[科普中国]-电子式互感器电磁兼容性能

电子式互感器中电磁兼容问题的提出

电子式互感器（electronic current/voltagetransformer， 简称ECT/EVT)是电力系统用来测量一次电流/电压的装置。在正常工作条件下，它能输出与一次电流/电压成正比且不发生相移的电流或电压，供测量仪器、保护或控制装置使用。鉴于它工作环境的特殊性，它的一次侧处于开关站区的户外部分(图中部件1 所示)，必须符合户外温度变化，高压端耐压绝缘水平等一系列高压侧的要求，同时，它的二次侧处于控制柜区的室内部分，图中部件2 所示并包含电子线路，有可能会受到控制柜区内其它电子设备，计算机等的干扰。

因此为了确保ECT 在其工作环境中能够正常的工作，就必须在它实际运行前对其二次侧进行电磁兼容试验。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中不受干扰能正常工作，并不对该环境中其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包含对电子设备电磁骚扰发射和电磁敏感性两方面的要求。由于ECT 的输出为测量通道4V，保护通道0.2V 的工频弱电信号，不会对其他设备造成干扰。因此，电子式电流互感器的电磁兼容试验主要是评定它的抗干扰能力，即电磁敏感性方面的要求。1

电子式互感器电磁兼容测试项目及标准IEC 61000 是关于电磁兼容性的大型系列标准。其中涉及电子式互感器的试验均为与抗扰性有关的试验标准。抗扰性试验的目的是检验连接到供电网络、控制和通信网络中的电气、电子设备对传导骚扰，辐射骚扰的抗干扰能力，试验的选择取决于电磁骚扰的类型;环境条件;对设备性能的要求以及经济因素等。

电磁兼容试验中试品的试验结果可按照被试设备的功能丧失或性能降低分类，电子式电流互感器的试验结果的评估可分为A，B两级。具体试验内容见表。

A:满足准确度规范限值以内的正常性能（稳态下，在额定一次电流或其较低值）。

B:允许与保护无关或与自动恢复的自诊断无关的测量性能暂时下降。不允许复位或重新启动。不允许输出过电压超过500 V。对于保护用电子式互感器，不允许会使继电保护装置误动的性能下降。根据试验项目中电磁环境对ECT/EVT干扰的传播方式不同，主要可分为以下两种：1

1、传导干扰

传导干扰是经导线，金属管道，公共接地阻抗等导电路径传播的干扰。只要有连接便可能传导电磁干扰，一般影响最大的是电源回路传导的干扰。工程实践表明，其中最易导致电子设备故障的是脉宽小于1us 的干扰脉冲以及持续时间大于10ns 的持续噪声。涉及到的主要试验为：电快速瞬变/脉冲群试验，冲击波（浪涌）抗扰度试验。

电快速瞬变/脉冲群是由电感性负载（如继电器、接触器等）在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的暂态骚扰。当电感性负载多次重复开关，则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现，如图所示。这种暂态骚扰能量较小，一般不会引起设备的损坏，但由于其频谱分布较宽，所以会对电子、电气设备的正常工作产生影响。目的就是为了检验ECT 在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。

开关操作，例如电容器组的切换，晶闸管的通断，设备和系统对地短路和电弧故障等或雷击可以在电网或通信线上产生暂态过电压或过电流。通常将这种过电压或过电流称为浪涌。浪涌呈脉冲状，其波前时间为数微秒，脉冲半峰值时间从几十微秒到几百微秒，脉冲幅度从几百伏到几万伏，或从几百安到上百千安，是一种能量较大的骚扰。1

2、辐射干扰

辐射干扰近场表现为静电感应与电磁感应导致的干扰，远场则为通过辐射电磁波造成的干扰。所涉及到的试验有：工频磁场抗扰度试验，阻尼振荡磁场抗扰度试验，脉冲磁场抗扰度试验，无线电频率辐射电磁场抗扰度试验。

工频磁场是由邻近的电力线路，变压器等在正常运行或故障条件下产生的􀊥阻尼振荡磁场主要是由于在高压变电所中隔离开关分合高压母线所产生的􀊥脉冲磁场则是由雷击建筑物和其他金属构架（包括天线杆，接地体和接地网），以及由低压，中压和高压电力系统中故障的起始暂态产生的，也可由高压变电所的断路器切合高压母线和高压线路产生。而无线电频率辐射主要是由各种工业电磁源以及寄生辐射源产生的电磁波干扰。这些试验的目的是为了检验ECT 在各种磁场干扰下的运行情况。

上述的传导干扰与辐射干扰对于电子式互感器来说，是必须要通过的试验项目，因此，有必要对其进行相应的电磁兼容设计。2

ECT 电磁兼容设计一般原则一般的电磁兼容设计都遵循一定的原则。而根据电子式互感器二次侧机箱的一些特点，比如只传递低频弱电信号，传递速度不快等，也可以总结出它的电磁兼容设计原则。

1、电路设计方面

1) 采用悬浮地，使电路的信号线与机箱绝缘，以防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路。

2) 合理排布电源，地和各种信号线，降低各种信号线之间产生的耦合干扰。

3) 合理布置元器件，尽可能降低元器件之间连线长度，降低信号线产生的电磁辐射。

4) 在模块电源输入端设计滤波电容，降低或消除通过电源进入电路模块的各种干扰信号。

5) 避免产生和使用不必要的高逻辑电平。如能用3.3V 电平的就不要用5V 电平。

6) 选择电路功能允许的最慢的上升时间和下降时间，以限制产生不必要的高频分量。

2、内部结构方面

1) 机箱外壳实行全封闭的屏蔽结构，要求其各个面之间具有良好的接触，并保持其良好接地。

2) 机箱中各种裸露走线要尽可能短。

3) 传输不同电子信号的导线分组捆扎，数字信号线和模拟信号线也应分组捆扎，并保持适当的距离，以减小导线间的相互影响。

4) 机箱外壳的各个接口处都要利用导电胶搭接。

5) 输出端子采用隔离输出方式，各个输出端子之间的接地采用独立地线并联一点接地的方式。

电子式互感器的电磁兼容设计为了提高电子式互感器二次设备的抗干扰能力，就需要对它进行一些预防干扰的设计。主要包括以下三个部分。

1、电源端口部分

电源是最关键的部分，如果电源抗干扰能力不足，其他端口耦合的干扰都可以通过电源构成回路。安装电源滤波器是一个基本的方法。电源滤波器是一种低通滤波器，专用于去除电源中的共模和差模干扰，允许直流或50Hz 工频电流通过，通常由无源集中参数原件构成。在使用电源滤波器时，要注意以下几点：

a) 选择滤波器的电流时，要留有至少50%的余量，以使滤波器始终工作在最佳状态。

b) 滤波器一定要安装在设备离电源入口最近的地方，其外壳一定要良好接地。

c) 滤波器的电源输入线要尽可能短，它的输入线和输出线不能重叠捆绑。通过这样设计和良好的电源屏蔽线，电源滤波器就能够很好的发挥作用，抑制浪涌，电快速瞬变脉冲群等的干扰了。

2、信号端口部分

对于信号端口，最主要的是进行预防静电放电。本文通过加装瞬态骚扰吸收器件来进行保护。

1) 瞬态骚扰吸收器件的特点

a .TVS 器件

瞬态（瞬变）电压抑制二级管简称TVS 器件，在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受

损坏。TVS 能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间仅为1ps。TVS 允许的正向浪涌电流在TA=25C，T=10ms 条件下，可达50~200A 。

b.压敏电阻

压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的响应时间为ns 级，比空气放电管快，比TVS 管慢一些，压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF 的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大。

2) 保护器件的选用及搭配

TVS 响应速度快，但容量有限，压敏电阻响应速度慢，但容量大。在两者配合使用时，就需要选择合适的参数配合，才能发挥出它们各自的优点，有效地保护电路。在交流回路中，压敏电阻的压敏电压min(U1mA)≥(2.2~2.5)Uac，式中Uac 为回路中的交流工作电压的有效值。压敏电阻的最大限制电压约为压敏电压的1.7~1.8 倍。而TVS 的最大钳位电压大约是击穿电压的1.4~1.5 倍。3

3、 机箱屏蔽部分

屏蔽是用导电或导磁体制成的封闭面对其内外两侧的空间进行电磁隔离，以抑制屏蔽体两侧电磁辐射能量的传递。可以是隔板，金属盒，箱的形式。

1) 屏蔽机箱材料的选择

屏蔽按其机理分为电屏蔽，磁屏蔽以及电磁屏蔽。根据不同的屏蔽原理，所使用的材料也不尽相同。

电屏蔽主要指静电场和交变电场屏蔽，其设计原理是用屏蔽体来尽量减少干扰源和设备之间的分布电容，从而减小干扰源的影响。

因此，需要选取高电导率的材料进行防护。各种金属的电导率如右表所示。银和铜的导电效果非常好，但是价格较高。铝的导电效果虽然也不错，但首先铝板表面容易形成氧化膜，有很大的接触电阻􀊥其次，铝的机械强度不够，不适合做机箱。因此，一般可采用铁壳机箱，再喷涂一层高导电率的材料。

磁屏蔽主要指静磁场及交变磁场屏蔽，它的机理主要是依赖高磁导率材料所具有的小磁阻起到磁分路作用，减小屏蔽体内部的磁场。可选用金属铁磁材料来进行低频磁场的屏蔽。右表中列出了部分金属铁刺材料的相对磁导率，相对磁导率越高，其屏蔽效果越好，屏蔽层数越多，屏蔽效果越好。从磁屏蔽的机理而言，屏蔽体不需要接地，但为了防止电场感应，一般还是要接地。

电磁屏蔽主要指电磁波屏蔽，是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播，是靠对电磁波的反射和吸收来完成的，屏蔽效果与屏蔽体厚度无关，这与电场屏蔽和磁场屏蔽不同。根据以上的总结，屏蔽材料的选择原则如下表所示。4

针对电子式互感器来说，由于其工作频率较低，并且所需要屏蔽的干扰主要是磁场干扰。因此本文选择磁导率较高，价格便宜的铁板作为机箱材料，用以抵制周围的磁场干扰。

2) 屏蔽机箱的表面处理

表面处理直接影响到壳体表面的导电性，影响接触面间的接触电阻，影响整体壳体的电气连续性，从而影响到仪器的电磁屏蔽效果，尤其是电屏蔽的屏蔽效果。

首先，应该使铁板尽量平整，光滑，并采用电镀技术，在铁板表面镀一层锌膜，这样主要可以增加反射衰减。

其次，机箱壳体还必须相互接触良好，并保证良好接地，这点对于电屏蔽来说尤其重要，因为在电屏蔽中，屏蔽体不接地时，干扰源和感受器间的分布电容比没有屏蔽体时还要大。因此仪器在涂漆时必须注意，其安装面上不能有漆。

最后，机箱的连接处应该用金属丝网套橡胶芯衬垫来连接，防止出现没有连接上的悬浮低。

3) 屏蔽机箱厚度的确定

屏蔽体的屏蔽效果是以屏蔽效能来表示的。屏蔽效能也称屏蔽衰减，是指未加屏蔽时某一被测点的场强与加屏蔽后同一被测点的场强之比，以dB 为单位。包括电磁波通过屏蔽体表面时的反射消耗，电磁波在屏蔽体内部传输时的吸收消耗，电磁波在屏蔽体之间反射时的多重反射消耗三部分。1