塑壳式电子断路器传导特性的分析与研究

谢迪，杜桐

(中认(沈阳)北方实验室有限公司，辽宁 沈阳 110141)

塑壳式电子断路器传导特性的分析与研究

谢迪，杜桐

(中认(沈阳)北方实验室有限公司，辽宁 沈阳 110141)

采用传输线矩阵的方法(TLM)对塑壳式电子断路器进行建模和研究，并对骚扰源集总的骚扰特性进行了仿真，通过与实测的数据的比对，全面了解和掌握该产品的传导特性，为企业设计和制造低压电器产品的提供了相应的理论基础和实践数据。

TLM；低压电器；传导骚扰

1 引言

280 随着电子技术的发展以及电子化、数字化和智能化的电工、电子产品的广泛应用，电磁干扰的水平在逐年递增。其中，由低压电器产生的传导骚扰成为了电磁兼容比较重要的问题[1]。

为此低压电器GB14048系列标准中，对不同适用环境的低压电器的电磁发射水平进行了严格的规定与限制。本文采用传输线矩阵法(TLM)对典型的低压电器产品-塑壳式电子断路器的传导特性进行解析和研究，为企业提高低压电器设计水平提供理论依据和参考。

2 TLM分析方法介绍

FLO/EMC是专业针对系统级电磁兼容性分析的仿真软件，FLO/EMC采用先进的时域传输线矩阵法(TLM)，软件首先用冲击脉冲作为激励源，冲击脉冲在时域的宽度趋于无限窄，从频域来说，它能覆盖无限宽的频率范围；当以这个冲击脉冲来激励整个系统时，在时域得到的将是此脉冲与系统函数即h(t)的卷积，对应于频域，结果将是系统函数H(s)与冲击脉冲的频域响应的乘积，由此我们得到H(s)，即整个系统的频域响应。由于以上的求解原理，只需要一次求解就可以得到系统在整个频域的响应[3]。

3 传导耦合分类及介绍

传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。按其耦合方式可分为电路性耦合、电容性耦合和电感性耦合。在开关电源中，这3种耦合方式同时存在，互相联系。

3.1 电路性耦合

电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。其又有以下几种：

(1)直接传导耦合导线经过存在骚扰的环境时，即拾取骚扰能量并沿导线传导至电路而造成对电路的干扰。

(2)形成共阻抗耦合骚扰的有电源输出阻抗、接地线的公共阻抗等。

3.2 电容性耦合

电容性耦合也称为电耦合，由于两个电路之生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频间存在寄生电容，使一个电路的电荷通过寄生电容影响到另一条支路。

3.3 电感性耦合

电感性耦合也称为磁耦合，两个电路之间存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。

图1这种方法是把外部连接端口的干扰源表示成无源阻抗元件和有效电压或电流源的简单组合，用这种方式表示的干扰源，隐去了干扰源内部的所有响应而只保持了干扰源的外部响应，但只要内部电磁干扰源电路是线性的，就完全可以忽略内部源电路的复杂性。

4 理论计算

干扰线由一端所加的电源激励，线上流过电流为，接收端遭受磁通耦合。电压源VS,在激励线I1上也会产生一个电荷密度，导致两个线路的电容耦合。I1产生电影响，VS产生磁影响，这两种耦合机制都要考虑,M为介质互感，C0为介质耦合电容。

当阻抗和源内阻都已知后，可首先求出干扰线上的电流I1和电压V1：

(1)

(2)

为了得到被干扰电路中的负载元件上的电压或电流响应，要使用图2中的电路模型：

在这种情况下，需要描述电磁场耦合的电压源和电流源，根据对等效电路的简单分析，可以得到负载电压Va和Vb：

(3)

(4)

用源VS把上式中的I1和V1替掉，变为：

(5)

(6)

由于电路的复杂和不规则形状以及周围环境中的磁性物质对电感数值的影响，很难获得实际电路的互感和自感的精确值。但是，通过一些简化的假设还是可以做出大致的估计，假定回路电流处在自由的空间中，则它们之间的互感为:

(7)

其中，I1为流进驱动电路(回路1)中的电流，B1是由电流产生的磁通量，这个磁通量在回路表面S2上积分。

5 模型建立

现构建一个电流互感器监控并感应供电的塑壳式电子断路器，应用上述TLM原理及公式的电磁发射模型来验证。

图3为开断电流100A,短路电流4300A的断路器,属于GB14048.2标准中的产品，电磁发射源为其PCB板上的控制芯片[4]。

图3 断路器内部结构

图4为TLM解析后的模型网格图，电流互感器铁心材料为铁，互感器一次和二次侧绕组材料为细铁丝，断路器端子材料为铜，PCB材料赋值FR4。电流互感器驱动下的塑壳式电子断路器耦合到主回路的电磁干扰如图5所示。

图4 TLM解析后的模型网格图

图5 耦合到主回路的电磁干扰模拟

6 实测数据解析

根据GB14048.2的规定，传导骚扰测试在屏蔽室内进行，人工电源网络实现传导骚扰信号的拾取与阻抗匹配，再将信号传送至接收机。

实测采用峰值检波器，准峰值检波器和平均值检波器，设置如下：

表1

图6 实测布置示意图和实测照片

图7 骚扰电压测试准峰值/平均值曲线示意图

频率(MHz)实测值(dBuV)理论值(dBuV)0.24450028.829.80.29850028.028.30.35700027.327.30.44250026.726.50.55950025.925.724.06300037.737.4

表2 电源端子骚扰电压测试平均值

由表1和表2可以看出，理论值普遍高于实测值，主要原因有两点：一是理论分析的骚扰源与实测的骚扰源一致，但设定的干扰强度为理想状态，线性度较高，而实际情况中任何骚扰源的发射能量为时变的；二是实际测试通过电源线有衰减存在。也就是说这种理论分析所得到的结果较实测结果苛刻，故通过TLM方法进行的解析可以有效、定性分析产品的电磁发射水平、发射方向以及耦合路径。

7 结束语

通过对塑壳式电子断路器的建模与分析，直观的对低压电器类产品电磁传导骚扰特性进行理论分析，通过与实际数据的比对验证了这种定性解析方法的有效性。为企业设计和制造低压电器产品的提供了相应的参考依据，为日后对该类产品在电磁兼容领域的全方面研究奠定了理论基础。

[1] 吴蔚.低压电器产品电磁兼容标准及其检测[J].低压电器,2004,9.[2] 吴贤,杜平安,聂宝林,等.带缝隙腔体电磁屏蔽特性的数值模拟研究[J].工程设计学报,2011.6.[3] GB 14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器[S].

Analysis and Research on Disturbance Voltage Characteristic of Molded Case Circuit Breakers

XIEDi,DUTong

(CQC(ShenYang) North Laboratory，Shenyang,110141，China)

Using Transmission Line Matrix Method (TLM) to model and research molded case circuit breakers.The simulation for the characteristics of the disturbance characteristics are conducted.By comparison with the experimental data,fully understand and master conduction characteristics of the product.A theoretical basis and practical guideline for the design and manufacturing of low-voltage electrical apparatus are provided.

transmission line matrix (TLM);low voltage apparatus;disturbance voltage

1004-289X(2016)03-0027-04

TM56

B

2016-03-11

谢迪(1981-),女,研究生学历,硕士学位，工程师,主要从事机电产品的安全与电磁兼容检测研究。