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铁氧体元件在电磁兼容设计中的应用

2017-09-14 来源:微计算机信息 作者:曹粲 曹建 范竞敏 浏览次数:23
导读:摘要:智能化仪表在变电站强电磁干扰环境中实现可靠地工作是一个急待解决的问题,利用铁氧体元件独特的电磁特性来改善系统的电磁兼容性能是在这个方面的一个非常有效的措施之一,讨论了铁氧体器件在进行抗干扰设计方

摘要:智能化仪表在变电站强电磁干扰环境中实现可靠地工作是一个急待解决的问题,利用铁氧体元件独特的电磁特性来改善系统的电磁兼容性能是在这个方面的一个非常有效的措施之一,讨论了铁氧体器件在进行抗干扰设计方面的工作,在智能仪表中合理利用这种器件的可以有效的抑制雷击浪涌,瞬变脉冲,静电骚扰等电磁干扰因素,降低系统的EMI发射强度,提高总体的电磁兼容特性。 

关键词:铁氧体器件,电磁兼容,智能仪表

电磁兼容是指在有限的空间,时间和频谱范围内,各种电磁设备共存而不引起各电气设备性能的下降,其研究重点是电磁干扰和抗干扰的问题。电磁兼容性设计就是要通过各优化设计过程,使得电子设备或系统在现实的电磁环境电平下,不因电磁干扰而降低性能指标[1]。同时,它们本身产生的电磁辐射不大于检查的极限电平,不影响其它电子设备的正常运行,并达到设备与设备,系统与系统之间互不干扰,共同可靠地工作的目的。 

电磁兼容三要素为:干扰源,耦合通路和敏感体[2]。解决电磁兼容问题,必须在干扰源和传播途径上进行深入研究,以找到相应的解决办法。对于一般的电子设备而言,电磁兼容技术包括元器件的选择,选择一些抑制干扰的器件,在电源上采用滤波去耦,降低线路阻抗。另外常用的抗干扰措施有接地设计,复位设计屏蔽设计,PCB布线技术,数据检验与备份,输入输出量冗余设计等。本文讨论采用铁氧体磁性器件进行消除或减少电磁干扰的研究工作[3]。 

一 、电磁干扰的来源及其表现 

近年来,电力系统自动化水平不断提高,各种以微电子技术和计算机技术为基础的智能化测控仪表得到广泛的应用。电子元件的的工作电压降低,测量灵敏度越来越高,使得智能仪表对外界的干扰非常敏感。而变电站,电厂等场合的电磁环境异常复杂,在正常和异常的运行状态下都会产生各种电磁干扰。一次设备干扰甚至损坏二次设备并使其不能正常工作的问题日益突出。根据我们近年来在电力系统实施的高电压设备运行状态实时监测和故障诊断的项目的实践看,电站场合主要存在以下几个方面的电磁干扰[4]。

 ①雷击浪涌 

雷击是一种正负电荷复合的放电过程,是电子设备最常见的电磁干扰源,它具有电流上升快,放电时间短,能量大,产生瞬时高压的特点。常会对电子器件形成永久性失效,从而引起智能仪表的复位或死机。

 ②静电放电

静电放电主要是整体电荷的集中放电,放电过程是瞬间的。在一个纳秒时间内的一个电压脉冲,它的放电能量可能会产生一个GHz频率以下的电磁辐射,这种高频的电磁波会导致电路损坏,数据紊乱等。

③电力开关的切换或负荷瞬变

电力系统中的各种操作,如空载线路开合闸,负载突然甩掉,发电机加速,启动,线路重合闸,空载变压器合闸切换,线路相线接地,切空载线路时电弧自燃及电弧接地可以引起强的电磁干扰,特征如连续的放电或负荷瞬变,从而形成脉冲群。脉冲群常引起智能仪表复位或死机,引起存储器内的数据混乱。

④强的电磁场

电厂场合的高电压,大电流的存在使得在其周围有非常高的工频或高频电场和磁场。电磁场对智能仪表的影响主要表现在显示混乱,复位等。

由以上分析可知,电磁干扰对智能电子仪表的正常稳定运行影响很大,需要采用有效的抑制策略。应用铁氧体制成的元件,如磁环,磁珠等对电磁干扰中的浪涌、脉冲群的抑制就是有效的手段之一。

二、铁氧体磁性器件

铁氧体的分子结构为MO.Fe2 O3,其中M代表金属,常用的有锌,锰等。铁氧体制成的磁性元件是一种省耗元件,具有很高的电阻率和较高的磁导率。磁性元件一般做成中空型,导线穿过其中。当导线中的电流穿过铁氧体时,低频电流可以几乎无衰减地通过,但高频电流却会受到很大地损耗,转变成热量散发,所以铁氧体和穿过其中的导线成为低通滤波器。图1是一种锰锌铁氧体的等效电路和阻抗-频率曲线。 

图1 锰锌铁氧体等效电路及阻抗-频率曲线

三、铁氧体磁性器件对电磁干扰的的抑制效果分析研究

1.铁氧体磁环对强电磁环境条件下的干扰信号有很好的抑制作用。

在一种电力变电站高电压设备绝缘性能在线监测系统的研究中,监测用电流传感器直接挂接在高压设备的接地末屏线上,由于高电压设备电磁场环境复杂,现场断路器的开合,大容量设备的启停,雷电的产生,高频电流引起的地 电位升高,都会在传感器本体或者在信号的传输线上产生幅值较高的共模干扰信号。干扰信号不但影响监测的结果,有时甚至会损坏传感器损坏。对损坏的传感器路进行分析的结果显示,从信号端串扰的高电压脉冲将传感器中的芯片击穿。为了解决这种问题,应用锰锌铁氧体磁环后在电流传感器的传输线上绕制若干圈来进行处理后,类似情况得到了有效的解决。

图2应用EFT-2003电快速瞬变脉冲测试仪对传感器在信号端口安置铁氧体磁环后对电快速瞬变脉冲群的抑制效果图。图a为在信号端口没有加装磁环时的电快速瞬变脉冲图,出现很大的尖峰脉冲,而加装了磁环后,尖峰脉冲有很大程度的衰减(图2b)。 

图2 铁氧体磁环对信号线上的干扰信号的抑制作用

2.智能仪表的电路中,都带有微处理器。

目前微处理器的时钟频率越来越高,而时钟电路一端都会出现高次的奇次谐波,这种谐波的出现,使系统的EMI检测很难通过测试。在智能仪表的各个输入输出端口,串联一个铁氧体磁珠进行抑制发射。对改进后的变送器进行频谱分析,谐波的产生降低了许多,3次、5次、7次谐波的电场峰值分别降低了11.5dB、19.3dB和14.3dB,满足了EMI测试的要求。

3.电力设备在线监测的前端采集器与主控室内的主控机之间的通讯应用无线的方式来实现数据和命令的交流。

采用铁氧体材料为磁芯做成线圈耦合型RF天线,由于无线传输网络小型化的要求,线圈的匝数和面积都受到一定的限制,只有提高磁芯材料的磁导率来满足天线能量传输的要求,应用了一种掺铜的镍锌铁氧体进行线圈的设计。这种高磁导率的软磁铁氧体线圈保证了最好的磁耦合,其优点是是非常明显的:

(1)高电阻率, 该材料的电阻率较大,有得于绝缘,涡流损耗很小,在很大的频率范围内可忽略不计。

(2)相对磁导率高,高磁导率可使天线的匝数和面积减少,得到小的体积,小的分布电容,极大的改善了高频性能。    

(3)截止频率高,可以展宽频段。

4.继电器是一种广泛应用于各种电气电路中常见的器件,是智能仪表中经常用到的器件。

随着电子设备的小型化,数字化和微处理器的智能化,由继电器所引起的电磁兼容性引起的问题也日益受到重视。在作者所研究的在线监测系统中,应用小型继电器来作信号通道的切换和分时处理过程中的选通开关。在系统设计和调试的过程中,发现以下有由于继电器的动作而产生的电磁干扰的现象。 

a.继电器由触点和线圈组成,在触点的开合过程中,可能会产生频谱很宽的电弧噪声,这种干扰的外泄有可能对相邻的电子电路造成很大的干扰,严重时甚至引起系统失效。

b.由于继电器由控制器通过控制电路来对继电器进行控制,对控制电路来继电器的线圈是一种电感性负载,当流过电感的电流被突然切断时,会产生很高的瞬间电压,这个高电压可以造成控制的元器件损坏。

c.线圈通电时,线圈电感和它的寄生电容形成一个有阻尼的振荡,其电压波形为一个衰减的正弦波,振荡会通过连接导线形成传导干扰和辐射干扰,对系统的EMI特性测试造成影响。

由此可见,系统中的继电器已经成为一个重要的干扰源,因此必须采取对策,研究继电器产生干扰的机理及其对其它电子电路产生的影响,并从继电器本身入手解决电磁兼容性问题以及电子电路如何有效防止继电器干扰等问题,是非常有意义的。

应用两只锰锌铁氧体磁环,将它们套接在继电器负载两端,可以对继电器触点产生的瞬态干扰起到非常有效的抑制作用。图3是用高速采样电路对负载两端在套装铁氧体磁环前后的测量结果,增加磁环后,负载上的瞬时电压峰-峰值由100V下降到10V,瞬态骚扰得到显著地的滤除。 


      图3 继电器负载套装磁环前后的瞬时干扰电压波形

5. 铁氧体制作的磁珠元件可以应用在电路板的电源线入口处作为电源中的高频干扰的抑制器件。智能仪表中经常使用的开关电源最大缺点是容易产生噪声和干扰,其噪声的来源主要是因为开关功率管和开关整流二极管快速变化的高压切换和脉冲短路电流所引起。当在电源插座入口上串接磁珠后,可以有效的滤除开关电源通过电源线传导过来的高峰脉冲和尖峰脉冲,而且入口处的磁珠还具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。磁珠串入电源回路后,在电流升高瞬间,显示出高阻抗,这时相当于一个瞬间阻抗元件使用。瞬间出现的高阻抗防止了电路中集成电路等电路元件受到瞬间电流的冲击,避免电路元件的损坏和出现的干扰噪声。

6.在智能仪表的供电电源的进线使用磁环可以较好地抑制脉冲群干扰。

作者在研究一种变压器油色谱在线监测的工作中,其中的色谱数据工作站需要使用线性电源,自制的线性电源中的线性变压器开始没有做任何处理,在进行EMC测试时,快速瞬变脉冲群抗扰度试验只能通过第一级,±500V/2.5KHz的扰度试验,高于±500V/2.5KHz的扰度,工作站就会出现复位,继电器误动,抗脉冲群干扰能力达不到要求。

为了使数据工作站能够通过脉冲群抗扰度试验,对线性电源进行了一个小的改动,在线性变压器线圈的初级串接一个双绕铁氧体磁环。图4 (a)是双绕磁环的绕制示意图, (b)是电原理图,经过这样的改造后,数据工作站能够通过第四级,±4000V/2500Hz的脉冲群抗扰度试验,抵抗瞬态电磁干扰的能力有了非常大的提高。

图4 电源端口的磁环布置图 

7.静电对电子电路引起的干扰以及它对元器件,特别是对CMOS电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。为了防止静电的危害,必须对电路单元采取有效的措施来加以保护,这方面的方案主要有三种:屏蔽,合理的接地方式和滤波。在许多情况下,应用一个铁氧体磁环在电路的互连线上进行了滤波,就会起到良好的效果。 

大量的静电放电辐射能量通过连接线耦合到电路系统中,其中以扁平状的排线量为敏

感,因为它可以成为一个有效的干扰接收天线,接收到由静电放电产生的电磁干扰。在连接线上套装铁氧体磁环可以对这种电磁干扰进行滤波处理,从而切断电磁干扰的途径。 

四、结论 

(1)电力系统环境中使用的智能仪表受到非常强的电磁干扰,干扰来源多样,情况复杂,需要采用多种措施来排除或尽可能的减少电磁干扰。 

(2)铁氧体磁性元件在提升智能仪表的电磁兼容性方面有很好的效果。 

(3)在智能仪表的电源进线串接铁氧体磁环,可有效滤除共模,差模干扰。 本文作者创新点: 智能化仪表在变电站强电磁干扰环境中实现可靠地工作是一个急待解决的问题. 本文作者讨论了铁氧体器件在进行抗干扰设计方面的工作,在提升智能仪表的电磁兼容性方面有很好的效果。 

参考文献

[1]黄海,张辉. 变电站内的电磁干扰及电磁兼容问题(J). 电力建设,2002 23(2):32~33。 

[2]王景利. 用铁氧体模型进行抑制电磁干扰的分析(J),辽宁工学院学报,2002  22(1):22~24 

[3]赵宁,唐云峰. 智能电子产品电磁兼容解决方案(J),安全与电磁兼容,2004(6):22~23 

[4]王彦伶. 铁氧体及感性元件在抑制电磁干扰中的应用(J),电子元器件的应用,2005(7): 

[5]朱顺华,王成春,邹逢兴.单片机控制系统的硬件抗干扰设计(J),微计算机信息,2007,8-2:86-88 

作者简介:曹粲 中南大学硕士,研究方向:电站环境监测及电磁兼容性研究。 曹建 中南大学教授 硕士生导师,研究领域为电力系统及电磁兼容。范竞敏

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