基于计算机技术的电力自动化设备电磁兼容问题探讨 国电自动化研究院 国家电网公司自动化设备电磁兼容实验室 袁春牧 摘要:本文从计算机的电磁干扰分析入手, 对基于计算机技术的微机型电力自动化设备的电磁兼容问题进行了讨论, 指出了企业在产品开发过程中遇到电磁兼容问题时应持有的态度和应对的手段，同时总结出电力自动化领域常见的瞬态脉冲骚扰的特性及抑制措施。 关键词：微机型 电力自动化产品 电磁兼容 可靠性 瞬态脉冲骚扰
一、概述 随着科学技术的进步, 人们已进入信息化社会。当前人类的生存环境已具有浓厚的电磁环境内涵，日益严重的电磁环境对人类生活依赖的通信、计算机与各种电子系统造成的危害越来越明显和严重。为此，世界各国均十分重视电磁兼容问题，从而促使电磁兼容技术成为一个迅速发展的新学科领域。 电力系统中微机型产品的应用愈来愈广泛，并已成为电力系统自动化控制类产品的发展方向。但是电力系统是一个非常复杂的系统，其电磁环境亦非常恶劣，以微处理器为核心的微机型产品很容易受到这些电磁干扰而导致误动、拒动、数据丢失或死机等故障，给电力系统的安全经济运行带来非常严重的事故隐患。因此，在这里针对计算机中的电磁兼容问题作一讨论很有必要。 二、计算机中的电磁兼容问题 计算机电磁兼容性问题具有一般电子设备的共性，又有其突出的特点。它既是一个敏感设备，又是一个干扰源。它是低电平电子系统，从电磁兼容的角度而言，主要是一个敏感设备。它的主要电路是数字电路，数字电路的逻辑元件都有一定的阀电平和与之相对的干扰容限，因而它不会响应低于容限的干扰，但对于其所受到的高于容限的干扰的破坏却没有恢复功能。计算机主要由脉冲数字电路和工作于开关状态的电路组成，所处理的是脉冲信号,易受外界脉冲干扰的影响，同时也向外界产生干扰脉冲。脉冲信号具有很宽的频谱，计算机的主频也有很宽的范围，包括长波、中波、短波、米波及分米波等很宽的波段，并与电力电子设备、广播、电视、通信、雷达等的基本工作波段相同，这就使计算机工作在一个相当复杂的电磁环境中，同时也在很宽的波段内向外界辐射和泄漏电磁干扰，有人对未采取防漏措施的微机进行过测量，结果表明在很宽的波段内泄漏均显著的超过规定标准的极限值，在低频段和主振频率及其倍频附近尤为严重。 计算机的外界干扰主要来源是射频干扰、工频电源干扰、静电干扰及雷电干扰等四类，提高计算机系统的抗干扰能力的措施概括起来主要有几个方面。首先从硬件、软件设计着手提高系统自身的抗干扰能力，在硬件设计中进行EMC设计，综合采用各种抗干扰措施，在软件设计中，利用冗余技术、容错技术、标志技术、数字滤波技术都是有效方法，逻辑电路技术与软件技术的巧妙结合，可以用来作为抑制噪声的有力工具。其次屏蔽接地是提高计算机抗干扰能力的又一有力措施，屏蔽包括机房屏蔽、整机屏蔽、元器件之间的屏蔽和隔离，电源的进线及传输线的输入线和输出线也应屏蔽接地。系统与机房不仅要有良好的接地，而且要有针对性对交直流接地、高频接地、防雷接地和安全接地进行合理设计。此外，滤波也是抑制传导耦合干扰的重要方法。电源线滤波器可以显著降低来自供电网的干扰，在屏蔽体的出入口或导线的适当位置安装滤波电路也是非常必要的。采用光技术能传输高密度信息不易受电磁感应噪声影响，是提高计算机抗干扰能力的途径。 三、电力自动化产品的电磁兼容性能的质量控制 以上论述了计算机遇到的电磁干扰问题，与此相似，电力系统中的电磁干扰也是由三个要素组成：传导和辐射电磁能量的干扰源，干扰的传输途径和对干扰敏感的接受设备。要使产品不受电磁干扰，在产品设计中就要从分析干扰源、干扰传输途径以及被干扰对象出发，根据产品性能要求采取有效措施，抑制干扰源，消除干扰的耦合通道和提高设备的抗干扰能力。 由于电力系统是由大量的一次设备和二次设备组成的，应用于这样一个复杂系统的微机型产品，其电磁干扰来源也是非常复杂的，其主要来源有：高压开关操作；雷电；短路故障；电晕放电；高电压、大电流的电缆和设备向周围辐射电磁波；高频载波、对讲机等辐射干扰源；附近的电台、通信等产生的电磁干扰；静电放电等。 在电磁兼容的认证和检测工作（主要是电力系统中的二次设备尤其是微机型、数字集成化产品如高低压输电线路保护设备、远动控制、监测装置、电源、载波收发信机、远程自动抄表系统等）的实践中，我们还发现企业的试验样机已经整改合格后，但抽样批量生产的样机仍然发现不合格。还有已经取得过电磁兼容认证的产品，在市场抽查中也发现了不合格。因此，企业产品系列的电磁兼容问题，不是某个产品在某一时间的短期行为（如办个认证证书），也不是某几个技术主创人员单靠技术攻关就能彻底解决的，它实际上需要企业领导的重视和参与，在设计、生产、管理上付出大量的人力、物力的一个系统性的工程。 近年来，我国电力自动化产品、电子产品的质量及可靠性得到了大幅度地提高，但是产品电磁兼容质量及可靠性却并没有完全得到企业领导的高度重视。这里可能有三个方面的原因，一是电磁兼容问题不象其它技术指标那样能够明显地让用户感觉到，对产品短期的销售并没有多大的影响；二是企业领导和技术人员对电磁兼容问题的危害性并不了解；三是企业不愿意花费相应的的人力、财力来处理电磁兼容问题。但是，事实是电子、电力产品的电磁兼容问题的管理已经或正在走上强制化、标准化和国际化的道路，它是一个客观存在，产品的电磁兼容性是产品性能可靠性的一部分，而产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。因此，必须把它作为企业产品设计与生产过程中的一个重要环节来认真对待。 产品电磁兼容的可靠性设计是建立在大量的试验、统计和分析基础之上的，根据大部分企业目前的情况，应该把现有的与产品电磁兼容可靠性有关的各项工作以产品电磁兼容可靠性设计为主线贯穿起来，可以采取一边深入一边扩展的策略。具体来说，首先委任一名电磁兼容工程师统筹工作，参照《电磁兼容认证体系要求》制订出电磁兼容可靠性深入发展计划，比如制订电磁兼容预兼容设计、电磁兼容关键元器件的确定以及生产过程控制的计划。要体现出对电磁兼容性的有效控制，就必须有相应的手段和措施，生产部门从开发部门接受产品时需要考虑有没有电磁兼容性能验收的程序，有没有生产过程的抽样检验程序等。如果没有检验手段,有没有具体措施来保证电磁兼容性的有效控制,如委托有电磁兼容检验能力的权威质检机构进行验收检验和抽样测试等。电磁兼容比较依赖于实验，因此对于从生产定型和生产许可证的电磁兼容测试以及市场监督抽查反馈回来的数据，认真分析总结经验逐步建立和完善本企业电磁兼容可靠性控制的质量体系。而作为企业委任的电磁兼容工程师，应该能根据从生产和销售反馈回来的数据分析和总结找出产品电磁兼容可靠性的薄弱环节，并制订相应的提高产品电磁兼容可靠性的对策。可靠性设计关过后，就是在生产环节上紧密按照设计意图来加以具体化。 生产过程中产品可靠性保证的最主要手段是电磁兼容的可靠性控制。可靠性控制的第一个环节应该是设计控制。对于有开发能力的企业，电磁兼容的性能主要在开发阶段来控制，尤其是产品的元件布局和排版阶段，这是设计过程中电磁兼容控制的关键阶段。线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往使线路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。由于受外观和结构的限制，电源线端口、信号输入输出端口、面板上微动开关等的位置已固定，因此在考虑各部分电路的总体布局时，应该使各种功能级集成块与其输入输出负载的路径最短，特别是传输脉冲数据信号的导线。脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。非常遗憾的是我们大多数企业由于开发周期愈来愈短的压力，都把这个阶段的时间压缩得很短，无法进行全面细致的检查和评审工作，导致到了产品认证的最后阶段才发现元件布局和排版的缺陷，从而不得不投入大量的人力和物力来整改，造成欲速而不达的局面。 可靠性控制的第二个环节是文件和资料控制。企业应根据最新的电磁兼容标准形成自己的电磁兼容文件, 如企业标准的电磁兼容部分, 企业的电磁兼容控制作业指导书等, 国家标准或国际标准并非针对各企业特定的产品，企业应根据自己产品的特点制订一个合适的标准限值控制裕度，如果没有一定的测试裕度，在生产中就很难控制保证80%的置信度。如果设置的裕度量太大，又会造成不必要的成本浪费。电磁兼容的标准更新较快，测试条件要求严格，如果企业对执行标准的有效性有不明确的地方应及时向权威机构咨询，适时更新本企业的执行标准。 其次是采购控制，元件的采购一般都有一个质量确认的过程，整机厂家应主动向元件供应商提出电磁兼容的性能要求，有条件的要求元件供应厂家提供第三方的检验证明。 最要脚踏实地做好的工作是过程控制，如果一个产品的设计通过了电磁兼容型式认可的话，生产过程只要严格按照设计文件操作就可以了，关键工序的控制和其他的质量管理控制没有什么不同，设计文件中一般包括一份设计规格书，对屏蔽、关键件安装、扎线等工艺作了明确的图示，如果没有应向设计部索取。日常生产的抽样检验和试验应该坚持，及时发现问题反馈给设计部门以消除隐患。 必须严格把关的是关键件控制，关键件的控制主要是在确认新的元件供应商时应作相应的电磁兼容测试，生产过程中这些元件必须经过专门的电磁兼容责任工程师审核和确认后才可以更换。 最后是电磁兼容性能的一致性保证，生产过程中元器件更改和替换是常有的事，如果要求生产的产品和认证的样机具有同样的电磁兼容性能，实现这一点有一定的难度，但可以通过完善控制程序，使更改后的电磁兼容性能不致降低。为了保证生产的产品性能与认证样机一致，控制的主要环节是企业必须指定一个电磁兼容质量负责人，他应对更换和替代的元件进行审核和确认，如无法确认，则应将更改后的样机与认证样机进行测试比对来确定。 四、改善电力自动化设备电磁兼容性能的途径 在产品研发过程中，需要专门由研发人员和电磁兼容工程师专门针对电磁兼容问题进行合作，共同攻关。其内容主要是针对电力系统最常见的干扰采取相应的抑制措施，这些干扰为：静电放电、快速瞬变脉冲群、高频干扰、雷击浪涌干扰（统称瞬态脉冲干扰）等，此外，还有一些诸如电晕放电；高电压、大电流的电缆和设备向周围辐射的电磁波；高频载波、对讲机等辐射；附近电台、通信站等的辐射骚扰；以及来自供电线路的谐波、电压暂降、突降等“电能质量”方面的干扰。研发人员如何在设计、生产产品的过程中，完善产品抵抗干扰（抗传导、抗辐射）的能力，就是一项很细致、很具耐心的工作。根据近几年的实践工作，总结出产品研发过程中的电磁兼容设计所应遵循的一些要点。只要在产品研制中，贯穿和遵循这些细则，相信对提高产品的电磁兼容要求, 能起到事半功倍的效果。 这里以条例的方式一一列出，为了清晰明了，把它们归为方案设计、结构设计、电路与线路板设计、电缆设计四种类别。 1、 方案设计 1) 明确所开发的设备或系统要满足的电磁兼容标准. 有时根据用户的要求或实际情况（例如，周围有高灵敏度的接受机，或产生强干扰的设备），需要提出专门的电磁兼容要求， 2) 设计接口电路，尽量使用平衡电路，必要时，可以在接口电路上使用隔离变压器、光耦合器件等提高抗共模干扰的能力。 3) 电路中尽量避免使用高速的脉冲信号，脉冲信号的上升/下降沿尽量平缓，模拟电路的带宽尽量窄。 4) 尽量使用大规模集成电路，这样可以获得很小的环路面积，提高抗扰性和减少发射。 5) 确定系统中的关键电路部分，包括：强干扰源电路、高度敏感电路，考虑对这些电路采取隔离措施（局部屏蔽、滤波）。 6) 根据系统工作原理和地线设计原则，画出系统地线图，不同性质的电路使用不同的地线，不同的地线用不同的符号表示。 7) 确定需要采取那些干扰抑制措施，例如屏蔽、滤波等，需要屏蔽的效能和滤波性能（包括频率范围、衰减量等）。 8) 电缆线分组，将信号线按高频、低频、数字、模拟、电源等特性分组，不同组的信号不要安排在一根电缆内，否则不但容易造成相互干扰，而且不利采取滤波措施。 2、 结构设计 1) 首先确定制造屏蔽机箱的材料，看是否有低频磁场的屏蔽要求，如果没有，可以选择铜、铝、钢等常用的材料做屏蔽材料。如果有，需要采用合金等高导磁率的材料。 2) 确定机箱上需要低阻抗搭接的部位，对于永久性搭接，最理想的方法是焊接。对于非永久性搭接的方法是, 一般采用电磁密封衬垫，选用什么种类的电磁密封衬垫，综合考虑屏蔽效能、密封衬垫的安装方式、电化学相容性、价格的因素。 3) 进出屏蔽机箱的电缆是否采取了措施，例如屏蔽或滤波（屏蔽一般对频率较低的干扰作用较好，高频时效果取决于屏蔽电缆的结构和屏蔽层的端接方式），电缆的屏蔽层与电缆两端的机箱是否满足“哑铃模型”的要求。 4) 对于传输频率较低的信号的电缆，或一端没有屏蔽屏蔽体的电缆，在电缆端口处采用滤波是最好的解决方案。 5) 如果使用了滤波连接器或滤波阵列板，在它们与机箱之间要安装电磁密封衬垫。 6) 电源线滤波器的外壳要直接搭接在金属机箱上，电源进线要尽量短。 7) 机箱上的缝隙或孔洞应尽量远离强辐射源（例如导线、电缆、线路板等）或敏感电路。 8) 显示窗口的处理：如果使用屏蔽玻璃，在屏蔽玻璃与机箱之间必须使用电磁密封衬垫。 9) 对静电放电路径附近的敏感电路进行电磁屏蔽，屏蔽层接到电路地上。 10) 如果所采用的是非屏蔽机箱，要在电缆入口处设置一块较大的金属板，为电缆接口处的滤波、电缆屏蔽层端提供条件。 3、 电路与线路板设计 1) 线路板层数的确定，综合考虑电磁兼容性要求和成本，成本允许时，尽量使用四层以上的线路板，设置一层地线面。 2) 对于多层线路板，要使高速信号、高敏感信号与地线层相邻布置。 3) 按照电路的工作频率、电平大小、数字电路/模拟电路划分，将不同性质的电路分别布置在线路板的不同区域，使干扰电路与敏感电路远离。 4) 不同区域的电路使用不同的地线和电源，不同的地线和电源在一点上连接起来。 5) 时钟信号的回路面积必须尽量小。 6) 高速时钟线要尽量短，并且不要换层布线，拐角不要90度，以避免阻抗发生突变，造成信号反射。 7) 所有的走线，如果它的长度（英寸）大于信号上升/下降时间（ns），应该使用端接电阻（典型值为33欧）。 8) 高速时钟电路尽量远离I/O端口，防止高频信号耦合到电缆上，借助电缆产生共模辐射。 9) 在I/O区域将逻辑地与机壳以非常低的阻抗连接起来。 10) 安装在线路板上的I/O接口滤波器，要尽量靠近电缆进出口，使滤波器与电缆连接器之间的连线最短。 11) 将所有I/O电缆进共模滤波，将所有I/O电缆集中在线路板的设定I/O区域。 12) 作为I/O接口滤波的旁路电容与机壳之间的连接必须阻抗很低。 13) 电源解耦电容与芯片电源引脚和地线引脚之间的引线尽量短。 14) 使用多只相同容量的电源解耦电容。 4、 电缆设计 1) 情况允许时，使用双绞线，但使用双绞线时，注意两端电路的接地，不要形成较大的地线环路。 2) 使用同轴电缆时，注意外层的端接和两端电路的接地，不要形成除了外层以外的第二条回路路径。 3) 电缆远离屏蔽体上的缝隙、开口。 4) 电缆上安装铁氧体磁环，根据需要调整绕在铁氧体磁环上的导线匝数。 5) 尽量不将性质不同的信号线安排在一个连接器或电缆中。 五、结束语。 综上所述，电力系统微机型产品正日益成为自动控制类的主流产品，并直接面对以传导和辐射方式来自电网、周边环境和供电电源的形形色色的电磁干扰。对于具有一定规模的设备生产企业来说，都必须清楚地认识到应当将产品的电磁兼容性能作为产品质量可靠性的一个重要的组成部分，从产品的开发阶段到批量生产阶段都应一直贯穿电磁兼容性这一理念。由于企业各自产品的功能及结构的不同，则采用的抗干扰方法和控制手段也相应不同，需要根据产品的特点灵活采用。 | 
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发表于 2006-11-28 08:55:42
