开关器件通断瞬间电磁干扰危害之一二实例

高压开关柜继保装置电磁干扰案例分析张恺发布时间：2021-08-27T06:41:27.462Z 来源：《基层建设》2021年第16期作者：张恺[导读] 近年来，微机综合保护测控装置因其集成测量、控制、保护、通讯一体化等特点国网山西省电力公司检修分公司山西太原 030032摘要：近年来，微机综合保护测控装置因其集成测量、控制、保护、通讯一体化等特点，在地铁牵引供变电系统中得到了广泛使用，但在工程案例中，装置本身电磁敏感元件受干扰致使测控装置死机重启的案例也时有发生。

电磁干扰传播途径主要源于高压变电所内电磁空间辐射、二次线缆耦合及不可靠接地线的电磁感应三个方面，其中任一方面较高的电磁干扰水平都会造成继保装置重启、误动或拒动等各种异常情况出现，这种电磁干扰甚至可以直接造成这些元器件的损坏，严重影响电网系统的安全稳定运行。

关键词：强电磁干扰；传输途径；非正常重启；解决方案一、案例初步分析1.1电磁干扰源研究在给定的系统中，电子元器件电磁干扰来源主要体现在系统结构及运行环境两个方面。

伴随着大量高速半导体器件的发展应用，装置本身电路（如微处理器、微控制器、传送器、静电放电和瞬时功率执行元件）产生的谐波干扰高达300MHz，这种干扰是由系统结构、元件布局和生产工艺等所决定的，也是内在因素；外在运行环境方面，城市轨道交通供电系统中主要体现在交直流电源的稳定性、一次回路的强电场、强磁场、直流系统杂散电流、接地系统、列车频繁取流及开关柜操作对电场的影响等多个方面，当然也包括电话机、对讲机及机电设备使用造成的辐射干扰。

某线33kV馈线微机保护测控单元F650在33kV母线带电状态下，操作隔离开关受电磁干扰重启，若在母线无压时进行操作，则不会发生。

综合比较分析受电磁干扰重启F650运行内外部环境、系统结构、交直流电源的稳定性、一次回路电磁场、直流系统杂散电流、接地系统、列车频繁取流及开关柜操作对电场的影响等多个方面信息，可确定的是电磁干扰源来自于母线有压空载时对隔离开关的操作。

隔离开关的电磁干扰和抗干扰设计方法隔离开关是一种常用的电气设备，用于控制电路的通断。

在实际应用中，隔离开关可能会受到电磁干扰的影响，导致其正常工作受到影响甚至失效。

因此，为了保证隔离开关的可靠性和稳定性，我们需要对其进行电磁干扰的分析，并采取相应的抗干扰设计方法。

首先，让我们先来了解一下隔离开关的工作原理。

隔离开关一般由电磁铁、触点和联锁机构组成。

当电磁铁得到控制信号时，电磁铁能够产生磁场，使得触点闭合或断开，从而实现电路的通断控制。

然而，这种工作原理同时也让隔离开关容易受到电磁干扰的影响。

电磁干扰是指在电磁环境中，外部的电磁场或电磁信号对电气设备的干扰。

对于隔离开关而言，主要的电磁干扰包括电磁波辐射干扰、电磁感应干扰和电磁静电干扰。

针对电磁波辐射干扰，我们可以采取一些有效的措施来减少其对隔离开关的影响。

首先，隔离开关的设计应尽量减小电磁波辐射，例如通过合理布局和分隔触点阵列、采用屏蔽罩等方式。

此外，也可以通过使用滤波器来消除电磁波辐射干扰，滤波器的设计要考虑到隔离开关的工作频率和所需的滤波效果。

电磁感应干扰是由外部电磁场或电磁信号在隔离开关中产生感应电流而引起的。

为了减少电磁感应干扰，可以采取以下的抗干扰设计方法。

首先，可以通过在隔离开关周围设置屏蔽板来阻挡外部电磁场的进入。

其次，可以选用低电容、高电感的元件来减小感应电流的大小。

此外，还可以采用差模信号传输方式，并配合差模滤波器和差模放大电路来消除电磁感应干扰。

电磁静电干扰是由电荷或电场在隔离开关中产生的干扰。

为了抑制电磁静电干扰，可以采用一些静电屏蔽措施。

例如，可以在隔离开关的外部表面搭建静电屏蔽罩，屏蔽罩的导电性能较好，可以将电磁静电场导向地面。

此外，在隔离开关的设计中还可以采用绝缘隔离层，以隔离电磁静电场和电气元件之间的干扰。

除了以上的设计方法外，还可以通过合理的布线和接地设计来减小电磁干扰的影响。

首先，隔离开关的电源线和信号线要分开布置，避免相互干扰。

开关电源电磁干扰源分析一、引言电磁兼容性(EMC)是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下不因电磁干扰而降低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于规定的极限电平，不影响其它电子设备或系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。

世界各国都相应制定了自己的EMC标准。

比如国际电工委员会的1EC61000及(C1SPR系列标准、欧洲共同体的FN系列标准、美国联邦通信委的FCC系列标准和我国现行的GT3/T13926系列EMC标准等。

随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能越来越受到重视。

开关电源作为一种电源设备，其应用越来越广泛。

随着电力电子器件的不断更新换代，开关电源的开关频率及开关速度不断提高，但开关的快速通断，引起电压和电流的快速变化。

这些瞬变的电压和电流，通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合，会产生大量的电磁干扰。

二、开关电源的干扰源分析开关电源产生的电磁干扰(EMI)，按耦合通道来分，可分为传导干扰和辐射干扰;按噪声干扰源种类来分可分为尖峰干扰和谐波干扰。

开关电源在工作过程中所产生的浪涌电流和尖峰电压就形成了干扰源，工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换以及输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。

三、电磁干扰的抑制措施电磁干扰由三个基本要素组合而产生：电磁干扰源;对该干扰能量敏感的设备;将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介即传输通道或藕合途径。

对开关电源产生的电磁干扰所采取的抑制措施，主要从两个方而考虑：一是减小干扰源的干扰强度;一是切断干扰传播途径。

常用的抗干扰措施包括电路的隔离、屏蔽、接地、加装EMI滤波器以及PCB板的合理布局与布线。

1.电路的隔离在开关电源中，电路的隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。

主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。

变电所电磁干扰导致开关误动作案例分析摘要：变电所内日益增多的设备所带来的电磁干扰是必然的，所以在设备故障分析判断中，要将电磁干扰放在必须考虑、必须研究的位置上，以便减少在故障判断的弯路。

本文通过分析一起高压设备产生的电磁干扰导致的开关误动作案例来说明电磁干扰特殊性及其三要素。

关键词：电磁干扰干扰源耦合通路接收器案例分析电磁干扰已经成为生活及工作的一部分，特别是对于某些特别专业，例如本人所从事的变电专业，随着变电所内设备的增加、设备功率的上升，越来越多的电磁干扰出现或加强。

在变电所中大部分设备产生电磁干扰强度是有限的，不会对其本身或其它设备造成影响。

但是高压电力设备，例如高压输电线路、变压器等的磁泄漏都是很强的干扰源。

本文主要通过分析一个由于高压设备产生的电磁干扰导致的开关误动作事件。

故障情况本次故障开关柜为DC1500V直流进线开关，广州地铁DC1500V牵引系统由两台直流进线开关柜及数台直流馈线柜组成，进线柜与馈线柜的元件组成及保护原理存在较大差异，该事件中电磁干扰仅对进线柜造成影响。

2012年9月广州地铁五号线某牵混所牵引系统直流进线201、202开关在同一时刻跳闸，且故障时刻监控装置只有记录到进线开关报大电流脱扣动作报文，没有其他报文。

故障后，对该所直流开关进行触头进线检查，发现201、202灭弧栅内无电弧烧灼痕迹，基本排除了201、202开关分断过大电流的可能。

同时对开关柜二次回路进行了检查，未发现二次回路故障点。

排除了201、202开关发生大电流脱扣故障的可能，当时初步判断201、202开关是由于保护单元或继电器等其他故障引起了跳闸，并报大电流脱扣的报文。

针对可能导致201、202开关在同一时刻故障跳闸的情况进线分析如下：1、110V控制电源瞬时波动：201、202开关的共性在于使用的110V电源是取之同一段柜间小母线上的，所以我们初步判断201、202开关同时跳闸的原因是110V电压突然降低，导致201、202开关合闸线圈失电，或是保护单元失电、或是继电器失电导致201、201故障跳闸，并报大电流脱扣。

事故案例/案例分析
带电作业一时快短路却把自己害
一、事故经过：
2005年3月2日，某单位电工宋某，没有执行停电闭合规定，违章带电检修开关，意外产生电火花将宋某面部烧伤。

这天中班，第二部溜子防爆开关突然失灵，溜子司机迅速打电话，通知跟班电工宋某，宋某很快赶到第二部溜子处，由于怕影响生产，宋某电也没停就打开了开关寻找故障出在哪里。

宋某将螺丝刀擢向接线柱，突然，一团火花向宋某的面部扑来，将宋某的右脸烧伤。

二、事故原因：
1、带电检修，严重违反了安全规程的规定。

2、自主保安意识差。

3、严重的冒险作业。

三、防范措施：
1、进行安全教育，增强安全意识。

2、严禁带电检修电气设备。

3、严格执行操作规程的规定，检修前进行放电处理。

开关电源的内部干扰源和外部干扰源开关电源因体积小、功率因数较大等优点，在通信、控制、计算机等领域应用广泛。

但由于会产生电磁干扰，其进一步的应用受到一定程度上的限制。

开关电源的电磁干扰分析开关电源的结构：首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后再经整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。

电路设计及布局不合理、机械振动、接地不良等都会形成内部电磁干扰。

同时，变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也是潜在的强干扰源。

1 内部干扰源●开关电路开关电路主要由开关管和高频变压器组成。

开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。

开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。

当原来导通的开关管关断时，高频变压器的漏感产生了反电势E＝-Ldi/dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。

●整流电路的整流二极管输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。

它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生很大的电流变化di/dt，产生较强的高频干扰，频率可达几十兆赫兹。

●杂散参数由于工作在较高频率，开关电源中的低频元器件特性会发生变化，由此产生噪声。

在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，而分布电容成为电磁干扰的通道。

2 外部干扰源外部干扰源可以分为电源干扰和雷电干扰，而电源干扰以“共模”和“差模”方式存在。

同时，由于交流电网直接连到整流桥和滤波电路上，在半个周期内，只有输入电压的峰值时间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很低（大约为0.6）。

而且，该电流含有大量电流谐波分量，会对电网产生谐波“污染”。

开关电源的电磁干扰及其滤波措施1引言开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。

但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰(EMI)。

EMI信号既占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰。

如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。

随着电子产品的电磁兼容性(EMC)日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。

2开关电源产生EMI的原理开关电源产生EMI的因素较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要因素。

它们所以产生于电源装置的内部，是由于开关电源中的二级管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流，通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构、元件布局等而造成的。

基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。

这是因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流，而是变成单向脉动电源，此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。

实验结果表明，较高的谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰，使接收机等产生噪声。

变压器型功率转换电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。

它产生的尖峰电压是一种有较大辐度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。

产生这种脉冲干扰的主要原因是：(1) 开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感。

在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的电流，它在开关管过激励较大时，将造成尖峰噪声。

这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。

(2) 由高频变压器产生的干扰。

开关电源中的电子干扰分析及解决办法开关电源因体积小、功率因数较大等优点，在通信、控制、计算机等领域应用广泛。

但由于会产生电磁干扰，其进一步的应用受到一定程度上的限制。

本文将分析开关电源电磁干扰的各种产生机理，并在其基础之上，提出开关电源的电磁兼容设计方法。

开关电源的电磁干扰分析开关电源的结构如图1所示。

首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后再经整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。

电路设计及布局不合理、机械振动、接地不良等都会形成内部电磁干扰。

同时，变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也是潜在的强干扰源。

图1 AC/DC开关电源基本框图1 内部干扰源● 开关电路开关电路主要由开关管和高频变压器组成。

开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。

开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。

当原来导通的开关管关断时，高频变压器的漏感产生了反电势E=-Ldi/dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。

● 整流电路的整流二极管输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。

它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生很大的电流变化di/dt，产生较强的高频干扰，频率可达几十兆赫兹。

● 杂散参数由于工作在较高频率，开关电源中的低频元器件特性会发生变化，由此产生噪声。

在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，而分布电容成为电磁干扰的通道。

2 外部干扰源外部干扰源可以分为电源干扰和雷电干扰，而电源干扰以“共模”和“差模”方式存在。

同时，由于交流电网直接连到整流桥和滤波电路上，在半个周期内，只有输入电压的峰值时间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很低(大约为0.6)。

而且，该电流含有大量电流谐波分量，会对电网产生谐波“污染”。

开关电源的EMC设计产生电磁干扰有3个必要条件：干扰源、传输介质、敏感设备，EMC设计的目的就是破坏这3个条件中的一个。