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江苏安科瑞电器制造有限公司

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案例分析
电力仪表可靠性设计研究(上)
发布时间:2015-08-06        浏览次数:154        返回列表
 

    徐希华1 郑月节2  徐金锋2

    (1.中国联合工程公司上海分公司,200011上海 ;

    2.江苏安科瑞电器制造有限公司, 214405江苏无锡)

     

        随着电子工业的飞速发展,各种仪器仪表被广泛应用于工业控制和社会生活的各个方面,其中电力仪表尤为突出。

        电力仪表的可靠性要求是智能电表技术标准中的一项。标准对电力仪表的可靠性提出了平均寿命不低于10a的要求,因此电力仪表设计开发过程中的可靠性设计显得尤为重要。在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的概率称为平均无故障工作时间,也称平均故障间隔时间。平均无故障工作时间是衡量可靠性的常见指标。电力仪表的可靠性设计就是为了提高产品的平均无故障工作时间,保证产品的正常运行。

    1 硬件可靠性设计

    1.1 电源的抗干扰设计

        据工程统计数据分析,电力仪表系统70%的干扰都是通过电源耦合进入系统的。因此,电源供电质量的提高对整个系统的可靠运行有着十分重要的意义。由于系统的电源一般都是由市电转换得到,所以电源部分的抗干扰设计主要集中在电源输入端口的滤波和瞬态干扰的抑制方面。图1是电源抗干扰的一个典型设计,其中,RV1为热敏电阻,VZ1为压敏电阻,LA1为共模扼流圈。该电路可以有效抑制浪涌和群脉冲干扰。

     

    图1 电源抗干扰设计电路

        此外,分模块供电是电源设计的另外一个准则。这样设计的优点是:可以有效避免强电设备工作时对系统内其他模块造成干扰,提高整个系统的可靠性。

    1.2 接地设计

        接地系统的设计直接关系到整个产品的抗干扰能力,好的设计可以阻断外部环境的干扰,对内部的耦合噪声进行有效抑制。以下两个方面的考虑,可以提高系统的可靠性:

        (1) 数字地和模拟地。由于数字信号具有陡峭的边缘,造成数字电路的地电流表现出脉冲式变化,因此在电力仪表系统中模拟地和数字地应分别设计,两者仅在一点连接,并将电路板上的模拟电路与数字电路分别连接在对应的“地”上。这样可以有效的避免数字电路地电流的脉冲信号通过公共地阻抗耦合进入模拟电路,形成瞬态干扰。当系统中存在高频的大信号时,这种干扰影响会越大。

        (2) 单点和多点接地。在低频系统中,接地一般采用并联单点接地与串联单点接地结合的方式,以提高系统的性能。其中并联单点接地是指多个模块的地线汇合到一处,每个模块的地点位置与自身的电流和电阻有关。这种接地方式的优势是没有公共地线电阻的耦合干扰,劣势是地线使用太多。串联单点接地是指多个模块使用同一段地线。因为电流在地线上的等效电阻会产生压降,所以模块和地线的连接点对大地的电位有所不同,所有模块的电流变化都会对接地点的电位产生影响,使电路的输出改变,最终导致公共地线电阻耦合干扰。该方法具有布线简单等特点。多点接地常被用于高频系统中,其原则是各模块的地线就近连接到地线汇流排上,优势是接地线短、阻抗小、无公共地线阻抗造成的干扰噪声。

    1.3 隔离设计

        将噪声源与敏感的电路隔离开来是隔离设计的主要目的之一。隔离设计的特点是电力仪表与工作环境既保持信号的联系,又不发生电的交互。隔离设计主要的实现手段有变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、隔离放大器,以及布线隔离等。

        (1) 变压器隔离。脉冲变压器具有匝数少、绕组分布电容小(仅几皮法)、一二次绕组分别缠绕于磁芯的两侧等特点,可作为脉冲信号的隔离器件,实现数字信号的隔离。

        (2) 光电隔离。加光电耦合器可以抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰。采用光电隔离可以使上位机系统与电力仪表的通信口之间没有电的交互,提高系统的抗干扰性能。光电耦合器可对数字信号进行隔离,但是对模拟信号不适用。对模拟信号隔离的常用方法包括:①转换光电隔离电路,此电路复杂;②差分放大器,所隔离的电压较低;③隔离放大器,性能虽好但是价格贵。

        (3) 继电器隔离。由于继电器的线圈与触点之间无电气关联,因此可以利用线圈接收信号,再通过其触点传送信号,这样可以有效解决强电与弱电信号彼此接触的问题,完成干扰隔离。

        (4) 布线隔离。通过电路板的布局,实现隔离,主要是强电与弱电之间的隔离。

    1.4 印制电路板抗干扰设计

        印制电路板是电路元器件的载体,提供元器件之间的电气连接。印制电路板设计的好坏将直接影响到系统的抗干扰能力。在进行印制电路板设计时,一般遵循以下原则:

        (1) 晶振布线时,尽量与中央处理器的引脚靠近,其外壳接地并固定,最后用地线把时钟区隔离,此方法可以避免很多的疑难问题;

        (2) 满足系统性能要求的条件下,中央处理器尽量采用低频率的晶振,数字电路尽可能低速;

        (3) 对于中央处理器未使用的输入、输出口资源,不能悬空不处理,应使其连接系统电源或接地,其他芯片同样如此;

        (4) 高频元器件之间的连线尽量缩短,具有输入、输出功能的元器件尽量远离,容易受干扰的元器件不能靠太近;

        (5) 电流环路不能出现在低频以及弱信号电路中,若确实无法规避,则尽可能的使环路变小,降低感应噪声;

        (6) 系统布线时应杜绝90°折线,以防高频噪声发射;

        (7) 系统中的输入、输出线尽量不要平行,并在两条导线之间添加地线,这样可以有效防止反馈耦合的发生。

     

   技术支持:吴德明 男 本科 江苏安科瑞电器制造有限公司,主要从事智能配电方向的研究 
   电话:18860995112,0510-86179859,QQ:2880581270 邮箱:
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