論文調(diào)頻電源諧振裝置抗干擾探討

1、調(diào)頻電源諧振裝置抗干擾探討湖南省超高壓管理局電網(wǎng)建設(shè)一分公司 李鑫 羅杰1 引言可輸出高電壓、帶負(fù)載能力強(qiáng)、適合電力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的，多用于耐壓及局放試驗(yàn)的大型調(diào)頻電源諧振裝置由于本身工作原理及工作環(huán)境，在工作過(guò)程中，常常因?yàn)殡姶鸥蓴_、高頻干擾等等干擾現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)失真，甚至引起設(shè)備損壞，應(yīng)引起我們的重視。為此，如何使調(diào)頻電源諧振裝置在其所處的工作環(huán)境中，能夠正常的工作，且對(duì)該環(huán)境中工作的其它設(shè)備或系統(tǒng)不造成不可承受的干擾，是在研發(fā)、改進(jìn)及使用過(guò)程中一項(xiàng)及其重要的研究課題。2 主要干擾源及耦合方式21 主要干擾源調(diào)頻電源諧振裝置由于工作原理本身就是一個(gè)電磁干擾源，在正常和故障情況下都易產(chǎn)生各種電磁干

2、擾、高頻干擾。而且調(diào)頻電源諧振裝置的工作環(huán)境基本以變電站、高壓實(shí)驗(yàn)室為主，這些環(huán)境本身也是個(gè)大磁場(chǎng)，干擾源也很多。22 干擾傳播途徑1、電磁干擾電磁干擾途徑可分為電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合和電磁場(chǎng)輻射。電磁干擾總是以電磁場(chǎng)的形式存在的?，F(xiàn)場(chǎng)不可能存在完全的電場(chǎng)或完全的磁場(chǎng)。不過(guò)在近場(chǎng)范圍內(nèi)(離干擾源的距離小于最高干擾頻率的波長(zhǎng)的0167倍)，可以認(rèn)為高電壓的作用產(chǎn)生電場(chǎng)，大電流的作用產(chǎn)生磁場(chǎng)。這樣的簡(jiǎn)化已足夠精確。在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)，干擾源的發(fā)射應(yīng)看成是電磁波傳播。調(diào)頻電源諧振裝置因?yàn)楣ぷ髟砗凸ぷ鳝h(huán)境，電磁干擾的原因有很多，在下文簡(jiǎn)略闡述。干擾波形如圖1、圖2。 圖1 圖2(1)電場(chǎng)耦合(電容耦合)任何電

3、氣設(shè)備之間都存在分布電容。在變電站中還有補(bǔ)償電容、耦合電容、電容式電壓互感器等電容性元件。某一導(dǎo)體上的電壓通過(guò)這些電容影響其它導(dǎo)體上的電位。這就是所謂的傳導(dǎo)型干擾。 (2)磁場(chǎng)耦合(電感耦合)載流導(dǎo)體產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在其周圍閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。(3)電磁輻射干擾輻射干擾是指強(qiáng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻電磁干擾的輻射能量通過(guò)空間電磁波的形式傳播到弱電系統(tǒng)中并產(chǎn)生干擾，隨弱電系統(tǒng)電纜接地方式的不同而形成共模干擾或差模干擾。這是調(diào)頻電源諧振裝置的主要干擾途徑之一。(4)公共阻抗耦合這是指因公共地線上流過(guò)電流產(chǎn)生的電位差對(duì)信號(hào)造成的干擾。當(dāng)雷擊電流或短路電流流入地網(wǎng)時(shí)，盡管地網(wǎng)電阻很小，但畢竟不為零， 因而

4、將使地電位升高，且接地網(wǎng)上不同點(diǎn)的電位也不同，這將使接在地網(wǎng)不同點(diǎn)設(shè)備的地電壓也不同。這也是調(diào)頻電源諧振裝置的主要干擾途徑之一。2、自激振蕩圖3由于功率放大電路多為多級(jí)功放電路，級(jí)間存在著許多干擾，若未采取屏蔽措施，這些干擾將通過(guò)電源內(nèi)阻和接地線內(nèi)阻產(chǎn)生自激振蕩，出現(xiàn)了圖3中的干擾信號(hào)。 3 屏蔽及電子屏蔽原理3.1 屏蔽定義屏蔽就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。

5、因?yàn)槠帘误w對(duì)來(lái)自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。3.2 電磁屏蔽原理電磁屏蔽是用屏蔽導(dǎo)體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播的一種措施。它采用低電阻的導(dǎo)體材料，并利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面產(chǎn)生反射以及在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生吸收和多次反射而起到屏蔽作用的，其目的是為了有效地阻止電磁波從一側(cè)空間向另一側(cè)空間傳播。用于電磁屏蔽的屏蔽效能由下式表示：SE(總屏蔽效能，dB)=R+A+B式中，R (反射損耗)的取值如下：平面波： 磁

6、場(chǎng)波： 電場(chǎng)波：A(吸收損耗)=1.314B（反射損耗）=式中，為相對(duì)磁導(dǎo)率；為相對(duì)電導(dǎo)率；為頻率(Hz)； 為屏蔽材料厚度(cm)；為干擾源到屏蔽體的距離(cm)。由上述公式可以看出，材料的相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)提高電磁屏蔽效能有直接的影響。公式是把屏蔽體看成是一個(gè)結(jié)構(gòu)上完全密閉的金屬殼體，電器上連續(xù)均勻無(wú)孔隙，是一理想的完整屏蔽體，很容易取得lOOdB以上的屏蔽效能。但在實(shí)際的電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中這種理想的完整屏蔽體是不存在的，常常達(dá)不到這種衰減，任何實(shí)際應(yīng)用的屏蔽體都有各種必要的孔和縫的泄漏，由此屏蔽效能的表達(dá)式變?yōu)椋篠E (總的屏蔽效能，dB)=R+A+B-泄漏效應(yīng)此公式可以看出，總

7、屏蔽效能還取決于電磁波的泄漏。通過(guò)一種或多種的泄漏，損害了屏蔽材料的完整性，大大降低了屏蔽效能。4 電磁屏蔽的具體措施上文提到了理想屏蔽體的概念，但是由于實(shí)際的調(diào)頻電源諧振裝置，均有接縫及孔隙等電器不連續(xù)因素，而屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何抑制電磁能量從縫隙、通風(fēng)孔、表頭、開關(guān)、指示燈、輸入輸出連接器等因素中的泄漏，使屏蔽效能盡量得以恢復(fù)到接近理論計(jì)算值。為了抑制以上諸因素引起的干擾，一般采取如下相應(yīng)的措施。41縫隙的屏蔽縫隙是最常見的泄漏途徑，由于屏蔽體連接處接合表面不平，都會(huì)在接合處留下一些細(xì)長(zhǎng)的縫隙。調(diào)頻電源諧振裝置的屏蔽體機(jī)柜與機(jī)柜的側(cè)板和面板、柜體與柜體的蓋板等，當(dāng)這些縫隙長(zhǎng)度達(dá)001或更長(zhǎng)

8、時(shí)，就會(huì)引起電磁能量的大量泄漏，在縫隙尺寸不變的情況下，隨著頻率的提高，縫隙泄漏的影響就越大。因此被屏蔽的場(chǎng)頻越高，就越要盡可能減小屏蔽體的縫隙。42通風(fēng)孔的屏蔽為了滿足被屏蔽對(duì)象（調(diào)頻電源裝置）的通風(fēng)散熱要求，必須在屏蔽體上開通風(fēng)孔?？椎男孤┡c多種因素有關(guān)，如離開場(chǎng)源的距離、電磁場(chǎng)的頻率、開孔的面積和開孔的形狀等。對(duì)于某一具體場(chǎng)源而言，泄漏將隨著孔的面積增加而增加，在開孔面積相同的情況下，長(zhǎng)方形的孔比正方形的泄漏大正方形的孔比圓孔泄漏大。一般在不同的頻率要求下屏蔽效能的高低，采用的結(jié)構(gòu)形式不同。(1)通風(fēng)孔覆蓋金屬絲網(wǎng)采用環(huán)形壓圈通過(guò)緊固螺釘把金屬絲網(wǎng)安裝在屏蔽體的通風(fēng)孔上。如果網(wǎng)孔密、網(wǎng)絲

9、粗及網(wǎng)絲的導(dǎo)電性能好，則網(wǎng)的屏蔽效能就高。一般在100kHz到100MHz的頻段內(nèi)，銅網(wǎng)有較高的屏蔽效能，如果采用雙層銅網(wǎng)，中間處加防塵材料進(jìn)行濾塵，則屏蔽效能可更高。 (2)穿孔金屬板作通風(fēng)孔當(dāng)工作頻率比較低，對(duì)屏蔽效能要求不甚高時(shí)，用許多小孔代替大口徑的通風(fēng)孔是提高屏蔽體屏蔽效能的有效方法，它可以直接在屏蔽體上開許多小孔進(jìn)行通風(fēng)散熱。與金屬絲網(wǎng)相比，其特點(diǎn)是屏蔽性能穩(wěn)定，因?yàn)樗淮嬖诮饘俳z網(wǎng)固有的網(wǎng)絲交叉點(diǎn)接觸電阻不穩(wěn)定的問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)與工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。4.3 電纜連接器的屏蔽連接器也是引進(jìn)干擾的一條途徑，它們的屏蔽效能往往是影響電子設(shè)備整體電磁密封性能的重要因素之一。從屏蔽效能看

10、，螺紋式的連接器高于卡口。1GHz可達(dá)70dB。后者小于30dB。4.4 內(nèi)部連接電纜采用金屬網(wǎng)雙層屏蔽線通常，電線電纜單層銅絲編織密度為80%-90%（相當(dāng)于網(wǎng)眼很小的編織網(wǎng)）。根據(jù)相關(guān)資料，其單層鋼絲編織屏蔽效能可達(dá)50-60dB，而雙層銅絲編織可達(dá)80-90dB。資料表明，在最主要的電磁干擾頻率（1-100MHz）下，雙層金屬網(wǎng)的屏蔽效能可達(dá)50-100dB。且單位長(zhǎng)度的銅絲網(wǎng)眼越密（或目數(shù)越大），其屏蔽效能越好。因此，只要恰當(dāng)選擇網(wǎng)眼尺寸的大小，就能得到滿意的屏蔽效能。 表1 雙層銅網(wǎng)的屏蔽性能 （dB）銅網(wǎng)規(guī)格磁場(chǎng)電場(chǎng)60Hz15kHz15kHz1GHz10GHz9目/cm紫銅0.3

11、8mm2368120120777目/cm黃銅0.28mm04012011057指每厘米有9個(gè)網(wǎng)眼，紫銅絲的直徑為0.38mm，其他類同。4.5 接地處理 正確的接地是提高整個(gè)裝置靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段，接地端子PE的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線截面積應(yīng)2平方毫米。4.6 安裝濾波和隔離變?yōu)V波是壓縮干擾頻譜的一種有效方法，當(dāng)干擾頻譜不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，可以用濾波裝置將干擾濾除，恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾十分重要。在調(diào)頻電源諧振裝置的交流輸入側(cè)安裝隔離變壓器，也可以提高輸入電源質(zhì)量，有效地抑制電源干擾。 4.7 軟件抗干擾設(shè)計(jì) 在調(diào)頻電源諧振裝置的控制箱的單片機(jī)軟件控制部分，也采取必要的抗干擾設(shè)計(jì)，如：（1）多用查詢代替中斷，把中斷減到最少，以避免誤觸發(fā)和感應(yīng)觸發(fā)。 （2）A/D轉(zhuǎn)換采用數(shù)字濾波，以防止突發(fā)性干擾。如采用平均法、比較平均法等。(3）在軟件中的關(guān)鍵地方設(shè)置看門狗和軟件陷阱,即使軟件跑飛也能使系統(tǒng)處于受控狀態(tài)。 (4）對(duì)于輸入的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)去抖動(dòng)。 (5）I/O口正確操作，檢查I/O口執(zhí)行命令情況，防止外部故障不執(zhí)行控制命令。 5 總結(jié)本文著重剖析了用于電力系統(tǒng)耐壓、局放試驗(yàn)的調(diào)頻電源諧振裝置中干擾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、現(xiàn)象，著重闡述了屏蔽、電子屏蔽理論及電磁干擾