电能表检定装置的可靠性与抗干扰设计浅谈

2022-12-30

在电能表检定装置中, 控制电脑通过串口频繁地与前台交换处理信息, 外界的干扰、内部的故障都会导致系统的不稳定, 甚至酿成灾难性的后果。系统的可靠性与稳定性是至关重要的问题, 不仅会影响系统的整体性能, 而且还会危及到设备的安全, 因此应当对干扰的来源进行分析并且提出合理有效的应对措施。干扰是造成电能表装置系统故障的重要原因之一。由于装置中使用了大量的单片机, 外部干扰会造成它们的误动作, 而严重时会损坏仪器设备, 同时干扰还会严重地影响系统内的各种通信。采用抗干扰措施是提高系统可靠性的重要手段。

1 干扰来源分析

正如传染病对人类危害一样, 干扰若要对电能表装置的正常工作产生影响, 它就必须具备“传染源”、“传染途径”、“易感人群”三个要素。理论和实验研究表明, 不管是简单装置还是复杂系统, 任何一个干扰的发生必须具备三个基本条件:首先应该具有干扰源, 其次有传播干扰能量的途径 (或通道) , 最后还要有敏感设备。要提高电能表装置系统运行的可靠性和稳定性, 首先要分析形成干扰的三要素:干扰源、耦合通道、敏感设备。

1.1 外部干扰

主要是切断感性负载瞬变电压脉冲, 造成系统网络瞬变干扰, 以及由电器设备的电弧和火花放电, 形成高频电磁辐射。

1.2 内部干扰

主要是接地电位差所形成的地环流, 虚焊和接触不良等。由于仪表和设备之间的参考点之间存在电势差, 即各设备的共地点不同, 因而会形成地环流。当环流很大时, 会使被测信号和测试系统的接地点出现很高的共摸噪声电压, 并通过分布参数耦合到信号线, 或直接连接到电平信号线上, 将产生很大的串模干扰, 甚至损坏接口电路及设备。

1.3 干扰耦合方式

干扰耦合方式由传导耦合、共阻抗耦合、静电耦合、互感耦合、电磁辐射耦合。对于电脑控制系统, 干扰耦合的渠道是交流电源、输入输出通道、接地线等。

2 抗干扰原则

2.1 消除干扰源

通常采取压敏电阻和RC网络吸收浪涌电压;消除电弧和火花放电干扰, 如在继电器、接触器触点两端并接RC吸收电路, 消除火花放电。

2.2 抑制耦合通道

可采用光电耦合器、隔离变压器、滤波器、限幅器等切断“路”的形式耦合通道。使用浮置技术, 阻断干扰电流通路。改善接地方式, 避免共阻抗耦合。采用屏蔽抑制“场”的形式耦合通道, 如静电屏蔽抑制静电场干扰、磁屏蔽隔断低频磁通干扰、电磁屏蔽防止高频电磁场干扰。

2.3 减弱电路对噪声干扰的敏感性

采用对称结构的平衡电路, 如电桥和差分放大器, 可使干扰在电路中自行抵消;降低电路输入阻抗, 可减弱噪声的影响;使用双绞线传输信号, 以减弱电路对干扰的敏感;电路中引用负反馈, 对抑制内部噪声十分有效。

2.4 通过算法实现对硬件电路的补偿

虽然硬件电路采用了各种办法来抑制干扰, 但是总会有一些干扰信号保留下来。采用合适的算法可以有效地消除硬件所不能消除的干扰信号。

3 抗干扰设计与措施

3.1 交流电源干扰的抑制

交流电源干扰往往是电能表装置系统的严重问题。可在供电进线处加装电源滤波器, 作为抑制电源线传导干扰的主要措施。电源线中的干扰分为两种:一种是共模干扰, 即在相线与地线间, 中线与地线间存在的干扰, 共模干扰电流在相线与中线中同时存在, 大小相等, 流向相同;另一种是差模干扰, 即在相线与中线间存在的干扰, 差模干扰电流在相线与中线中同时存在, 大小相等, 流向相反。由于电源线中往往同时存在上述两种干扰, 因此电源滤波器由共模滤波电路和差模滤波电路综合构成。电源滤波器一般主要是为抑制共模干扰设计的, 如果要对差模干扰也能起到较好的抑制作用, 应该另外增加两个独立的差模抑制电感和一个抑制电容。同时可以采用分散独立供电方案:对小信号模拟电路和电脑的电源, 可加一级1∶1的隔离变压器, 既可防止各供电回路之间的串扰, 又可隔离电网干扰, 同时抑制地环流。对直流稳压电源要求内阻低, 电源引线要短、粗, 同时对台体内的单片机系统要采用单独供电。

3.2 输入输出通道干扰的抑制

输入输出通道干扰的抑制可采用光电隔离技术。光电耦合隔离器具有独特优点:输入输出之间完全由电气隔离, 绝缘电阻大, 输入阻抗低, 故而使输入信号中低能量的高频干扰大大衰弱;单向传输, 寄生反馈小;做输出级, 全双工通信很方便;逻辑电频转换容易;响应速度快;共模抑制比大, 无公共接地问题;工作稳定可靠, 寿命长。

3.3 抑制电器设备产生的干扰

变压器、继电器、电磁阀等电气设备多为感性负载, 切换时瞬变电压可达千伏, 使开关产生电弧放电, 形成高频电磁辐射, 是影响极大的干扰源。抑制电器设备产生的干扰可采用如下办法:用压敏电阻吸收浪涌;用金属屏蔽消除电磁辐射;采用软启停方法启动和停止装置, 这种方法使用软件编程控制电压、电流逐渐升起或逐渐降为零, 再切断电路, 如此很好地抑制电器设备产生的干扰。

3.4 抑制地线干扰

接地电位变化是产生干扰的一个重要原因, 电能表装置系统中地线的种类及处理措施如下:交流地即电网中性点接地, 又叫零线。三相不平衡电流使零线产生电压降, 此即干扰源, 因此不能用作公共地线;机壳应接地, 机壳接地有抗干扰作用, 如果浮空容易聚集静电。万一绝缘损坏而带电, 会危及到人身安全;功率地是噪声地, 应与小信号地线分开;信号地包括模拟地、数据地 (逻辑地) 、直流地。为避免逻辑地电流对模拟小信号的干扰, 模拟地和逻辑地应实行隔离。

4 结语

抗干扰能力是关系到整个电能表装置系统可靠运行的关键, 随着高精度电能表检测设备的广泛应用和迅速发展, 有效地排除和抑制各种干扰, 已成为我们必需探讨和解决的迫切问题。干扰不仅能造成逻辑混乱, 使系统测量和控制失灵, 以致降低产品的质量, 甚至使设备损坏, 造成事故。因此, 抗干扰技术在电能表装置系统的设计、制造、安装和日常维护中都必需给予足够的重视。本文就提高电能表检定装置可靠性及抗干扰设计谈了一些浅见, 抛砖引玉, 愿各位同行切磋。

摘要：本文针对如何提高电能表检定装置的可靠性进行了阐述, 分析干扰产生的主要因素, 并提出一些具体的措施和设计来提高设备的抗干扰性, 保证测量装置系统的可靠稳定运行。

关键词：抗干扰,干扰源分析,措施