矿用移变用永磁式高压开关主控器的抗干扰设计

庞 飞

（晋城金力电气有限责任公司，山西 晋城 048000）

晋城金力电气有限责任公司采用ABB 公司生产的VS1 永磁断路器作为高压开关的本体，该断路器分合闸时间短、速度快、分断能力强、稳定行高，分合闸时间的误差可控制在±1 ms 之内，但是该断路器的钕铁翎永磁体在分、合闸瞬间可产生极强的磁场，对开关腔体内空间和线路会造成很强的干扰，导致设计的高压开关主控器在合、分闸时出现短暂的“死机”现象，这时开关的所有保护将失去作用。因此，主控器的抗干扰处理成为该项目急需解决的难题。

1 永磁式高压开关干扰分析

永磁断路器合、分闸瞬间产生的强辐射电磁场对主控器的干扰主要存在两个方面。

1.1 空间干扰

强电磁辐射传输是通过空间以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向四周空间发射。项目设计之初，为了减少线路，开关本体采用模块化设计结构，将高压开关的主控器放置于断路器框架内，但是主控PCB 板为普通盒子封装，未针对性地做电磁屏蔽处理。断路器永磁体距离主控器空间近，瞬间的强磁场会对主控器的元器件性能造成干扰，影响系统的正常工作。

1.2 传导干扰

经反复测试，高压开关在空载时操作，主控器出现“死机”现象相对较少，但是带1000 kVA 变压器本体进行分、合闸，主控器“死机”频率非常高。带载操作时，瞬间电流变化很大，会引起电流浪涌，随之瞬间的磁场突变，在金属导体上感应出很强的感应电压，由于断路器的控制电源和主控器电源来自同一控制变压器，该瞬态干扰脉冲通过电源线路施加至主控器的电源模块，会造成主控器的供电故障，以致瞬间不工作，该干扰也会影响PCB 板上的电子元件和模拟电路。

2 主控器存在的问题

通过上位机编程器对主控器程序动作时的数据进行实时监测，分、合闸瞬间，编程器与主控器通信立刻中断，动作完毕后，经过5 s 左右的时间，程序会自动恢复工作，显示一切正常，这意味着动作时DSP 主芯片会停止工作。

DSP 的电源电压可能在带载动作时出现异常，采用示波器对主控器DSP 芯片的电源波形进行捕捉，正常工作时为3.3 V，运行正常。分闸时捕捉的波形如图1，电源电压瞬间可达到10 V 以上，达到正常电压时的3 倍，且高次谐波较多。合闸时的电源波形如图2，瞬间电压也可达到10 V，但持续时间较短，也验证了分闸时主控器“死机”的概率高于合闸。因此，主控器出现异常的原因是由DSP电源受到脉冲干扰所致。

虽然干扰的时间很短，但是分、合闸瞬间是负载变化最大的时期，也是设备出现故障的高发期，如果主控器在分、合闸瞬时无法检测到漏电、短路、过载等故障，该设备将非常容易损坏。

图1 分闸瞬间电源波形

图2 分闸瞬间电源波形

3 主控器采取的抗干扰措施

3.1 空间屏蔽

将主控器与永磁断路器本体分开布置，减少空间电磁干扰[1-2]。开关内部线路采用屏蔽双绞线连接，并做一端接地（尽量选择主控器远端）。主控器外壳采用纯铁等导磁性好的材料制作，将塑料航插更换为金属航空插头。

3.2 PCB 板改进

（1）PCB 板上存在数字、模拟电路、高、低电压电路，需合理布局。互感器等高电压、大电流信号布置尽量靠近航空端子接口处，以尽量减少导线上的干扰。电路功能相近的可放置于一块，可有效抑制噪声。PCB 板布置如图3，开关量放置于通讯模块上方。

图3 PCB 板布局图

在DSP 系统板上方增加电感、磁珠屏蔽层，增加空间屏蔽。所有输入、输出回路采用光耦隔离，光耦两端的进出线要分开布置，否则会降低隔离效果，如图4。

图4 重新设计后的主控板

（2）PCB 布线要保证电磁兼容性，设计原则如下：

① 同一信号线的回路面积最小，可以减少磁场的耦合。

② 信号走线时，不能靠太近且不能平行铺设，最好相互垂直布设。

③ 时钟电路布线时，减少过孔，尽量在同一层走线，避免时钟信号的衰减、反射等。在其周围布设大的地线面，将其与高频或模拟电路隔开。

④ PCB 板上空余的地方要敷铜网，与地线相连，可降低地线阻抗，稳定电源和信号传输，且可减少高频信号的电磁干扰。

3.3 接地处理

高压开关的主控板中存在很多模拟和数字信号，数字信号的噪声可沿线路和地对模拟地产生高频信号耦合，影响模拟信号的采集精度。主控器的PCB 为双层板设计，无法设计成完整的地平面，需采用分布式共地的方法进行工作接地，提高PCB 电路的抗干扰能力，减少数字电路与模拟电路的相互干扰。

3.4 软件设计

主控器主芯片TMS320F28335 内置了可编程看门狗WDT，程序每隔200 ms，复位一次WDT。如果DSP 被干扰，程序未正常运行，WDT 不再被周

期性复位，这时系统软件进入复位状态。通过设置看门狗控制寄存器对软件自动复位，可防止程序因各种原因进入死循环，也可避免控制器误动作。

4 效果应用分析

高压开关按照新的要求改进后，依据国家标准和企标对移变做性能试验和出厂检验，满足所有的标准，解决了运行过程中遇到的干扰问题，并在晋煤集团赵庄煤业5103 工作面进行了为期9 个月的井下工业性试验，期间运行稳定，未出现任何异常。

5 结 语

永磁式高压开关的抗干扰处理在项目设计初期未考虑全面，导致后期进行了大量的整改工作，虽然增加了产品的设计成本，但是产品在各类场合使用时，稳定性大大增强，以上所述的抗干扰设计不仅可用于井下移动变电站项目，也适用于变频器类存在高次谐波干扰强的设备中。