CN100426667C

CN100426667C - 电力系统自动化设备电磁干扰抑制器

Info

Publication number: CN100426667C
Application number: CNB2005100944733A
Authority: CN
Inventors: 郑建勇; 梁志成; 傅静波; 秦申蓓; 张先飞; 张梅; 陈飞
Original assignee: GUODIAN AUTOMATION INST; Southeast University
Current assignee: GUODIAN AUTOMATION INST; Southeast University
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: CN1764066A

Abstract

电力系统自动化设备电磁干扰抑制器是一种用于抑制电力系统电磁干扰，保证电力系统自动化设备正常工作的器件，设计滤波器结构时需充分考虑负载阻抗特性，在测试典型端口(电源、PT、CT端口)阻抗特性的基础上，设计了两种典型电路。当负载阻抗小于50Ω时适用于低负载阻抗滤波电路；当负载阻抗大于50Ω时适用于高负载阻抗滤波电路。本发明的电力系统自动化设备电磁干扰抑制器，由电容器和电感线圈所组成，该抑制器对电力自动化关键设备各典型端口的阻抗特性，以及对快速瞬变和阻尼振荡波干扰具有较强的抑制作用。

Description

电力系统自动化设备电磁干扰抑制器

技术领域：

本发明是一种用于抑制电力系统电磁干扰，保证电力系统自动化设备正常工作的器件，属于电力设备技术领域。

背景技术

随着电力的发展，电力系统的电磁兼容问题日益突出，特别是电力系统自动化设备的电磁兼容性问题尤为重要。一方面设备本身无论在正常工作状态还是在异常工作状态都会产生各种电磁干扰。另一方面，如：高压开关操作、短路故障等暂态过程；高电压、大电流导线或设备附近的电场和磁场；射频电磁场辐射；雷击；静电放电；供电网的电压波动、电压突降和中断等都会对设备的工作环境产生电磁干扰。电力自动化设备通常采取的抗干扰措施有接地、屏蔽、滤波三种方法。滤波器是一种用途广泛的抗干扰器件，而EMI(电磁干扰)滤波器是一种能有效抑制传导干扰的无源器件，在电力自动化设备中使用EMI滤波器是提高设备抗干扰能力的一种非常有效的方法。

电磁干扰滤波器是由电容、电感、电阻等组成的无源器件。它不仅能够衰减来自自动化设备各外部端口的传导干扰，而且能衰减由自身产生的传导干扰，具有双向性。但是，普通的电磁干扰滤波器对电力系统中的典型干扰抑制效果不好，主要有以下原因：①普通的电磁干扰滤波器是在源、负载阻抗都为50Ω的条件下来设计的。而电力自动化设备端口的阻抗是动态的，并且不同端口的阻抗性质是不同的。因此，选择普通电磁干扰滤波器应用于电力自动化设备，将不能起到理想的抑制效果。②通过对快速瞬变脉冲群的频谱分析发现该脉冲群的频带较宽，100MHz以下的频率需要着重考虑。而普通电磁干扰滤波器着重考虑的是30MHz以下的干扰，故电力自动化设备使用普通滤波器产品时对高于30MHz以上的干扰起不到有效的抑制。综上所述，普通电磁干扰滤波器不能完全适用于电力自动化设备，因此，设计适用于电力自动化设备的专用电磁干扰滤波器是十分必要的，它能有效地提高电力自动化设备的电磁兼容性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种电力系统自动化设备电磁干扰抑制器，该抑制器针对电力自动化关键设备各典型端口的阻抗特性，对快速瞬变和阻尼振荡波干扰具有较强的抑制作用。

技术方案：设计滤波器结构时需充分考虑负载阻抗特性，在测试典型端口(电源、PT、CT端口)阻抗特性的基础上，设计了两种典型电路。当负载阻抗小于50Ω时适用于低负载阻抗滤波电路；当负载阻抗大于50Ω时适用于高负载阻抗滤波电路。本发明的电力系统自动化设备电磁干扰抑制器，由电容器和电感线圈所组成。

在适用于低负载阻抗滤波电路的抑制器中，第五电感线圈、第一电感线圈、第三电感线圈相串联，第六电感线圈、第二电感线圈、第四电感线圈相串联，其中第五电感线圈、第六电感线圈共用一个圆形磁环，第一电感线圈、第二电感线圈共用一个圆形磁环，第三电感线圈、第四电感线圈共用一个圆形磁环；在第一电感线圈和第二电感线圈的信号输入端并联有第一电容器和第一电阻，第一电感线圈与第二电感线圈的另一端并联第六电容器；在第一电感线圈的两端与地之间分别接有第二电容器和第三电容器，在第二电感线圈的两端与地之间分别接有第四电容器和第五电容器；第五电感线圈、第六电感线圈的信号输入端之间并联有第七电容器。

适用于高负载阻抗的滤波电路的抑制器中，第五电感线圈、第一电感线圈、第三电感线圈相串联，第六电感线圈、第二电感线圈、第四电感线圈相串联，其中第五电感线圈、第六电感线圈共用一个圆形磁环，第一电感线圈、第二电感线圈共用一个圆形磁环，第三电感线圈、第四电感线圈共用一个圆形磁环；在第一电感线圈和第二电感线圈的信号输入端并联有第一电容器，第一电感线圈与第二电感线圈的信号输出端并联第六电容器和第二电阻；在第一电感线圈的两端与地之间分别接有第二电容器和第三电容器，在第二电感线圈的两端与地之间分别接有第四电容器和第五电容器；第五电感线圈、第六电感线圈的信号输入端之间并联有第七电容器，第三电感线圈、第四电感线圈的信号输出端与地之间分别接有第八电容器和第九电容器。

在满足阻抗失配原则的前提下，根据电力自动化设备典型端口的阻抗、电磁干扰的特点和设计要求，设计的滤波电路采用二级及二级以上的高性能滤波电路结构，

电容器的选择

电容器是电路中最基本的元件之一，用于滤除电路中的高频骚扰。在选择电力自动化设备电磁干扰抑制器的电容器时，选用瓷介质电容器作为共模电容，由于瓷介质电容器其串联电阻和自身电感都很小，是高频电路中主要使用的滤波元件。以单片陶瓷电容器作为设计电路的共模电容，滤除高频共模干扰，以薄膜电容(CBB)作为差模电容，由于穿心电容没有引线电感，有很好的高频特性，又因为其结构和安装的特点，在图1中输出端口C8、C9使用了穿心电容作为接地电容。

电感器的选择

1)电感器磁芯的选择

在电磁干扰滤波器中采用的电感器是用导线在磁性材料上绕制而成，选择圆形磁环作为共模和差模电感的骨架，这是由于圆形磁环能很好的把磁通限制在磁路中。

在选择磁芯时，充分考虑了磁芯材料的频率特性。初始磁导率高的磁性材料，高频时磁导率明显下降；磁性材料初始磁导率较低，高频时仍能保持高的磁导率。在设计中有针对性的使用，使得电感在不同的频率段对干扰都有较强抑制能力。针对电力系统中典型干扰的频宽特点，考虑选择不同的磁芯材料，以满足对典型干扰的抑制。同时，也考虑了磁性材料的损耗，控制磁性材料的温升，以保持电感的稳定性。

综上所述抗电磁干扰滤波器的磁性材料，要求衰减速度快，频带范围宽，同时应保证工作频率范围内信号不失真，能适应各种环境使用，具体有以下几点要求：高初始磁导率μi，μi为100～1500，高Bs、电阻率、居里温度等。上述要求有些是相互抵触的，要让某种材料完全满足上面所有要求是不现实的，实际应用的每种材料都只能在一方面，或在某几方面达到要求，以满足实际的需要。

抗电磁干扰的软磁材料主要分两大类：铁氧体软磁材料和非晶纳米晶软磁材料，在设计中采用软磁材料Ni-Zn铁氧体和铁基纳米晶作为电感的磁芯。Ni-Zn铁氧体，初始磁导率低，但高频时磁导率下降慢，对高频的抑制效果较好；铁基纳米晶有高的初始磁导率，高的饱和磁通强度，是铁氧体的三倍，低的高频铁心损耗，好的热稳定性。铁基纳米晶特别适用于抑制大的脉冲干扰，但是，在高频时铁基纳米晶的磁导率下降较快，高频性能不理想。为了使设计的电磁干扰滤波器在较宽频带内的衰减满足设计要求，采用两种磁芯组合起来使用，使滤波器不仅对低频干扰能有效的抑制，而且对高频信号也能有效的抑制。

第五电感线圈、第六电感线圈共用的一个圆形磁环采用Ni-Zn铁氧体作为共模电感的圆形磁环；第一电感线圈、第二电感线圈共用的一个圆形磁环采用铁基纳米晶作为共模电感的圆形磁环；第三电感线圈、第四电感线圈共用的一个圆形磁环采用Ni-Zn铁氧体作为共模电感的磁环。

2)电感器的绕制

在制作上尽量减小了分布电容。采用以下办法减小了分布电容，单层绕制，减少绕线匝数；多层绕制时，采用分段绕制，同时，可以把大电感分解成几个小电感，使电感的带宽增加。

3)公模和差模电感器的制作

在电磁干扰滤波器中采用共模电感来抑制高频共模信号，差模电感抑制差模信号。共模电感的结构如图3所示，对差模干扰信号，导线中的电流在磁芯中产生的磁力线方向相反，并且大小相同，刚好抵消，磁芯中的磁感应强度为零，因此，磁芯不会饱和。对于导线上方向相同的共模干扰电流，则没有抵消，磁芯中的磁感应强度加强了，呈现较大电感。

差模电感是采用单个绕组结构绕制，而不像共模电感那样在一个磁芯上采用两个相同绕组的结构，当通过电流较大时会产生磁饱和现象，电感量下降，下降的速度取决于软磁材料的B和μ的特性曲线，由于差模干扰的频率低于共模干扰，一般采用复合磁粉芯。在本设计中，考虑共模电感的两个绕组不能做到完全相等，存在差模电感量，而且差模电感量能满足对差模干扰的抑制，所以在设计中没有单独采用差模电感来抑制差模干扰。

有益效果：

(1)该电磁干扰抑制器是在分析典型电力系统自动化设备端口(PT、CT、电源)的特性基础上设计的。能有效地提高电力自动化设备的电磁兼容性，同时能防止设备污染电网，从而提高电能质量。

(2)该电磁干扰抑制器对电力自动化设备受到的典型干扰如阻尼振荡波和快速瞬变脉冲群干扰有很好的抑制效果。

(3)在满足设计要求的前提下，合理利用共模电感中因不对称性存在的差模电感抑制差模干扰，减少了元件数量缩小了器件体积。

(4)主要性能指标高

·对脉冲型干扰，峰值电压抑制90％以上；

·射频宽带干扰(150kHz~80MHz)，衰减40dB以上

附图说明

图1是适用于高阻抗的滤波电路的抑制器结构示意图。

图2是适用于低阻抗的滤波电路的抑制器结构示意图。

图3是共模电感结构示意图。

以上的图中有：第一电感线圈(L1)、第二电感线圈(L2)、第三电感线圈(L3)相串联，第四电感线圈(L4)、第五电感线圈(L5)、第六电感线圈(L6)；第一电容器(C1)、第二电容器(C2)、第三电容器(C3)、第四电容器(C4)、第五电容器(C5)、第六电容器(C6)、第七电容器(C7)、第八电容器(C8)、第九电容器(C9)；第一电阻(R1)、第二电阻(R2)。

具体实施方式

1)电容参数的确定

电磁干扰滤波器中各个元件如图1、图2所示。

①共模电容参数的确定：

选择高频性能好的单片陶瓷电容、穿心电容作为共模电容，允许的情况下，容量要求越大越好，但是太大则漏电流较大。考虑到设计中漏电流的限制，电容器C2、C3、C4、C5的电容值均为2200pF，耐压为交流2000V；电容器C8、C9为穿心三端电容，有着最好的高频特性，电容值为1000pF，耐压为直流2000V，适用于高频。

②差模电容参数确定：

在允许的情况下，容量要求越大越好。一般情况下，要求取值在1-5uf之间(对每个电容)。由于差模信号的频率小于1MHz，选择簿膜介质的电容作为差模电容，电容器C7的电容值为2.2μF，电容器C1、C6的电容值为0.47μF。

2)电感参数的确定：

根据电感的阻抗和频率特性、分布电容、分布电阻、额定电流、空间尺寸、磁芯的阻抗特性和温升的限制，并通过实验和仿真确定了以下共模电感的电感量。由于在制作共模电感时，不可能把两个线圈作得完全对称，存在着差模电感。根据测试差模电感量满足设计要求。电感线圈L5、L6采用了Ni-Zn铁氧体作为共模电感的圆形磁环，电感量为1.28mH(10kHz)，差模电感量0.2μH(10kHz)，Φ(外径)＝21mm、D(内径)＝14mm、H(高)＝10mm，适用于高频；电感线圈L1、L2采用了铁基纳米晶作为共模电感的圆形磁环，电感线圈L1、L2电感量5.2mH(10kHz)，差模电感量12.1μH(10kHz)，Φ＝30mm、D＝20mm、H＝10mm，适用于频率小于30MHz；电感线圈L3、L4采用了Ni-Zn铁氧体作为共模电感的磁环，电感线圈L3、L4电感量L＝55μH(1kHz)，差模电感量0.05μH(1kHz)，Φ＝19mm、H＝10mm，适用于频率小于70MHz。

3)放电电阻的选择：

首先，电阻要求采用二级降额使用，保证可靠性。降额系数为0.75(V)、0.6(W)，根据欧姆定律可求出n＞(0.75Ve)2/(0.6Pe)；其次，经过雷击浪涌后有残压，其瞬时值一般在1000V取值，其瞬时功率值不能超过额定率值的4倍，也可求出R＞(Vcy)2/(4Pe)。两者综合考虑取R值，一般情况下，电阻R的取值为75-200K之间，功率为2-3W，金属模电阻。在设计中选用了阻值为1MΩ的电阻，额定功率2W的金属膜电阻。

Claims

1. 一种电力系统自动化设备电磁干扰抑制器，由电容器和电感线圈所组成，其特征在于适用于低负载阻抗滤波电路的抑制器中，第五电感线圈(L5)、第一电感线圈(L1)、第三电感线圈(L3)相串联，第六电感线圈(L6)、第二电感线圈(L2)、第四电感线圈(L4)相串联，其中第五电感线圈(L5)、第六电感线圈(L6)共用一个圆形磁环，第一电感线圈(L1)、第二电感线圈(L2)共用一个圆形磁环，第三电感线圈(L3)、第四电感线圈(L4)共用一个圆形磁环；在第一电感线圈(L1)和第二电感线圈(L2)的信号输入端并联有第一电容器(C1)和第一电阻(R1)，第一电感线圈(L1)与第二电感线圈(L2)的另一端并联第六电容器(C6)；在第一电感线圈(L1)的两端与地之间分别接有第二电容器(C2)和第三电容器(C3)，在第二电感线圈(L2)的两端与地之间分别接有第四电容器(C4)和第五电容器(C5)；第五电感线圈(L5)、第六电感线圈(L6)的信号输入端之间并联有第七电容器(C7)。

2. 一种电力系统自动化设备电磁干扰抑制器，其特征在于适用于高负载阻抗的滤波电路的抑制器中，第五电感线圈(L5)、第一电感线圈(L1)、第三电感线圈(L3)相串联，第六电感线圈(L6)、第二电感线圈(L2)、第四电感线圈(L4)相串联，其中第五电感线圈(L5)、第六电感线圈(L6)共用一个圆形磁环，第一电感线圈(L1)、第二电感线圈(L2)共用一个圆形磁环，第三电感线圈(L3)、第四电感线圈(L4)共用一个圆形磁环；在第一电感线圈(L1)和第二电感线圈(L2)的信号输入端并联有第一电容器(C1)，第一电感线圈(L1)与第二电感线圈(L2)的信号输出端并联第六电容器(C6)和第二电阻(R2)；在第一电感线圈(L1)的两端与地之间分别接有第二电容器(C2)和第三电容器(C3)，在第二电感线圈(L2)的两端与地之间分别接有第四电容器(C4)和第五电容器(C5)；第五电感线圈(L5)、第六电感线圈(L6)的信号输入端之间并联有第七电容器(C7)，第三电感线圈(L3)、第四电感线圈(L4)的信号输出端与地之间分别接有第八电容器(C8)和第九电容器(C9)。

3. 根据权利要求1或2所述的电力系统自动化设备电磁干扰抑制器，其特征在于第五电感线圈(L5)、第六电感线圈(L6)共用的一个圆形磁环采用Ni-Zn铁氧体作为共模电感的圆形磁环；第一电感线圈(L1)、第二电感线圈(L2)共用的一个圆形磁环采用铁基纳米晶作为共模电感的圆形磁环；第三电感线圈(L3)、第四电感线圈(L4)共用的一个圆形磁环采用Ni-Zn铁氧体作为共模电感的磁环。