【導(dǎo)讀】量度繼電器、繼電保護(hù)及自動(dòng)化裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)繼電器及裝置)隨著電子技術(shù)的發(fā)展已實(shí)現(xiàn)微機(jī)化及數(shù)字化。在電力系統(tǒng)惡劣的電磁環(huán)境中經(jīng)常受到電磁騷擾，出現(xiàn)電磁干擾的幾率很大，嚴(yán)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(tài)脈沖騷擾。本文從分析瞬態(tài)脈沖騷擾產(chǎn)生的原因著手，總結(jié)出各種瞬態(tài)脈沖騷擾的特征，提出抑制的方法。
引言
在電力系統(tǒng)的電磁環(huán)境中存在著一些短暫的高能量的脈沖騷擾源，這些騷擾對(duì)繼電器及裝置的正常工作有非常大的影響，嚴(yán)重時(shí)也要損壞元器件，甚至損壞設(shè)備以至于整個(gè)系統(tǒng)。這些騷擾源就稱(chēng)為瞬態(tài)脈沖騷擾源。產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖騷擾源的原因有：雷電放電、靜電放電、電力系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程等。常見(jiàn)的瞬態(tài)脈沖騷擾源有電快速瞬變脈沖群騷擾、靜電放電騷擾、浪涌(沖擊)騷擾及1MHz(100kZHz)脈沖群騷擾等。
瞬態(tài)脈沖騷擾的產(chǎn)生原因
2.1 瞬態(tài)脈沖騷產(chǎn)生的機(jī)理
在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電感負(fù)載電路的過(guò)程中，在電感上要產(chǎn)生反電勢(shì)。根據(jù)楞次定律：這個(gè)反電勢(shì)應(yīng)為。反電勢(shì)要向寄生電容C反向充電，隨著充電電壓的升高，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在觸點(diǎn)之間要出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，形成導(dǎo)電通路。一旦出現(xiàn)導(dǎo)電通路時(shí)，電容C就要開(kāi)始放電，使電壓下降，當(dāng)電壓降到維持觸點(diǎn)導(dǎo)通電壓以下時(shí)，觸點(diǎn)又將處于斷開(kāi)狀態(tài)。上述過(guò)程就要重復(fù)發(fā)生，此過(guò)程重復(fù)到觸點(diǎn)的間距大至電容上電壓不能使觸點(diǎn)間再擊穿為止。當(dāng)電容不能通過(guò)擊穿觸點(diǎn)放電時(shí)，就通過(guò)電感回路放電，直至電感中能量消耗完為止。
在上述過(guò)程中，電容C每次擊穿觸點(diǎn)時(shí)都要向電源回路反向充電，因此在電源回路上形成很大的脈沖電流，由于電源回路也有阻抗存在，脈沖電流通過(guò)電源回路時(shí)，在其兩端就要形成脈沖電壓，而共用此電源回路的其它的電路(或繼電器及裝置就要受到該脈沖電壓的影響。這就是瞬態(tài)脈沖騷擾形成的原因。隨著觸點(diǎn)間隙的變化，擊穿觸點(diǎn)間隙所需要的電壓是變化的。當(dāng)觸點(diǎn)間隙越來(lái)越大時(shí)，擊穿電壓越來(lái)越高。因此電容C上的電壓也要越來(lái)越高。當(dāng)觸點(diǎn)擊穿所需要的電壓越高時(shí)，電容充電的時(shí)間就越長(zhǎng)，振蕩波形的頻率就越低。
2.2 主要的瞬態(tài)脈沖騷擾的產(chǎn)生及特點(diǎn)
(1) 電快速瞬變脈沖群騷擾
電快速瞬變脈沖群騷擾是由于電路中斷開(kāi)感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的。它的特點(diǎn)是騷擾信號(hào)不是單個(gè)脈沖，而是一連串的脈沖群。一方面由于脈沖群可以在電路的輸入端產(chǎn)生積累效應(yīng)，使騷擾電平的幅度最終可能超過(guò)電路的噪聲容限。另一方面脈沖群的周期較短，每個(gè)脈沖波的間隔時(shí)間較短，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖波還未消失時(shí)，第二個(gè)脈沖波緊跟而來(lái)。對(duì)于電路中的輸入電容來(lái)說(shuō)，在未完成放電時(shí)又開(kāi)始充電，因此容易達(dá)到較高的電壓，這樣對(duì)電路的正常工作影響甚大。
電快速瞬變脈沖群騷擾源的電壓的大小取決于負(fù)載電路的電感，負(fù)載斷開(kāi)速度和介質(zhì)的耐受能力。
這類(lèi)騷擾電壓的特征是：幅值高、頻率高。當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，電感電路中的電流企圖繼續(xù)通過(guò)，在觸點(diǎn)之間產(chǎn)生高壓，并引起電弧的重燃，這樣就會(huì)產(chǎn)生一連串的電壓脈沖疊加到繼電器及裝置連接的電源上。
電快速瞬變脈沖群騷擾電壓主要是共模電壓。它是通過(guò)電容耦合間接傳輸至其它電路，當(dāng)由一個(gè)電路的電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)和第二個(gè)電路的導(dǎo)體交鏈時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電容耦合。
(2) 浪涌(沖擊)騷擾
浪涌(沖擊)騷擾是雷電在電纜上感應(yīng)產(chǎn)生的騷擾，它也可能在很大功率的開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)過(guò)程中產(chǎn)生。沖擊(浪涌)騷擾的特點(diǎn)就是能量很大，在室內(nèi)，浪涌(沖擊)電壓可達(dá)到6kV，室外可達(dá)10kV以上。浪涌(沖擊)騷擾不象電快速瞬變脈沖騷擾發(fā)生那么頻繁，但每發(fā)生一次產(chǎn)生的危害是十分嚴(yán)重的，甚至?xí)?dǎo)至電路以致于繼電器及裝置發(fā)生損壞。
(3) 靜電放電騷擾
由于人體在某些環(huán)境條件下，要產(chǎn)生靜電。當(dāng)人體接觸繼電器及裝置后就會(huì)對(duì)繼電器及裝置產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象，靜電放電雖然也屬于瞬態(tài)脈沖騷擾，但它的耦合方式與其它瞬態(tài)脈沖騷擾的耦合方式不同，一般瞬態(tài)脈沖騷擾的耦合方式都為傳導(dǎo)耦合，但靜電放電騷擾除了有傳導(dǎo)耦合外，還有輻射耦合。但從本質(zhì)上應(yīng)屬于輻射騷擾。靜電放電會(huì)導(dǎo)致繼電器及裝置嚴(yán)重?fù)p壞及工作失常。靜電放電能量傳播方式有兩種，一種是通過(guò)金屬體表面?zhèn)鞑ィ涣硪环N是通過(guò)激勵(lì)一定的頻寬的脈沖能量在空間傳播。
(4) 1MHz(100kHz)脈沖群騷擾
對(duì)電力系統(tǒng)量度繼電器、保護(hù)及自動(dòng)化裝置來(lái)說(shuō)，它屬于一種振蕩衰減波的騷擾。它的產(chǎn)生也是由于在其輔助電源回路中開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉過(guò)程中也要出現(xiàn)一個(gè)短暫的放電過(guò)程，在其過(guò)程中要產(chǎn)生一短時(shí)尖鋒的騷擾電壓，并以一連串的衰減振蕩波的形式出現(xiàn)。
1MHz(100kHz)脈沖群騷擾的耦合方式是以傳導(dǎo)騷擾為主的電磁騷擾，它主要是通過(guò)各種輸入導(dǎo)線(導(dǎo)體) 直接傳導(dǎo)傳輸?shù)嚼^電器及裝置上。同時(shí)也產(chǎn)生電感應(yīng)耦合或磁感應(yīng)耦合傳輸騷擾信號(hào)。
脈沖群騷擾電壓作用于產(chǎn)品主要反映為共模騷擾電壓和差模騷擾電壓兩種形式。[page]
瞬變脈沖騷擾的抑制方法
3.1 電快速瞬變脈沖群騷擾
(1)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)過(guò)程中所存在的問(wèn)題：
① 如果受試產(chǎn)品在電源端沒(méi)有良好的濾波性能，電快速瞬變脈沖群騷擾信號(hào)就會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)耦合進(jìn)入繼電器及裝置的電路中去。現(xiàn)在繼電器及裝置中的電子電路對(duì)脈沖騷擾是比較敏感的。如果電子電路中含有數(shù)字電路，對(duì)脈沖騷擾更為敏感度。進(jìn)入電子電路的電快速瞬變脈沖群的騷擾信號(hào)通過(guò)直接觸發(fā)和電感應(yīng)耦合，使電子電路工作異常。
② 對(duì)于進(jìn)入電路的電快速瞬變脈沖群騷擾信號(hào)還可以通印制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。由于任何地線都具有電阻和電抗，所以當(dāng)有電流通過(guò)就要產(chǎn)生電壓降。對(duì)于電快速瞬變脈沖群騷擾信號(hào)，其電流變化極快，并且含有大量高頻分量。根據(jù) ，可知在公共地線上很容易產(chǎn)生電位差。當(dāng)此電壓低于電路的抗擾度電平時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生干擾。否則就可能對(duì)共用的地線的其它電路產(chǎn)生騷擾。
③ 由于繼電器及裝置的綁線不合理，當(dāng)通過(guò)電快速瞬變脈沖群騷擾信號(hào)時(shí)也會(huì)引起騷擾。如強(qiáng)電和弱電回路的導(dǎo)線綁在一起或信號(hào)線與強(qiáng)電電源放在一起時(shí)，當(dāng)騷擾信號(hào)通過(guò)其中的電路時(shí)，由于電路之間的距離太近，它們之間相互耦合，產(chǎn)生“串?dāng)_”現(xiàn)象，造成繼電器及裝置的不正常工作。
(2) 抑制電快速瞬變脈沖群騷擾的方法
① 使用電快速瞬變脈沖群騷擾的濾波器和吸收器；② 減小印制線路板的地線共阻抗值；③ 將電快速瞬變脈沖群騷擾源遠(yuǎn)離敏感電路；④ 在軟件中加入抗騷擾指令；⑤ 正確使用接地技術(shù)；⑥ 合理布線，強(qiáng)電、弱電、信號(hào)線應(yīng)分別綁線，接入印制線路板的輸入、輸出線應(yīng)盡量短。
3.2 浪涌(沖擊)騷擾
(1) 浪涌(沖擊)騷擾的防護(hù)：
對(duì)于浪涌(沖擊)騷擾應(yīng)采用抑制浪涌的元器件來(lái)防范浪涌(沖擊)騷擾所產(chǎn)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(tài)抑制二極管，這些元器件屬于對(duì)瞬態(tài)瞬變脈沖的吸收器。
① 避雷管：又稱(chēng)氣體放電管，管內(nèi)充有一定種類(lèi)和一定數(shù)量的惰性氣體，當(dāng)浪涌電壓出現(xiàn)時(shí)管內(nèi)的惰性氣體被電離，形成短路狀態(tài)。于是避雷管兩端電壓迅速降低到一個(gè)很低的電壓值，它使大部分的浪涌騷擾所產(chǎn)生的騷擾能量被泄放掉了。這就是避雷管抑制浪涌(沖擊)騷擾的工作原理。
避雷管具有很強(qiáng)的吸收浪涌電流能力的特點(diǎn)，它能承受的電流大，同時(shí)產(chǎn)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(dāng)加在壓敏電阻兩端上的電壓低于標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，它的電阻幾乎是無(wú)窮大；一旦超過(guò)其電壓值后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，并將浪涌電壓的幅度限制在一定的幅度內(nèi)，整個(gè)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)。
壓敏電阻的引線的感抗會(huì)影響壓敏電阻的高速響應(yīng)的特點(diǎn)，引線越長(zhǎng)， 由引線電感產(chǎn)生的附加感應(yīng)電壓越大。因此在采用引線安裝壓敏電阻時(shí)要求其安裝引線越短越好。
③ 瞬態(tài)抑制二極管(TVS)：瞬態(tài)抑制二極管全稱(chēng)是硅瞬變電壓吸收二極管。它具有極快的響應(yīng)時(shí)間和非常高的浪涌吸收能力，可用于保護(hù)繼電器及裝置或電路免受靜電、切斷電感負(fù)載以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖騷擾。在正常時(shí)，瞬態(tài)抑制二極管是不工作的，當(dāng)出現(xiàn)了瞬態(tài)脈沖騷擾(包括沖擊浪涌)時(shí)，器件中的硅PN結(jié)的雪崩效應(yīng)，使瞬時(shí)過(guò)電壓的尖峰以箝位；方式限制在電路可以允許的范圍內(nèi)。這就是瞬態(tài)抑制二極管的二作原理。
3.3 1MHz(100kHz)脈沖群騷擾
1MHz(100kHz)脈沖群騷擾的危害性比電快速瞬變脈沖群騷擾要小，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(dǎo)騷擾為主的騷擾源。因此抑制1MHz(100kHz)脈沖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 采用浮地屏蔽法；②采用平衡電路法；③采用隔離變壓器和共模扼流圈法；④采用光電耦合方法；⑤采用輸入濾波器方法
2)差模騷擾的抑制方法
① 采用雙絞線的輸入方法(使干擾電勢(shì)互相抵消)；② 采用屏蔽接地方法(抑制電場(chǎng)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(chǎng)騷擾的影響)
3.4 靜電放電騷擾
靜電放電騷擾的防護(hù)有如下方法：
(1)按電磁兼容設(shè)計(jì)的原則設(shè)計(jì)一個(gè)完整的封閉金屬導(dǎo)體外殼，但從電路到殼體之間還可能產(chǎn)生二次燃弧，發(fā)生傳導(dǎo)耦合，因此在設(shè)計(jì)外殼時(shí)，在金屬屏蔽體外再設(shè)計(jì)一個(gè)絕緣外殼，以加強(qiáng)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(dǎo)體接觸絕緣導(dǎo)體，就不會(huì)發(fā)生靜電放電現(xiàn)象。另一方面，大多數(shù)外殼在保持完整性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)有孔洞、排氣口、螺桿等。對(duì)于這些殼體上的開(kāi)孔，應(yīng)遵循采用“用幾個(gè)小孔代替一個(gè)大孔”的原則，對(duì)抑制電磁發(fā)射更有利。對(duì)外殼有縫隙邊沿存在時(shí)，應(yīng)在兩縫隙間采用電連接，以減小電磁噪聲。
(2)為繼電器及裝置設(shè)計(jì)一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，即為靜電放電電流提供一個(gè)低阻抗的放電路徑，并將放電電流有效地限制在此路徑中。
(3)采用濾波方式，阻止幅射騷擾耦合到繼電器及裝置中。一般濾波器應(yīng)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(guò)印制線路板的設(shè)計(jì)來(lái)提高系統(tǒng)的靜電放電抗擾度的能力，印制線路板上的印制線可以成為靜電放電中產(chǎn)生電磁發(fā)射的天線。為了降低這些天線的耦合作用，在設(shè)計(jì)印制線路板上的印制線時(shí)應(yīng)盡可能的短，印制線包圍的面積應(yīng)盡可能的小。在設(shè)計(jì)時(shí)，所有的元器件應(yīng)均勻分布印制板的整個(gè)區(qū)域，以減小共模耦合。使用多層印制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(duì)電纜進(jìn)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(shí)，電纜也應(yīng)能提供一個(gè)低阻抗的通道。
(6)在繼電器及裝置的軟件設(shè)計(jì)中增加對(duì)靜電放電抑制措施，它對(duì)繼電器及裝置工作嚴(yán)重失常是有效的方法。這些措施有“刷新”、“檢查”并“恢復(fù)”等。“刷新”過(guò)程涉及到周期性復(fù)位到休止?fàn)顟B(tài)，并刷新顯示器和指示器狀態(tài)。“檢查”過(guò)程用于決定程序是否正確執(zhí)行，它們?cè)谝欢ㄩg隔時(shí)間被激活，以確認(rèn)程序是否在完成某個(gè)功能。如果這功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，一個(gè)“恢復(fù)”程序被激活。
