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EFT原理及解決方法

本帖被 fasten 從 測試報告共享學習 移動到本區(2008-05-20) 瞬態脈衝騷擾及抑制方法瞬態脈衝騷擾及抑制方法2006-9-11 11:51:30　未知來源　供稿摘要：量度繼電器、繼電保護及自動化裝置(以下簡稱繼電器及裝置)隨著電子技術的發展已實現微機化及數字化。在電力系統惡劣的電磁環境中經常受到電磁騷擾，出現電磁干擾的幾率很大，嚴重影響量度繼電器及裝置的正常工作。其中影響較大的是瞬態脈衝騷擾。本文從分析瞬態脈衝騷擾產生的原因著手，總結出各種瞬態脈衝騷擾的特徵，提出抑制的方法。關鍵詞：瞬態脈衝騷擾； 原因及特徵； 抑制方法。 1 引言在電力系統的電磁環境中存在著一些短暫的高能量的脈衝騷擾源，這些騷擾對繼電器及裝置的正常工作有非常大的影響，嚴重時也要損壞元器件，甚至損壞設備以至於整個系統。這些騷擾源就稱為瞬態脈衝騷擾源。產生瞬態脈衝騷擾源的原因有：雷電放電、靜電放電、電力系統的開關動作過程等。常見的瞬態脈衝騷擾源有電快速瞬變脈衝群騷擾、靜電放電騷擾、浪涌(衝擊)騷擾及1MHz(100kZHz)脈衝群騷擾等。2 瞬態脈衝騷擾的產生原因2.1 瞬態脈衝騷產生的機理在開關斷開電感負載電路的過程中，在電感上要產生反電勢。根據楞次定律：這個反電勢應為。反電勢要向寄生電容C反向充電，隨著充電電壓的升高，當達到一定數值時，在觸點之間要出現擊穿現象，形成導電通路。一旦出現導電通路時，電容C就要開始放電，使電壓下降，當電壓降到維持觸點導通電壓以下時，觸點又將處於斷開狀態。上述過程就要重複發生，此過程重複到觸點的間距大至電容上電壓不能使觸點間再擊穿為止。當電容不能通過擊穿觸點放電時，就通過電感迴路放電，直至電感中能量消耗完為止。在上述過程中，電容C每次擊穿觸點時都要向電源迴路反向充電，因此在電源迴路上形成很大的脈衝電流，由於電源迴路也有阻抗存在，脈衝電流通過電源迴路時，在其兩端就要形成脈衝電壓，而共用此電源迴路的其它的電路(或繼電器及裝置就要受到該脈衝電壓的影響。這就是瞬態脈衝騷擾形成的原因。隨著觸點間隙的變化，擊穿觸點間隙所需要的電壓是變化的。當觸點間隙越來越大時，擊穿電壓越來越高。因此電容C上的電壓也要越來越高。當觸點擊穿所需要的電壓越高時，電容充電的時間就越長，振蕩波形的頻率就越低。2．2 主要的瞬態脈衝騷擾的產生及特點(1) 電快速瞬變脈衝群騷擾電快速瞬變脈衝群騷擾是由於電路中斷開感性負載時產生的。它的特點是騷擾信號不是單個脈衝，而是一連串的脈衝群。一方面由於脈衝群可以在電路的輸入端產生積累效應，使騷擾電平的幅度最終可能超過電路的雜訊容限。另一方面脈衝群的周期較短，每個脈衝波的間隔時間較短，當第一個脈衝波還未消失時，第二個脈衝波緊跟而來。對於電路中的輸入電容來說，在未完成放電時又開始充電，因此容易達到較高的電壓，這樣對電路的正常工作影響甚大。電快速瞬變脈衝群騷擾源的電壓的大小取決於負載電路的電感，負載斷開速度和介質的耐受能力。這類騷擾電壓的特徵是：幅值高、頻率高。當觸點斷開時，電感電路中的電流企圖繼續通過，在觸點之間產生高壓，並引起電弧的重燃，這樣就會產生一連串的電壓脈衝疊加到繼電器及裝置連接的電源上。電快速瞬變脈衝群騷擾電壓主要是共模電壓。它是通過電容耦合間接傳輸至其它電路，當由一個電路的電壓產生的電場和第二個電路的導體交鏈時就會產生電容耦合。(2) 浪涌(衝擊)騷擾 浪涌(衝擊)騷擾是雷電在電纜上感應產生的騷擾，它也可能在很大功率的開關在斷開過程中產生。衝擊(浪涌)騷擾的特點就是能量很大，在室內，浪涌(衝擊)電壓可達到6kV，室外可達10kV以上。浪涌(衝擊)騷擾不象電快速瞬變脈衝騷擾發生那麼頻繁，但每發生一次產生的危害是十分嚴重的，甚至會導至電路以致於繼電器及裝置發生損壞。 (3) 靜電放電騷擾 由於人體在某些環境條件下，要產生靜電。當人體接觸繼電器及裝置後就會對繼電器及裝置產生靜電放電現象，靜電放電雖然也屬於瞬態脈衝騷擾，但它的耦合方式與其它瞬態脈衝騷擾的耦合方式不同，一般瞬態脈衝騷擾的耦合方式都為傳導耦合，但靜電放電騷擾除了有傳導耦合外，還有輻射耦合。但從本質上應屬於輻射騷擾。靜電放電會導致繼電器及裝置嚴重損壞及工作失常。靜電放電能量傳播方式有兩種，一種是通過金屬體表面傳播；另一種是通過激勵一定的頻寬的脈衝能量在空間傳播。(4) 1MHz(100kHz)脈衝群騷擾對電力系統量度繼電器、保護及自動化裝置來說，它屬於一種振蕩衰減波的騷擾。它的產生也是由於在其輔助電源迴路中開關的開閉過程中也要出現一個短暫的放電過程，在其過程中要產生一短時尖鋒的騷擾電壓，並以一連串的衰減振蕩波的形式出現。1MHz(100kHz)脈衝群騷擾的耦合方式是以傳導騷擾為主的電磁騷擾，它主要是通過各種輸入導線(導體) 直接傳導傳輸到繼電器及裝置上。同時也產生電感應耦合或磁感應耦合傳輸騷擾信號。脈衝群騷擾電壓作用於產品主要反映為共模騷擾電壓和差模騷擾電壓兩種形式。3 瞬變脈衝騷擾的抑制方法3.1 電快速瞬變脈衝群騷擾(1)電快速瞬變脈衝群抗擾度試驗過程中所存在的問題： ① 如果受試產品在電源端沒有良好的濾波性能，電快速瞬變脈衝群騷擾信號就會通過傳導耦合進入繼電器及裝置的電路中去。現在繼電器及裝置中的電子電路對脈衝騷擾是比較敏感的。如果電子電路中含有數字電路，對脈衝騷擾更為敏感度。進入電子電路的電快速瞬變脈衝群的騷擾信號通過直接觸發和電感應耦合，使電子電路工作異常。② 對於進入電路的電快速瞬變脈衝群騷擾信號還可以通印製線路板的地線共阻抗耦合到繼電器及裝置其它的敏感部分。由於任何地線都具有電阻和電抗，所以當有電流通過就要產生電壓降。對於電快速瞬變脈衝群騷擾信號，其電流變化極快，並且含有大量高頻分量。根據 ，可知在公共地線上很容易產生電位差。當此電壓低於電路的抗擾度電平時，就不會產生干擾。否則就可能對共用的地線的其它電路產生騷擾。③ 由於繼電器及裝置的綁線不合理，當通過電快速瞬變脈衝群騷擾信號時也會引起騷擾。如強電和弱電迴路的導線綁在一起或信號線與強電電源放在一起時，當騷擾信號通過其中的電路時，由於電路之間的距離太近，它們之間相互耦合，產生「串擾」現象，造成繼電器及裝置的不正常工作。(2) 抑制電快速瞬變脈衝群騷擾的方法① 使用電快速瞬變脈衝群騷擾的濾波器和吸收器；② 減小印製線路板的地線共阻抗值；③ 將電快速瞬變脈衝群騷擾源遠離敏感電路；④ 在軟體中加入抗騷擾指令；⑤ 正確使用接地技術；⑥ 合理布線，強電、弱電、信號線應分別綁線，接入印製線路板的輸入、輸出線應盡量短。3.2 浪涌(衝擊)騷擾(1) 浪涌(衝擊)騷擾的防護：對於浪涌(衝擊)騷擾應採用抑制浪涌的元器件來防範浪涌(衝擊)騷擾所產生的電磁干擾。抑制浪涌騷擾的元器件主要有避雷管、壓敏電阻和瞬態抑制二極體，這些元器件屬於對瞬態瞬變脈衝的吸收器。① 避雷管：又稱氣體放電管，管內充有一定種類和一定數量的惰性氣體，當浪涌電壓出現時管內的惰性氣體被電離，形成短路狀態。於是避雷管兩端電壓迅速降低到一個很低的電壓值，它使大部分的浪涌騷擾所產生的騷擾能量被泄放掉了。這就是避雷管抑制浪涌(衝擊)騷擾的工作原理。避雷管具有很強的吸收浪涌電流能力的特點，它能承受的電流大，同時產生的寄生電容很小。另外，在起弧前還具有很高的絕緣電阻。② 壓敏電阻：壓敏電阻是電壓敏感型器件，當加在壓敏電阻兩端上的電壓低於標稱電壓時，它的電阻幾乎是無窮大；一旦超過其電壓值後壓敏電阻的電阻值便急劇下降，從而將浪涌騷擾中的能量泄放，並將浪涌電壓的幅度限制在一定的幅度內，整個過程的響應時間為ns級。壓敏電阻的引線的感抗會影響壓敏電阻的高速響應的特點，引線越長， 由引線電感產生的附加感應電壓越大。因此在採用引線安裝壓敏電阻時要求其安裝引線越短越好。③ 瞬態抑制二極體(TVS)：瞬態抑制二極體全稱是硅瞬變電壓吸收二極體。它具有極快的響應時間和非常高的浪涌吸收能力，可用於保護繼電器及裝置或電路免受靜電、切斷電感負載以及感應雷所產生的瞬態脈衝騷擾。在正常時，瞬態抑制二極體是不工作的，當出現了瞬態脈衝騷擾(包括衝擊浪涌)時，器件中的硅PN結的雪崩效應，使瞬時過電壓的尖峰以箝位；方式限制在電路可以允許的範圍內。這就是瞬態抑制二極體的二作原理。3.3 1MHz(100kHz)脈衝群騷擾1MHz(100kHz)脈衝群騷擾的危害性比電快速瞬變脈衝群騷擾要小，它的耦合方式除共模耦合外，還有差模耦合。也是一種以傳導騷擾為主的騷擾源。因此抑制1MHz(100kHz)脈衝群騷擾的方法可以按照抑制電源騷擾中共模騷擾和差模騷擾的方法。(1)共模騷擾的抑制方法① 採用浮地屏蔽法；②採用平衡電路法；③採用隔離變壓器和共模扼流圈法；④採用光電耦合方法；⑤採用輸入濾波器方法2)差模騷擾的抑制方法① 採用雙絞線的輸入方法(使干擾電勢互相抵消)；② 採用屏蔽接地方法(抑制電場干擾的影響)；③ 輸入端接入低通濾波器法(減少高頻騷擾的輸入)；④ 分離各種電源線輸入方法(減少磁場騷擾的影響)3.4 靜電放電騷擾靜電放電騷擾的防護有如下方法：(1)按電磁兼容設計的原則設計一個完整的封閉金屬導體外殼，但從電路到殼體之間還可能產生二次燃弧，發生傳導耦合，因此在設計外殼時，在金屬屏蔽體外再設計一個絕緣外殼，以加強金屬殼體的絕緣性能；或者在金屬殼體的局部(如面板部分)用絕緣材料，這樣帶電導體接觸絕緣導體，就不會發生靜電放電現象。另一方面，大多數外殼在保持完整性的基礎上，設計有孔洞、排氣口、螺桿等。對於這些殼體上的開孔，應遵循採用「用幾個小孔代替一個大孔」的原則，對抑制電磁發射更有利。對外殼有縫隙邊沿存在時，應在兩縫隙間採用電連接，以減小電磁雜訊。(2)為繼電器及裝置設計一個良好的接地系統，即為靜電放電電流提供一個低阻抗的放電路徑，並將放電電流有效地限制在此路徑中。(3)採用濾波方式，阻止幅射騷擾耦合到繼電器及裝置中。一般濾波器應為分流電容或一系列電感，以及由以上兩種濾波器的混合方式。(4)通過印製線路板的設計來提高系統的靜電放電抗擾度的能力，印製線路板上的印製線可以成為靜電放電中產生電磁發射的天線。為了降低這些天線的耦合作用，在設計印製線路板上的印製線時應儘可能的短，印製線包圍的面積應儘可能的小。在設計時，所有的元器件應均勻分布印製板的整個區域，以減小共模耦合。使用多層印製線路板和柵格的走線方式也可以減小耦合，抑制共模輻射騷擾。(5)對電纜進行屏蔽和濾波，防止電纜成為接收電磁騷擾的天線。另一方面，特別是電纜與外殼相連時，電纜也應能提供一個低阻抗的通道。 (6)在繼電器及裝置的軟體設計中增加對靜電放電抑制措施，它對繼電器及裝置工作嚴重失常是有效的方法。這些措施有「刷新」、「檢查」並「恢復」等。「刷新」過程涉及到周期性複位到休止狀態，並刷新顯示器和指示器狀態。「檢查」過程用於決定程序是否正確執行，它們在一定間隔時間被激活，以確認程序是否在完成某個功能。如果這功能沒有實現，一個「恢復」程序被激活。
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