塑壳断路器智能测试系统的电磁兼容性研究

廖志闯 程武山 张鹏举

(1.上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620；2.美钻能源科技(上海)有限公司,上海 201900)

我国电力行业对低压电器的需求量与日俱增，对其质量的要求也正逐步提高。目前，低压断路器测试系统正朝着自动化、智能化、节能化蓬勃发展[1]。在设计开发的塑壳断路器智能测试系统中，有各类传感器(如磁栅传感器、激光传感器及扭矩传感器等)输入和控制信号脉冲(控制电磁阀及步进脉冲等)输出，因此，电磁兼容性是智能测试系统能否可靠运行的一个重要内容。

要解决该智能测试系统中出现的电磁兼容性问题，就必须对电磁干扰形成的3个必要条件(即干扰源、传输介质和敏感接收单元)中的两个进行削弱或解除，比如削弱干扰源的干扰强度，切断或限制噪声干扰传播和耦合途径，提高敏感设备的抗干扰能力等[2]。根据现场设备和运行环境，该系统采用的措施有接地、屏蔽及滤波等。

1 接地①

接地是为了给工作电路提供一个等电位，是抗电磁干扰的重要手段之一。接地方式有4种：单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地。由于该塑壳断路器智能测试系统中动作元件和传感器较多，其接地系统需要合理设计和布局，以减小公共接地阻抗上的干扰电压，避免形成地环路，从而建立一个接近零电位的接地系统。

接地系统设计的基本原则是按照设备中各部分具有的电位大小进行分类接地[3]。如图1所示，将小功率、低电平的部分归为一类，如扭矩传感器，因这部分灵敏度高，易受外界干扰，需设置专门的接地线；将大功率、高电平的部分归为一类，如大电流闭环系统，这部分虽然对外干扰不灵敏，但可能成为内干扰源；将各类干扰源分为一类，称为噪声电路，如继电器及接触器等；将设备的金属外壳安全接地，泄漏外壳吸收到的干扰信息。以上4类接地线，每类若干根，分别并联后再接地，以减小相互耦合的影响，避免公共地阻抗引入干扰。

图1 接地系统分类

2 屏蔽

屏蔽能有效地抑制空间传播的各种电磁干扰，增强电磁兼容能力。屏蔽措施按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。电场屏蔽通常采用高导电材料制成屏蔽体，以隔离经电容性耦合传递的干扰。磁场屏蔽选用的材料与干扰源的频率有关：低频时由于导电材料导磁性能差，涡流作用小，屏蔽效能低，宜选用高导磁材料；高频时由于导磁材料会发生严重的磁损耗，使导磁率大幅度下降，宜选用高导电材料。电磁屏蔽主要用于高频，利用金属表面的反射和金属层内的吸收来抑制电磁辐射，一般采用高导电材料[4]。

2.1 机箱的屏蔽

该智能测试系统中人机界面的电磁屏蔽有两个关键点：一是保证箱体的导电连续性，二是不能有穿过箱体的导体。由于实际机箱不仅有显示器和按钮，还有缝隙及通风口等，这些都会引入电磁干扰。因此，需要分别采取措施。

机箱上面难免有缝隙，即使很窄，但只要长度超过波长的1%，就能产生大量的电磁干扰，这就是所谓的“缝隙天线”。当缝隙天线等于波长的50%时，电磁干扰最严重[5]。如图2所示，可在机箱缝隙处添加电磁密封衬垫。常用的电磁密封衬垫有金属网衬垫、导电橡胶、指形弹片、螺旋管衬垫和导电布。若缝隙处不加衬垫，也可以在缝隙结合处进行镀层处理，使之具有良好的导电性。

图2 机箱缝隙的处理方式示意图

箱体上面的操作按钮(如开始、停止、复位、手动/自动按钮)与机箱连接时往往留有一定的缝隙。在按钮处添加一个截止波导管，并在按钮与安装面板接触处添加一个导电衬垫(图3)。截止波导管是一种金属管，对电磁波而言它是一种高通滤波器。当电磁波的频率低于截止频率时，电磁波不能通过波导管，即起到了屏蔽作用[6]。

图3 面板按钮处理方式示意图

孔隙的形状、大小、位置对屏蔽效果都有影响，设计的基本原则是尽量减小孔隙对屏蔽体磁阻的影响[7]。实际操作中，应尽量减小垂直于磁场方向孔隙的尺寸。孔隙越小，辐射干扰就越小，对于相同面积的孔缝，受辐射干扰影响的程度取决于孔径的最大尺寸。如图4所示，图4b中孔的布置增加了磁通路径的长度，使屏蔽体磁阻增加，屏蔽效果不如图4a。

图4 面板通风口处理方式比较

安装在箱体上的LCD显示屏，由于窗口面积较大，极易造成干扰。如图5所示，在LCD显示屏上覆盖一层导电薄膜并放置在屏蔽盒中，屏蔽盒通过电磁衬垫和接地面板连接，通过屏蔽盒的进、出线设置穿心电容，以滤除由窗口进入并沿引线传播的干扰信号[8]。

图5 LCD显示屏防干扰处理示意图

2.2 线的屏蔽

在该智能测试系统中，对具有不同功能的信号线(如扭矩传感器信号线、I/O信号线、电源线及PPI通信线等)需做好屏蔽和隔离措施，以避免被干扰和相互干扰。

当交变电流通过导线时，电磁感应会引起导线截面上电流分布不均匀，越接近导体表面，电流密度越大，而导线的中心部分几乎没有电流通过，导致导线的电阻增加，这种现象称为“趋肤效应”。趋肤效应使传输线在输送高频(微波)信号时衰减很大、效率很低[9]。因此，传输线应选择空芯导线、双绞线或者辫线，该系统选用双绞线。

由于该系统有很多动作，比如抓取断路器及螺钉螺母一体化拧紧等都需要传感器的密切配合，而这些小信号传感器在断路器通电测试时都极易受到大电流产生的电磁干扰，这显然不利于系统的精密控制，也无法保证测试过后断路器的可靠性。因此，如图6所示，传感器信号线采用双层屏蔽，内层单端接地，外层双端接地。单端接地主要抵抗低频干扰，双端接地抵抗低频和高频干扰。需要注意的是，双端接地必须要接在同一个地电位上，否则会因地电位差造成环流，影响屏蔽效果，甚至比不接屏蔽线出现的后果还严重[10]。

图6 电缆屏蔽方式示意图

该系统是一个小型分布式控制系统，里面有很多根通电导线，线与线之间会产生相互干扰。此时可采用十字交叉排线。将信号线与电力线和控制线保持垂直，且电力线与控制线之间距离大于20cm。这样，信号线与电力线产生的磁力线平行，也就不会产生感应电流，从而避免了线间干扰。

当传感器采集完信号后，为保证信号能够准确地输送至工控机进行分析处理，信号线通过铜块或者夹片沿着柜体内壁走线，以保证屏蔽线能够360°完全接地。

若有穿过屏蔽体的低频信号线，在信号线的端口处使用低通滤波器，滤除线上不必要的高频成分，减小电磁辐射，同时也能防止外界的电磁通过电缆传入设备。若穿过屏蔽体的是高频信号线，只能采用屏蔽的方法。

3 滤波

滤波器是抑制传导干扰的重要单元，能切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护，在设备或系统的电磁兼容性设计中有极其重要的作用。滤波器通常由电阻、电感和电容组成，一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器及带阻滤波器等。

3.1 滤波器的选型

由于数字电路中不仅含有大量的高次谐波，而且电磁干扰大多是高频信号，所以在该系统的电磁兼容性设计中，一般使用低通滤波器。低通滤波器按结构分为单电容型(C型)、单电感型(L型)、LC型和CL型、T型和π型。滤波器的选择应满足阻抗匹配原则(表1)，不同的源阻抗和负载阻抗应使用不同结构的滤波器[11]。

表1 滤波器阻抗匹配原则

注：指数k表示k个该结构串联。

由于该智能测试系统中的开关电源在工作过程中会产生高di/dt和高du/dt，引起浪涌电压和尖峰电压，形成干扰源。干扰的主要形态是差模干扰和共模干扰，这两种干扰通常同时存在，又会互相转换，因此，抑制电源线的传导干扰通常是在电源端添加EMI滤波器。

一个基本的EMI滤波器如图7所示，Cx1、Cx2为差模电容，Cy1、Cy2为共模电容，L为共模电感。共模电感L是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成，当共模干扰流经两个绕组时，产生的磁场同向相加，呈现出较大的感抗，对共模干扰有很好的抑制作用；共模电感L的差值电感和Cx1、Cx2构成一个π型滤波器，对差模干扰有很好的抑制作用；Cy1、Cy2滤除残留的高频共模干扰[12]。

图7 EMI电源滤波器

3.2 滤波器的安装

滤波器的安装和布线对滤波效果有直接的影响，在安装过程中，应注意以下几点[13]：

a. 滤波器应直接与设备相连，且滤波器接地点与设备接地点间的距离尽量短。若滤波器和设备的接地点相距较远，则滤波器的泄漏电流和噪声电流会在流经两接地线的线路时，将干扰引入设备内部。

b. 利用机箱将滤波器的输入端和输出端隔开。若滤波器的输入线和输出线距离较短，高频干扰则可通过输入线与输出线之间的寄生电容直接耦合，从而旁路掉滤波器，使滤波器的高频衰减特性变差。

c. 滤波器的输入线和接地线应尽量短。若输入线较长，则未经滤波的干扰信号会通过空间耦合的方式对设备内部进行干扰，设备内部产生的干扰也会耦合到输入线上，传导到机箱外面，引起超标的电磁发射。若接地线过长，则会引入感抗，会削弱滤波器的高频衰减特性。

综上所述，滤波器的正确安装位置如图8所示。

图8 滤波器安装位置示意图

4 结束语

电磁干扰几乎在所有含电子设备的系统中都存在，且产生的原因非常复杂。要解决电磁兼容性问题，首先必须找到干扰源，再根据现场电磁干扰的种类、频率、阻抗和使用环境采取不同的防护措施，将接地、屏蔽及滤波等手段有效结合起来，使设备在电磁环境中能够正常工作且对周围的其他设备不造成影响。笔者针对项目组自主研发的塑壳断路器智能测试系统的电磁干扰防护措施做了一些具体的介绍，这些措施不仅适用于该系统，还适用于其他电子设备和相关系统。目前，该系统已经在某电力企业的自控系统中良好运行，测试效果高效稳定，预计每年可以为企业带来1 000

万元的经济效益。