[9]乔登江.高功率电磁脉冲、强电磁效应、电磁兼容、电磁易损性及评估概论[J].现代应用物理,2013(3):219-224. QIAO Deng-jiang.High power electromagnetic pulse,highvoltage electrical magnetic,electromagnetic compatibility, electromagnetic vulnerability and assessment survey[J]. Modern Applied Physics,2013(3):219-224.

Design strategy of electromagnetic anti-jamm ing for hardware system of high-voltage disconnecting sw itch intelligent components

LI Shao-dong，HUANG Guo-bing，ZHANG Min
（College of electromechanical engineering,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China）

The High-voltage disconnecting switch intelligent components are key devices of intelligent primary equipment at substation,but they must face the complicated electromagnetic environment when they are embedded in primary equipment. This environment may lead to misoperation of disconnecting switch intelligent components.In order to improve antielectromagnetic interference capability of intelligent components,the paper proposes an improved hardware platform antielectromagnetic interference design conception.The electromagnetism environment located by intelligent components,sources of electromagnetic interference,mechanism of electromagnetic anti-jamming are analyzed in detail.Also the design compatibility of electromagnetic anti-jamming is studied,and the measures of electromagnetic anti-jamming should be taken in the hardware design of intelligent components system are summarized.Through the design of the hardware system for field test, the test result verifies the feasibility and effectiveness of electromagnetic anti-jamming strategy in the hardware system.

high-voltage disconnecting switch;intelligent components;ARM;electromagnetic compatibility;electromagnetic anti-jamming strategy

TN606

A

1674－6236（2015）07-0118-04

2014-08-05 稿件编号：201408018

西安工程大学研究生创新基金（chx2013035）

李少东(1988—)，男，陕西渭南人，硕士研究生。研究方向：机电控制技术。