电能表电磁兼容设计

王洪冬 / 江苏省计量科学研究院

电能表电磁兼容设计

王洪冬 / 江苏省计量科学研究院

简要介绍电能表电磁干扰。为减少静电放电对电能表的危害，提出电能表防静电措施，对某型号的电能表进行电磁干扰测试，并阐述电能表电磁兼容设计，提高电能表的电磁兼容性。

电磁干扰；电能表；静电放电；措施；电磁兼容

0 引言

电磁兼容技术是以解决实践中的电磁干扰而出现并发展起来的一门新兴学科。根据国际电工技术委员会（IEC）的定义：电磁兼容性（简称EMC）是设备的一种能力，它在电磁环境中能完成它的性能，而不至于在其环境中产生不允许的干扰。该定义概括为三个方面：首先，干扰的可限制性。干扰是普遍存在的，但可以限制其危害性，应规定产品产生的干扰电平不超过限定范围；其次，干扰的豁免性。无线电设备及高频设备的广泛应用，导致电磁干扰发射源越来越多，由此要求产品在规定的电磁干扰强度环境中应能正常工作；第三，干扰的共有性。即对干扰采取任何措施都不能使与其相关的产品或系统性能下降，只能共处。

1 电能表电磁干扰源

电能表的电磁干扰源主要有：（1）闪电雷击，闪电引起的冲击电流可高达100 kA，产生辐射波频率范围广，无规律，其频率从几千赫到几百兆赫或更高频域；（2）高压电力设备的干扰，高压输电线路及变压器的磁泄漏都是很强的干扰源，其频谱主要分布在30 MHz以下的中、短波频段；（3）电力开关操作，开关过程中引起强烈的电流脉冲及短时的电压跌落；（4）变频器、调光开关等节能器件（以晶闸管或类似电子器件为核心的设备）工作时在电网上产生高次谐波干扰；（5）电网电压波动、大容量负荷的起、停引起电网电压的瞬时起落；（6）数字电路装置；（7）高频振荡电路，发射机、接收机及时钟本振等振荡电路的基频及其谐波；（8）气体放电灯、荧光灯的整流器、启动器等对电网及周围空间产生电磁骚扰；（9）家用电器、办公用电器中串激电机的换向器、电子控制器、定时器等均会对电网及周围空间产生电磁干扰，干扰频谱从几十千赫到几百兆赫。

2 电能表试验等级

一般电磁环境条件可分为5级：第1级：具有良好保护的环境；第2级：受保护的环境；第3级：典型的工业环境；第4级：严酷的工业环境；第5级：需要加以分析的特殊环境试验。

电能表的抗扰度是在有电磁干扰的情况下，器件、设备或系统运行功能不能劣化的能力。不被劣化的含义是保持或具有功能，所以有4级抗扰度评估：A级是在出现干扰时，性能正常；B级是功能或性能暂时降低或丧失，但能够自行恢复；C级是功能或性能暂时降低或丧失，但需要操作者干预或系统复位；D级是因设备（元件）或软件损坏，或数据丢失而造成的不能自行恢复至正常状态的功能降低或丧失。A、B和C级都在不同程度上保持或具有功能，D级则已无抗扰性。不同的计量装置或执行的功能重要性不同，可以按不同级别评估。

3 电能表的电磁兼容设计

3.1 设计原则

电能表的电磁兼容性设计主要考虑两方面的内容：一是在规定干扰强度的电磁环境下能正常工作；二是向外界发送的电磁干扰强度在规定的范围内。由于智能电能表复杂的工作环境，抗电磁干扰环境设计是两者中的重点。

根据电磁干扰的三要素，在产品设计阶段主要遵循以下三个原则：一是尽可能抑制干扰源，直接将干扰源隔离在智能电能表的工作之外；二是消除干扰源与智能电能表之间的干扰耦合和辐射，切断电磁干扰的传递途径；三是隔离敏感部件，加强智能电能表的抵抗电磁干扰的能力（如图1所示）。

图1 产品设计原则框图

3.2 电磁兼容设计

通常EMC设计成本只占总开发成本的5%左右，如在产品设计初期就进行EMC设计，只要适当选择元器件和材料，每台设备上附加的成本通常很低。所以，在电能表设计初期，首先进行EMC设计是十分必要的（如图2所示）。

图2 电磁兼容设计初期框图

1)外壳接地中外壳实际上为一屏蔽体。当电能表工作时，由于电路通过了不规则、不连续的信号会在外壳上产生电荷，如果不接地或接地不佳，电荷的泻放回路不通畅，会在外壳上形成电荷累积效应，产生电磁场对内部电路造成干扰。因此，接地是电子式电能表的电磁兼容设计工作所必须的技术措施。

2)滤波器对于有用信号频率不同的干扰信号有很强的抑制作用，采用滤波器有助于减少传导性干扰的电平。在电源输入端接滤波器，可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害；也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。因此，电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，在电能表的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。

3)屏蔽是通过各种屏蔽材料吸收及反射外来电磁能量，防止外来干扰的入侵或将设备辐射的能量限制在一定的区域内，以防干扰其他设备。屏蔽主要是切断电磁波传播途径为目的。许多电磁兼容问题都通过电磁屏蔽的方法来解决且不影响电路的正常工作。因此，屏蔽成为提高电能表电磁兼容问题的重要及有效的手段。

4)电能表检验装置与干扰信号发生装置及被测设备（EUT）之间插入去耦网络。去耦网络的用途在于将干扰信号发生装置和被测设备产生的干扰信号与电能表检验装置隔离，使其不影响电能表检验装置的工作。

4 电能表的静电放电

静电放电的方法有：（1）直接放电，指直接对受试设备实施放电；（2）接触放电，指试验发生器的电极保持与受试设备接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法；（3）空气放电，指将试验发生器的充电电极靠近设备并由火花对受试设备激励放电的一种试验方法；（4）间接放电，指对受试设备附近的耦合板实施放电，以模拟人员对受试设备附近的物体的放电。

静电放电方式分为接触放电和空气放电，标准给出的试验严酷度等级见表1。

表1 接触放电和空气放电的试验严酷度等级

静电放电对电能表的影响包括：1）放点前的静电场对电能表的影响；2）放电时的直接电荷注入对电能表的影响；3）静电放电电流激发的电磁场对电能表的影响。其中，放电之前的静电场和放电电流激发的电磁场使电能表产生辐射噪声，直接电流注入和电磁场产生的感应电流使电能表产生传导噪声。

若电能表不进行防静电设计，静电干扰产生的辐射噪声和传导噪声将同时存在，严重影响电能表的可靠性。试验发现，空气放电可直接从电能表按键的缝隙进入PCB板的按键走线，影响电能表的正常工作。因此采取相关防静电措施：1）优化结构设计，减少缝隙和固定开孔远离敏感电路；2）在电能表按键、上下机壳接合处加入塑料垫，加长静电干扰路径，消减静电对电能表电路的影响；3）在键盘电路上加抑制电容或TVS进行防护处理。

5 电能表辐射噪声试验

某三相四线多功能电能表测辐射噪声如图3所示，在67.8 MHz处辐射噪声超标。

测试环境见表2，标记点数据见表3。

由图3可知，某电能表在67.8 MHz处出现了辐射噪声超标，经过检查发现该电能表未完全按照原方案中的元器件生产。在晶振、电源处并联电容、在电源部件二极管一端串磁珠后，由图4可知，该电能表辐射噪声达标问题已解决。

表2 测试环境

表3 标记点数据

图3 某电能表辐射噪声测试曲线

图4 整改后测试曲线

6 结语

电磁兼容设计是电能表成功的技术关键，本文分析电能表的电磁干扰因素、电能表试验等级。简述电能表电磁兼容设计原则，通过试验论证元器件的选择在电能表电磁兼容设计中的重要作用。并进一步阐述了静电放电对电能表的危害以及采取的相应防护措施，提高电能表的寿命和电磁兼容性。

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The electric energy meter electromagnetic compatibility design

Wang Hongdong
（Jiangsu Institute Of Metrology）

This paper focuses on the electric energy meter electromagnetic interference are briefly introduced, in order to reduce the electrostatic discharge damage to electric energy meter, and puts forward some electric energy meter anti-static measures. And on a certain model of electric energy meter conducted electromagnetic interference test, and the electric energy meter, electromagnetic compatibility design are illustrated, so as to improve the electromagnetic compatibility of electric energy meter.

electromagnetic interference; electric energy meter; electrostatic discharge; measures; electromagnetic compatibility