7在线监测系统中智能终端的抗瞬时电磁干扰的设计与实践详解.doc

在线监测系统中智能终端的抗瞬时电磁干扰的设计与实践 曹建 龙俊 (北京华电云通电力技术有限公司) 摘要：高压电力设备状态维修策略中的重要环节是通过在线监测获得准确的电力设备的状态信息，提高在线监测中负责前端信息采集的智能终端的电磁兼容性能是非常关键的。本文介绍了一种在线监测智能终端设备的电磁兼容性设计方法。根据电站恶劣电磁环境特殊情况，分析了电磁干扰的来源，种类，耦合的方式和特点，提出切断或减少干扰源的耦合途径和增强智能终端本身的抗干扰能力的方法，就智能终端的机箱腔体设计，传输电缆的电磁屏蔽和通过损耗元件对电磁波的衰减，智能终端的各种输入输出端口的抗干扰设计方法进行了讨论。通过试验证明，经过设计优化后，智能终端的抵抗各种电磁干扰的能力得到了有效的提高。 关键词：电磁兼容性，智能终端，在线监测，高电压设备 1 引言 变电站和电厂电磁环境十分复杂，存在着各种各样的干扰源，主要包括工频电磁场和谐波的干扰。目前在线监测系统中一般都是由传感器，智能终端和工控计算机组成的一个多层次网络，这些系统模块处在复杂的电磁环境中，要使它们能长时间的可靠运行，能够抵抗各种干扰源的冲击是系统能有效运行的起码条件。智能终端处在变电站现场，其中又带有精度很高的预处理电路和微电脑芯片，成为复杂电磁环境中非常脆弱的一个环节。智能终端在受到瞬时的干扰脉冲冲击下，有可能发生电路故障，程序跑飞，采集或输出的数据错误，通讯连接出现乱码等。 目前，对电磁干扰源的量化分析和电磁干扰耦合途径建模分析的研究还不成熟，要定量的预测与分析电站环境中的电磁冲击参数存在较大的难度。对电磁干扰源的定位和定量检测目前都还处于初期的研究阶段，很大程度上依赖于工程实践中对具体环境的经验分析。分析要优先解决两个问题：干扰的来源种类以及干扰的传播途径。 2 电磁干扰源和传播途径的分析 电力系统的电磁干扰源按照频谱范围可分为窄带干扰源和宽带干扰源。瞬时干扰是典型的宽带干扰源，其来源有多种： （1）断路器、隔离开关和继电器的动作； （2）大容量设备的启停； （3）雷电； （4）短路； （5）点火设备的启运； （6）高频电流引起的地电位升高； （7）偶然产生的二次设备间相互干扰。 从干扰源到智能终端有一定的空间距离，电磁干扰传递的方式有传导和辐射，而传导的方式又可以按照它的耦合特性分为电导性耦合、电容性耦合、和电感性耦合。电导性耦合来源于智能终端电路与干扰源的电流流过公共阻抗时会出现的阻抗耦合，干扰源的瞬时电流在智能终端上产生干扰电压，干扰电压与干扰信号的频率无关。电容性耦合来源于电路都存在分布电容，干扰源在电路上由于分布电容的作用感生出干扰电压。这种耦合的特点是：干扰源频率越高，干扰电压越高；干扰源与智能终端靠得越近，干扰电压越高；平行线段越长，干扰强度越大。电感耦合是因为电路中存在磁性元件，当干扰源的电流产生突变是，引起通过智能终端的礠通发生改变，进而感应出干扰电压，特点是：干扰频率越高，干扰强度越大；回路间的互感越大，干扰强度越大。辐射耦合是干扰源的能量以电磁波的形式传播，通过智能终端的电路或它的连接电缆，在电路中产生共模或差模干扰。电磁波在近场可分为电场波和磁场波，电场波是干扰源中的高电压，小电流产生的。而磁场波是由干扰中的低电压，大电流产生的。辐射耦合一般可用屏蔽的方法来消除。 为了使在线监测设备智能终端能够在强电磁干扰环境下长期可靠稳定运行，必须提高其抵抗电磁干扰的能力，也就是说要提高它的电磁兼容性能。根据以上分析，提高电磁兼容性能应从三个方面入手： （1）抑制干扰源的发射强度； （2）切断电磁干扰的耦合途径； （3）提高智能终端的抗干扰能力。 从工程实践上看，第一点很难做到。因为上述的干扰源在电站环境中是客观存在的，难以消除和降低强度。而且随着电力系统的电压等级的升高，某些发射强度还会越来越大。所以提高电磁兼容性能只能从后两个方面入手。 3 切断电磁干扰耦合的途径分析 进行电磁屏蔽是一项非常有效的切断电磁干扰耦合途径的措施。同时，电磁屏蔽也是唯一不影响电路正常工作的抑制电磁干扰的方法。 电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种方法，屏蔽体要既能防止电子设备产生的电磁波辐射出去，又要能防止外来干扰电磁波对电子设备产生不良影响。 对于智能终端本体可用一层或多层金属外壳对电磁波的辐射耦合进行屏蔽，但智能终端由于要通讯和连接前端传感器，所以还要有外接电缆，通过电缆的干扰信号也会以不同的耦合方式影响到智能终端电路。对于连接电缆可采用单层或多层屏蔽线的方式以及在电缆的输入输出口串入有频率选择性的损耗器件的方式切断电磁波的耦合。 3.1 金属机箱的电磁屏蔽效能 根据电磁屏蔽的schelkunoff理论，对金属板屏蔽效果采取三种损失合成处理方式，当电磁波入射时，它的屏蔽效果总和S