礦用移變用永磁式高壓開關主控器的抗干擾設計

龐 飛

（晉城金力電氣有限責任公司，山西 晉城 048000）

晉城金力電氣有限責任公司采用ABB 公司生產的VS1 永磁斷路器作為高壓開關的本體，該斷路器分合閘時間短、速度快、分斷能力強、穩定行高，分合閘時間的誤差可控制在±1 ms 之內，但是該斷路器的釹鐵翎永磁體在分、合閘瞬間可產生極強的磁場，對開關腔體內空間和線路會造成很強的干擾，導致設計的高壓開關主控器在合、分閘時出現短暫的“死機”現象，這時開關的所有保護將失去作用。因此，主控器的抗干擾處理成為該項目急需解決的難題。

1 永磁式高壓開關干擾分析

永磁斷路器合、分閘瞬間產生的強輻射電磁場對主控器的干擾主要存在兩個方面。

1.1 空間干擾

強電磁輻射傳輸是通過空間以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規律向四周空間發射。項目設計之初，為了減少線路，開關本體采用模塊化設計結構，將高壓開關的主控器放置于斷路器框架內，但是主控PCB 板為普通盒子封裝，未針對性地做電磁屏蔽處理。斷路器永磁體距離主控器空間近，瞬間的強磁場會對主控器的元器件性能造成干擾，影響系統的正常工作。

1.2 傳導干擾

經反復測試，高壓開關在空載時操作，主控器出現“死機”現象相對較少，但是帶1000 kVA 變壓器本體進行分、合閘，主控器“死機”頻率非常高。帶載操作時，瞬間電流變化很大，會引起電流浪涌，隨之瞬間的磁場突變，在金屬導體上感應出很強的感應電壓，由于斷路器的控制電源和主控器電源來自同一控制變壓器，該瞬態干擾脈沖通過電源線路施加至主控器的電源模塊，會造成主控器的供電故障，以致瞬間不工作，該干擾也會影響PCB 板上的電子元件和模擬電路。

2 主控器存在的問題

通過上位機編程器對主控器程序動作時的數據進行實時監測，分、合閘瞬間，編程器與主控器通信立刻中斷，動作完畢后，經過5 s 左右的時間，程序會自動恢復工作，顯示一切正常，這意味著動作時DSP 主芯片會停止工作。

DSP 的電源電壓可能在帶載動作時出現異常，采用示波器對主控器DSP 芯片的電源波形進行捕捉，正常工作時為3.3 V，運行正常。分閘時捕捉的波形如圖1，電源電壓瞬間可達到10 V 以上，達到正常電壓時的3 倍，且高次諧波較多。合閘時的電源波形如圖2，瞬間電壓也可達到10 V，但持續時間較短，也驗證了分閘時主控器“死機”的概率高于合閘。因此，主控器出現異常的原因是由DSP電源受到脈沖干擾所致。

雖然干擾的時間很短，但是分、合閘瞬間是負載變化最大的時期，也是設備出現故障的高發期，如果主控器在分、合閘瞬時無法檢測到漏電、短路、過載等故障，該設備將非常容易損壞。

圖1 分閘瞬間電源波形

圖2 分閘瞬間電源波形

3 主控器采取的抗干擾措施

3.1 空間屏蔽

將主控器與永磁斷路器本體分開布置，減少空間電磁干擾[1-2]。開關內部線路采用屏蔽雙絞線連接，并做一端接地（盡量選擇主控器遠端）。主控器外殼采用純鐵等導磁性好的材料制作，將塑料航插更換為金屬航空插頭。

3.2 PCB 板改進

（1）PCB 板上存在數字、模擬電路、高、低電壓電路，需合理布局。互感器等高電壓、大電流信號布置盡量靠近航空端子接口處，以盡量減少導線上的干擾。電路功能相近的可放置于一塊，可有效抑制噪聲。PCB 板布置如圖3，開關量放置于通訊模塊上方。

圖3 PCB 板布局圖

在DSP 系統板上方增加電感、磁珠屏蔽層，增加空間屏蔽。所有輸入、輸出回路采用光耦隔離，光耦兩端的進出線要分開布置，否則會降低隔離效果，如圖4。

圖4 重新設計后的主控板

（2）PCB 布線要保證電磁兼容性，設計原則如下：

① 同一信號線的回路面積最小，可以減少磁場的耦合。

② 信號走線時，不能靠太近且不能平行鋪設，最好相互垂直布設。

③ 時鐘電路布線時，減少過孔，盡量在同一層走線，避免時鐘信號的衰減、反射等。在其周圍布設大的地線面，將其與高頻或模擬電路隔開。

④ PCB 板上空余的地方要敷銅網，與地線相連，可降低地線阻抗，穩定電源和信號傳輸，且可減少高頻信號的電磁干擾。

3.3 接地處理

高壓開關的主控板中存在很多模擬和數字信號，數字信號的噪聲可沿線路和地對模擬地產生高頻信號耦合，影響模擬信號的采集精度。主控器的PCB 為雙層板設計，無法設計成完整的地平面，需采用分布式共地的方法進行工作接地，提高PCB 電路的抗干擾能力，減少數字電路與模擬電路的相互干擾。

3.4 軟件設計

主控器主芯片TMS320F28335 內置了可編程看門狗WDT，程序每隔200 ms，復位一次WDT。如果DSP 被干擾，程序未正常運行，WDT 不再被周

期性復位，這時系統軟件進入復位狀態。通過設置看門狗控制寄存器對軟件自動復位，可防止程序因各種原因進入死循環，也可避免控制器誤動作。

4 效果應用分析

高壓開關按照新的要求改進后，依據國家標準和企標對移變做性能試驗和出廠檢驗，滿足所有的標準，解決了運行過程中遇到的干擾問題，并在晉煤集團趙莊煤業5103 工作面進行了為期9 個月的井下工業性試驗，期間運行穩定，未出現任何異常。

5 結 語

永磁式高壓開關的抗干擾處理在項目設計初期未考慮全面，導致后期進行了大量的整改工作，雖然增加了產品的設計成本，但是產品在各類場合使用時，穩定性大大增強，以上所述的抗干擾設計不僅可用于井下移動變電站項目，也適用于變頻器類存在高次諧波干擾強的設備中。