电子式电流互感器模拟积分器的抗干扰设计

2016-07-14徐丽青史志伟余华武董金才

综合智慧能源 2016年5期

关键词：电磁兼容抗干扰

徐丽青，史志伟，余华武，董金才

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京　211153)

电子式电流互感器模拟积分器的抗干扰设计

徐丽青，史志伟，余华武，董金才

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京211153)

摘要：电磁兼容试验中，电子式电流互感器的模拟积分器极易受到干扰。根据浪涌、电快速瞬变脉冲群共模干扰的特点，提出一种用于电子式电流互感器模拟积分器的抗电磁干扰措施。利用安规电容、压敏电阻、瞬变抑制二极管改进电压抑制电路，采用金属膜电阻、高频电容、高共模抑制比差分运放改进滤波回路，同时采取优化电路板布局布线、加强接地等措施，对干扰信号进行浪涌抑制、电压钳位、高频滤波。试验结果证明，该模拟积分器具有较强的抗干扰能力。

关键词：电子式电流互感器;模拟积分器;电磁兼容;抗干扰;罗氏线圈;共模干扰;差模干扰

0引言

电子式电流互感器由于其绝缘结构简单、动态范围大、体积小、输出信号可直接接入保护和测控装置等优点，在智能变电站得到一定应用[1-2]。但由于变电站电磁干扰环境恶劣，导致电子式电流互感器的积分器在运行中出现异常，直接影响保护和测控装置的安全运行，因此，提高保护用电子式电流互感器积分器的抗扰度，对电子式电流互感器的发展极其重要。

电磁兼容性是衡量保护装置的一个重要指标。文献[3]研究了非均匀外磁场对罗氏线圈的干扰；文献[4]研究了一种分析外界非均匀磁场对罗氏线圈的干扰的新方法；文献[5]研究了一种新型的采集器，通过可编程增益放大器对小信号进行处理，提高小信号的抗干扰能力。近年来，国内对电子式电流互感器的功能设计做了一些研究，但在电磁兼容方面，针对积分器抗干扰设计的文献较少。

本文针对保护用电子式电流互感器积分器在电磁兼容试验中出现的若干问题，从硬件电路设计的角度给出一种能抑制共模干扰、差模干扰的积分电路，以提高积分器的抗电磁兼容性能。

1电磁兼容试验要求分析

电磁兼容试验中，电快速瞬变脉冲群、浪涌抗扰度试验极难通过[6-8]，这两种干扰主要通过传导方式传播，本文重点分析这两种干扰对电子式电流互感器积分器的影响。

GB/T 17626.4—2008《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》中规定，电快速瞬变脉冲群的波形如图1所示，上升时间为5 ns，持续时间为50 ns。电快速瞬变脉冲群的特点是持续时间短、频率高。

图1　电快速瞬变脉冲波形

GB/T 17626.5—2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》中规定,浪涌开路电压波形为1.2/50 μs(波前时间/半峰值时间)，从图2可以看出，单个浪涌骚扰能量高，持续时间较长，是一种具有极强破坏力的干扰。

图2　开路电压波形

2保护用电子式电流互感器工作原理

保护用电子电流互感器主要由罗氏线圈和保护装置的采集器两部分组成，如图3所示。模拟积分器还原出罗氏线圈输出的原始模拟信号，通过A/D转换器转换为数字信号，经现场可编程门阵列(FPGA)与中央处理器(CPU)进行逻辑判断，在界面显示并实现保护测控。

图3　保护用电子式电流互感器结构示意

笔者初始设计的模拟积分回路为有源积分器(如图4所示，图中：GND为工作地，PGND为机壳地)，由运算放大器U2、积分电阻R1和积分电容C1构成。为了验证积分器的抗干扰能力，需单独对积分器回路的输入端(+150 mV，GND)直接施加干扰(干扰极性L，N)。

图4　改进前的模拟积分器等效电路

3保护用电子式电流互感器的电磁兼容

3.1干扰传播途径

在传导干扰试验中，干扰传播途径主要有共模干扰和差模干扰。共模干扰是指信号线与参考地所构成回路中的干扰电压；差模干扰是指线与线所构成回路中的干扰电压。

在电快速瞬变脉冲群和浪涌中，干扰可以通过模拟积分器的输入端对保护装置产生影响。

3.2电磁兼容对装置的影响

装置内部整定保护动作值为5.0 A，若模拟积分器输入电压为0.150 V，则装置显示5.0 A，保护动作。在电磁兼容试验中，当直接对积分器施加干扰时，积分器输入回路施加电压为0.135 V(90%的额定电压)，装置显示4.5 A，当干扰叠加到输入回路突变量超过0.5 A，即模拟输入电压大于0.015 V时，则保护动作。

图4所示的电路设计简单，抗干扰能力较差，在施加电快速瞬变脉冲群、浪涌共模干扰以及浪涌差模干扰时，积分器回路的芯片易被打坏，导致工作失效、保护动作等。

4模拟积分器抗干扰设计

为提高积分器的抗干扰能力，积分器输入级前端采用安规电容、压敏电阻、瞬变抑制二极管、金属膜电阻、高频电容以及高共模抑制比差分运放等元器件，对干扰信号进行浪涌抑制、电压钳位、高频滤波和信号隔离，以提高积分器的抗干扰能力，改进后的模拟积分等效电路如图5所示。

图5　改进后的模拟积分等效电路

4.1差分运放抗干扰设计

我首先在一张白纸上画了一个锐角，拿着放大镜对着所画的角左照照，右照照，发现角的两条边变粗、变长了些，但角的度数看上去没什么变化。为了更直观些，我又画了一个直角及一个大的加号，透过放大镜看了看，发现直角都没有变化。

为提高积分器的抗干扰能力，在积分器的输入前置差分运放，实现积分器的隔离，如图6所示。在差分运放的输入端U1-，U1+前端加金属膜电阻R31，R32，起到阻尼作用，对芯片管脚进行保护。

图6　差分运放等效电路

在抗电磁兼容回路设计中，差分运放参数的选取非常重要，其中共模电压、输入阻抗、共模抑制比这3个参数的选取对抗干扰能力有一定的帮助。本文选取的差分运放的共模电压为 600 V，差分阻抗为2 MΩ，共模抑制比为96 dB。

一个理想的差分运放能完全抑制共模信号，衡量共模信号被抑制程度的指标为共模抑制比，即

(1)

式中：Ad为差模电压增益；Ac为共模电压增益，理论上为0。

计算共模电压增益，是由于差分运放在输入差模信号的同时伴随着共模信号输入，因此，实际输出电压是差模信号和共模信号两部分作用的结果，实际输出电压计算公式为[9-10]

(2)

(3)

试验中，Ucm_diff的值必须小于保护动作的突变量。本文选取的差分运放的频率在1 kHz以下，kcmr较大，达到96 dB，频率大于1 kHz后，kcmr迅速下降，对高频信号的抑制较弱，因此，在抗瞬态干扰试验中，抑制高频共模干扰极其重要。

4.2电压抑制电路设计

为抑制浪涌的低频干扰：首先，采用压敏电阻与安规电容并联，此回路具有抑制电压低、通流大等特点；其次，选取压敏电阻的容量，要根据差分芯片的共模电压范围来选取，本文选取的差分运放的共模电压为600 V，因此选取520 V压敏电阻，可将共模2 000 V电压钳位在520 V左右；最后，计算由共模电压产生的差模电压为8.2 mV，此值小于保护装置动作值的突变量15 mV，不会对装置产生影响。

为抑制L-N(相线与零线)间的差模干扰，采用两级钳位电路，如图7所示。第1级保护电路使用47 V的压敏电阻RV13，把干扰电压钳位到47 V左右；第2级保护电路采用5 V的瞬变抑制二极管TVS13，把剩余的干扰电压钳位在5 V左右。瞬变抑制二极管具有响应速度快、能允许大电流通过、抑制瞬态干扰能力强等特点[11-12]。

图7　电压抑制等效电路

4.3高频滤波抗干扰设计

为抑制高频干扰，采用RC型低通滤波回路，差模干扰可通过R41，C33，R42进行滤波，如图8所示。设计低通滤波回路-3 dB截止频率为10 kHz，能有效抑制浪涌的高频干扰和瞬变的高频干扰。

图8　高频滤波等效电路

4.4接地系统抗干扰设计

装置单模件采用浮地系统，保护地与模拟地、数字地在物理上实现隔离，抑制外界带来的干扰。

电路板采用4层板设计，从顶层到底层依次为信号线、电源线(+12 V，-12 V)、模拟地AGND和GND，AGND与GND通过覆铜连接在一起。

5试验结果

改进后的模拟积分器回路中施加0.135 V的故障量，在传导性的干扰试验中，能通过表1的试验等级，试验过程中装置能正常运行，不误动、不拒动。

表1　EMC试验等级水平

6结论

模拟积分器回路的抗干扰性能是保护用电子式电流互感器的一项关键指标，本文采用高共模电压、高共模抑制比的差分运放回路抑制干扰：在低频干扰阶段，采用安规电容、压敏电阻相结合，来吸收泄放的低频能量；高频干扰阶段，通过RC滤波措施抑制干扰。试验证明，本文设计的模拟积分器适用于小信号回路，采取的抑制措施有较好的实用价值。

参考文献：

[1]童悦,张勤,叶国雄,等.电子式互感器电磁兼容性能分析[J].高电压技术,2013,39(11):2829-2835.

[2]刘彬,叶国雄,郭克勤,等.基于Rogowski线圈的电子式电流互感器复合误差计算方法[J].高电压技术,2011,37(10):2391-2396.

[3]池立江,颜语,汶占武.非均匀外磁场对罗氏线圈的干扰研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(15):151-154.

[4]池立江,颜语,郭颖宝.外磁场对罗氏线圈的影响分析及验证方法[J].高压电器,2011,47(12):71-75.

[5]牟涛,周丽娟,周水斌,等.高精度电子式电流互感器采集器的设计[J].电力系统保护与控制,2011,39(20):141-144.

[6]电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验：GB/T 17626.4—2008[S].

[7]电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验：GB/T 17626.5—2008[S].

[8]电磁兼容试验和测量技术振荡波抗扰度试验：GB/T 17626.12—1998 [S].

[9]牛滨,陈松景,孙晶华,等.差动放大电路共模干扰抑制能力的研究[J].哈尔滨理工大学学报,2009,14(1):92-95.

[10]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社,2006.

[11]徐丽青,陈新之,余华武,等.智能变电站合智一体装置的抗电磁干扰分析及设计[J].高压电器,2014,50(11):57-62.