高壓隔離開關智能組件硬件系統的抗電磁干擾策略

李少東，黃國兵，張敏

（西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安 710048）

高壓隔離開關智能組件硬件系統的抗電磁干擾策略

李少東，黃國兵，張敏

（西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安 710048）

高壓隔離開關智能組件是變電站智能一次設備的關鍵部件，但嵌入在一次設備中運行的智能組件電磁環境惡劣，可能導致隔離開關智能組件的誤操作。為了提高智能組件的抗干擾能力，本文提出了改進硬件平臺系統抗電磁干擾的設計理念。對智能組件系統所處的電磁干擾環境，電磁干擾源、抗電磁干擾機理做了詳細分析，研究了設計電磁兼容性問題，總結出了智能組件系統硬件設計中應采取的抑制電磁干擾措施。通過對設計的硬件系統進行現場測試，試驗效果驗證了硬件系統抗干擾策略的可行性和有效性。

高壓隔離開關；智能組件；ARM；電磁干擾；抗電磁干擾策略

高壓隔離開關的智能控制已經成為變電站智能化系統的一個重要組成部分，是智能變電站中使用量最大的一次設備。在變電站內部，如雷擊、涌浪、VFTO等復雜電磁環境嚴重制約電網的正常調度、運行和維護，尤其不利于電網事故的快速處置和恢復，影響電網安全運行[1]。目前國內在高壓隔離開關的智能化控制上還處于起步階段，智能組件處理速度較低并且抗干擾能力不強，還不能滿足電網智能化數字化的要求[2]。

文中結合變電站實際工程需要，設計基于ARM的高穩定性、可靠性的高壓隔離開關智能組件。通過深入分析干擾機理，對硬件系統的抗干擾性能進行了多方面優化設計，提高了隔離開關智能設備的抗干擾能力和穩定性，為實現變電站綜合自動化奠定了基礎。

1 硬件總體系統

1.1 硬件總體設計

本文所設計隔離開關智能組件以LMS9D96作為控制核心，根據相關操作命令使高壓隔離開關打開、閉合或停止。在隔離開關傳動裝置上裝有旋轉編碼器，把旋轉編碼器采集的位置信號通過信號調理傳給控制器，通過實時的信號比較，以確定隔離開關是否到位。由于智能組件所處的工作環境較為復雜，考慮到控制器的正常工作條件，需要有溫濕度傳感器來檢測周圍環境的溫濕度，并采取一定的改善措施，如溫度過低或者濕度較大時，啟動加熱器風扇進行加熱或者除濕。硬件總體設計如圖1所示。

1.2 控制核心芯片

設計中采用的CPU為德州儀器（TI）公司的LM3S9D96，該芯片是基于ARM高性能的CortexTM-M3 32位的RISC內核，工作頻率為80MHz，內置512KB字節的閃存和96KB字節的SRAM，2個12位的ADC轉換、4個通用32位定時器和1個帶死區的PWM定時器，標準的2個I2C接口和SSI接口，工作溫度為-40～85℃[3]。本系統的CPU是針對工業應用方案設計的，其數據處理性能滿足本設計實時數據采集、數據處理和出口控制的性能要求，同時該片上系統SoC（SoCSystem on chip）還在片內集成了網絡控制芯片、支持IEEE1588硬件時鐘同步，片內程序存儲器和數據存儲器滿足應用要求，大大簡化硬件系統的設計，提高了控制系統的抗干擾性能和電磁兼容性能。

圖1 硬件總體設計框圖Fig.1 The diagram of hardwave general design

1.3 電機三相交流信號調理

電動機三路幅值220 V交流電壓及電流5 A經過微型精密互感器變化為幅值5 V交流電壓及20 mA電流，6路交流模擬量由信號調理器件完成調理并輸入芯片LM3S9D96，通過A/D轉換單元完成實時信息采集。電機三相交流信號調理電路包括信號入口處干擾抑制、微型精密互感器、濾波電路和電壓跟隨電路等部分組成，提高采樣信號的抗干擾能力，如圖2所示。

圖2 電機信號調理電路Fig.2 Motor signal conditioning circuit

1.4 溫濕度傳感器模塊

變電站所在環境溫濕度一般比較復雜，通過設計相應模塊提高設備的適用性能。該模塊采用閉環系統設計，裝置所設計的環境溫濕度傳感器采集工作環境的溫濕度上傳給CPU并與設定的值進行比較，若超出設定值則發出警告并采取措施進行降溫，若低于設定值則啟動加熱器進行升溫，保證裝置的可靠運行，溫濕度傳感器電路圖如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器電路Fig.3 The circuit of temperature and humidity sensor

2 電磁干擾源分析

隔離開關設備位于戶外變電站內，變電站的電磁干擾非常強烈。由于隔離開關在戶外一次設備內嵌入運行，可能存在的電磁干擾多種多樣，例如雷電引起的電氣暫態現象；高壓回路中絕緣擊穿放電引起的電氣暫態現象；靜電放電；設備開合操作引起的特快速暫態過電壓 （(VFTO-Very Fast Transient Overvoltage）；涌浪電流等等都容易造成運行設備自身損壞，影響變電站的可靠運行。基本電磁干擾現象如表1中所示。

3 硬件系統抗干擾策略

電力系統工作環境中有嚴重的電磁場干擾，這些干擾的特點是頻率高、幅度大，但是控制器是在時鐘控制下高速運行的，不能只是設置延時電路防止干擾，采取硬件抗干擾設計是必要的。因此，本系統分4個層次進行設計：1）電磁場屏蔽設計及接地系統的設計；2）濾波設計；3）隔離設計；4）PCB一級的設計。

3.1 電磁場屏蔽及接地系統設計

假設A是干擾源，B是工作的設備，它們對地點位分別為UA和UB，則UB=UAC1/(C1+C2+C4)，C1是A、B間的分布電容，C3、C4是插入屏蔽板后形成的分布電容，C3被屏蔽板短路到大地消除，B點的感應電壓分到C2和 C4上，因此，B點新的對地電位要比未加屏蔽板時的小得多，原理圖如圖4所示。

表1 基本電磁干擾現象Tab.1 Interference list of basic electromagnetic phenomena

圖4 電場屏蔽板原理Fig.4 The principle of electric filed shielding plate

根據電磁波的機理，電場和磁場是同時存在的，因此在屏蔽電磁波時，要同時對電場和磁場進行屏蔽[4]。從電磁屏蔽的角度上分析，選擇較好的導電率、較強的導磁率和較大的厚度可以更大程度上反射和衰減電磁波的干擾。本設計選用不銹鋼作為機箱的屏蔽材料，裝置的金屬機殼接地，同時金屬機殼與機箱之間接入較小的接地電阻。信號線選用屏蔽雙膠線可以提高設備的屏蔽能力，減少不對稱干擾的耦合，外部引線選用帶銅絲編織層的屏蔽電纜，這樣可以減小回路面積，抑制變化的電場芯線的靜電感應，更加削弱外部干擾磁通[4]。

在智能組件設備中，合理的接地可以保證電子、電氣設備的正常、穩定和可靠的工作，而且可以提高電路的精度。結合本設計中的電源地、信號地和屏蔽地，選取混合接地的方式提高硬件系統的抗干擾能力，將所有電源地線接到電源的總地線上，所有信號地線接到總信號地線上，同時數字地和模擬地分開，所有屏蔽底線接到屏蔽總線上，三根總地線匯總到公共的參考地。

3.2 濾波設計

濾波技術可以顯著抑制電磁干擾信號的傳導干擾，用電感和電容組成的π型濾波器可以將電源線上的高頻干擾導入地線，抑制共模干擾，裝置內部的零電位全部懸空，并用電磁密封襯墊搭接濾波器與機箱，減小射頻阻抗。抑制差模干擾的主要方法是交流輸入端接入低通濾波電路，電源線與地線之間接入去耦電容，同時在共模電感器后串聯兩只差模電感器，以增大差模電感，進一步抑制差模干擾信號[5]。信號電纜中設計鐵氧體電磁干擾吸收磁環可以有效抑制高頻噪聲干擾，提高設備抗靜電干擾能力。另外，濾波器與面板之間用短導線連接并用金屬板遮擋，隔離近場干擾[6]。系統的部分濾波電路如圖5所示。

圖5 濾波電路圖Fig.5 The circuit diagram of filter

3.3 隔離設計

本設計中采用三級隔離技術，對系統的輸入量進行隔離。第一級采用帶屏蔽層的隔離變壓器，衰減共模和差模干擾信號，防止高次諧波干擾對電網的污染，提高模擬量的輸入品質。第二級采用隔離運放，濾除電源中的浪涌、雷擊、VFTO等干擾信號，提高開關器件可控硅的抗沖擊和抗干擾能力。第三極采用光電隔離，開光量輸入電路接入兩級光電耦合器，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖被阻擋在輸入的一側，對傳導干擾有很好的消除作用。圖6、圖7、圖8分別為本設計采用的隔離電路圖。

3.4 印制板（PCB）一級的設計

印制電路板的布局與布線好壞對PCB的對長期工作在強電磁環境下的設備影響非常大，所以本設計在布局與布線前就考慮印制板的電磁兼容性問題。數字電路、模擬電路以及電源電路的元件的布局和布線特點各不相同，它們產生的干擾以及抑制措施也不相同。所以在元件布局時，將數字電路、模擬電路以及電源電路分開放置，避免模擬電路、數字電路和電源公共回線產生阻抗耦合，將高頻電路與低頻電路分開，同時縮短高頻元件之間的連線，減小分布參數相互之間的電磁干擾，輸入輸出元器件遠離高頻元件。此外，電磁干擾濾波器設計在干擾源附近，開關元件靠近隔離變壓器放置，將PCB板按照頻率和電流開關特性區分[7]。時鐘發生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都容易產生噪聲，要相互靠近放置。對于發熱量較大的元器件靠近通風口設計，提高系統的整體性能[8]。

圖6 帶屏蔽層的隔離變壓器電路圖Fig.6 The circuit diagram of isolation transformer with shield

圖7 隔離運放電路圖Fig.7 The circuit diagram of isolation amplifier

圖8 光電隔離電路圖Fig.8 The diagram of photoelectric isolated circuit

4 結束語

變電站智能化建設對我國的電網發展意義深遠，可靠的戶外高壓隔離開關智能系統對保障電網完全運行至關重要。隔離開關的智能組件硬件系統受變電站的電磁干擾強烈，硬件系統設計考慮稍有不周就會對其安全、可靠性運行造成很大影響。研究隔離開關的硬件抗干擾措施，提高其在復雜電磁環境下的抗干擾能力[9]有著現實意義。本設計結合工程中模塊化的設計思想設計控制器硬件系統，并充分考慮硬件系統的抗干擾等級，使隔離開關的智能組件具有更強的環境適應能力，對我國未來發展智能變電站的建設有著廣闊的應用前景。

[1]盧鵬.750KVGIS變電站VFTO特性分析 ［J］.電力建設，2011，32（1）：86-90. LU Peng.Anasysis on VFTO of 750 kV GIS Substation [J].Electric Power Construction，2011，32（1）：86-90.

[2]苑舜.高壓隔離開關設計與改造[M].北京:中國電力出版社，2007.

[3]黃志偉.32位ARM微控制器系統設計與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2010.

[4]王幸之，王雷等 .單片機應用系統電磁干擾與抗干擾技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006.

[5]錢振宇，史建華 .電氣、電子產品的電磁兼容技術及設計實例［M］.北京:電子工業出版社，2008.

[6]田廣坤，范如東等.高速電路PCB設計與EMC技術分析[M].北京:電子工業出版社，2011.

[7]顧海洲,馬雙武.PCB電磁兼容技術—設計實踐[M].北京：清華大學出版社，2004.

[8]錢振宇，史建華 .電氣、電子產品的電磁兼容技術及設計實例[M].北京:電子工業出版社，2008.

[9]喬登江.高功率電磁脈沖、強電磁效應、電磁兼容、電磁易損性及評估概論[J].現代應用物理,2013(3):219-224. QIAO Deng-jiang.High power electromagnetic pulse,highvoltage electrical magnetic,electromagnetic compatibility, electromagnetic vulnerability and assessment survey[J]. Modern Applied Physics,2013(3):219-224.

Design strategy of electromagnetic anti-jamm ing for hardware system of high-voltage disconnecting sw itch intelligent components

LI Shao-dong，HUANG Guo-bing，ZHANG Min
（College of electromechanical engineering,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China）

The High-voltage disconnecting switch intelligent components are key devices of intelligent primary equipment at substation,but they must face the complicated electromagnetic environment when they are embedded in primary equipment. This environment may lead to misoperation of disconnecting switch intelligent components.In order to improve antielectromagnetic interference capability of intelligent components,the paper proposes an improved hardware platform antielectromagnetic interference design conception.The electromagnetism environment located by intelligent components,sources of electromagnetic interference,mechanism of electromagnetic anti-jamming are analyzed in detail.Also the design compatibility of electromagnetic anti-jamming is studied,and the measures of electromagnetic anti-jamming should be taken in the hardware design of intelligent components system are summarized.Through the design of the hardware system for field test, the test result verifies the feasibility and effectiveness of electromagnetic anti-jamming strategy in the hardware system.

high-voltage disconnecting switch;intelligent components;ARM;electromagnetic compatibility;electromagnetic anti-jamming strategy

TN606

A

1674－6236（2015）07-0118-04

2014-08-05 稿件編號：201408018

西安工程大學研究生創新基金（chx2013035）

李少東(1988—)，男，陜西渭南人，碩士研究生。研究方向：機電控制技術。