電能表電磁兼容設計

王洪冬 / 江蘇省計量科學研究院

電能表電磁兼容設計

王洪冬 / 江蘇省計量科學研究院

簡要介紹電能表電磁干擾。為減少靜電放電對電能表的危害，提出電能表防靜電措施，對某型號的電能表進行電磁干擾測試，并闡述電能表電磁兼容設計，提高電能表的電磁兼容性。

電磁干擾；電能表；靜電放電；措施；電磁兼容

0 引言

電磁兼容技術是以解決實踐中的電磁干擾而出現并發展起來的一門新興學科。根據國際電工技術委員會（IEC）的定義：電磁兼容性（簡稱EMC）是設備的一種能力，它在電磁環境中能完成它的性能，而不至于在其環境中產生不允許的干擾。該定義概括為三個方面：首先，干擾的可限制性。干擾是普遍存在的，但可以限制其危害性，應規定產品產生的干擾電平不超過限定范圍；其次，干擾的豁免性。無線電設備及高頻設備的廣泛應用，導致電磁干擾發射源越來越多，由此要求產品在規定的電磁干擾強度環境中應能正常工作；第三，干擾的共有性。即對干擾采取任何措施都不能使與其相關的產品或系統性能下降，只能共處。

1 電能表電磁干擾源

電能表的電磁干擾源主要有：（1）閃電雷擊，閃電引起的沖擊電流可高達100 kA，產生輻射波頻率范圍廣，無規律，其頻率從幾千赫到幾百兆赫或更高頻域；（2）高壓電力設備的干擾，高壓輸電線路及變壓器的磁泄漏都是很強的干擾源，其頻譜主要分布在30 MHz以下的中、短波頻段；（3）電力開關操作，開關過程中引起強烈的電流脈沖及短時的電壓跌落；（4）變頻器、調光開關等節能器件（以晶閘管或類似電子器件為核心的設備）工作時在電網上產生高次諧波干擾；（5）電網電壓波動、大容量負荷的起、停引起電網電壓的瞬時起落；（6）數字電路裝置；（7）高頻振蕩電路，發射機、接收機及時鐘本振等振蕩電路的基頻及其諧波；（8）氣體放電燈、熒光燈的整流器、啟動器等對電網及周圍空間產生電磁騷擾；（9）家用電器、辦公用電器中串激電機的換向器、電子控制器、定時器等均會對電網及周圍空間產生電磁干擾，干擾頻譜從幾十千赫到幾百兆赫。

2 電能表試驗等級

一般電磁環境條件可分為5級：第1級：具有良好保護的環境；第2級：受保護的環境；第3級：典型的工業環境；第4級：嚴酷的工業環境；第5級：需要加以分析的特殊環境試驗。

電能表的抗擾度是在有電磁干擾的情況下，器件、設備或系統運行功能不能劣化的能力。不被劣化的含義是保持或具有功能，所以有4級抗擾度評估：A級是在出現干擾時，性能正常；B級是功能或性能暫時降低或喪失，但能夠自行恢復；C級是功能或性能暫時降低或喪失，但需要操作者干預或系統復位；D級是因設備（元件）或軟件損壞，或數據丟失而造成的不能自行恢復至正常狀態的功能降低或喪失。A、B和C級都在不同程度上保持或具有功能，D級則已無抗擾性。不同的計量裝置或執行的功能重要性不同，可以按不同級別評估。

3 電能表的電磁兼容設計

3.1 設計原則

電能表的電磁兼容性設計主要考慮兩方面的內容：一是在規定干擾強度的電磁環境下能正常工作；二是向外界發送的電磁干擾強度在規定的范圍內。由于智能電能表復雜的工作環境，抗電磁干擾環境設計是兩者中的重點。

根據電磁干擾的三要素，在產品設計階段主要遵循以下三個原則：一是盡可能抑制干擾源，直接將干擾源隔離在智能電能表的工作之外；二是消除干擾源與智能電能表之間的干擾耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳遞途徑；三是隔離敏感部件，加強智能電能表的抵抗電磁干擾的能力（如圖1所示）。

圖1 產品設計原則框圖

3.2 電磁兼容設計

通常EMC設計成本只占總開發成本的5%左右，如在產品設計初期就進行EMC設計，只要適當選擇元器件和材料，每臺設備上附加的成本通常很低。所以，在電能表設計初期，首先進行EMC設計是十分必要的（如圖2所示）。

圖2 電磁兼容設計初期框圖

1)外殼接地中外殼實際上為一屏蔽體。當電能表工作時，由于電路通過了不規則、不連續的信號會在外殼上產生電荷，如果不接地或接地不佳，電荷的瀉放回路不通暢，會在外殼上形成電荷累積效應，產生電磁場對內部電路造成干擾。因此，接地是電子式電能表的電磁兼容設計工作所必須的技術措施。

2)濾波器對于有用信號頻率不同的干擾信號有很強的抑制作用，采用濾波器有助于減少傳導性干擾的電平。在電源輸入端接濾波器，可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害；也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾。因此，電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元，在電能表的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。

3)屏蔽是通過各種屏蔽材料吸收及反射外來電磁能量，防止外來干擾的入侵或將設備輻射的能量限制在一定的區域內，以防干擾其他設備。屏蔽主要是切斷電磁波傳播途徑為目的。許多電磁兼容問題都通過電磁屏蔽的方法來解決且不影響電路的正常工作。因此，屏蔽成為提高電能表電磁兼容問題的重要及有效的手段。

4)電能表檢驗裝置與干擾信號發生裝置及被測設備（EUT）之間插入去耦網絡。去耦網絡的用途在于將干擾信號發生裝置和被測設備產生的干擾信號與電能表檢驗裝置隔離，使其不影響電能表檢驗裝置的工作。

4 電能表的靜電放電

靜電放電的方法有：（1）直接放電，指直接對受試設備實施放電；（2）接觸放電，指試驗發生器的電極保持與受試設備接觸并由發生器內的放電開關激勵放電的一種試驗方法；（3）空氣放電，指將試驗發生器的充電電極靠近設備并由火花對受試設備激勵放電的一種試驗方法；（4）間接放電，指對受試設備附近的耦合板實施放電，以模擬人員對受試設備附近的物體的放電。

靜電放電方式分為接觸放電和空氣放電，標準給出的試驗嚴酷度等級見表1。

表1 接觸放電和空氣放電的試驗嚴酷度等級

靜電放電對電能表的影響包括：1）放點前的靜電場對電能表的影響；2）放電時的直接電荷注入對電能表的影響；3）靜電放電電流激發的電磁場對電能表的影響。其中，放電之前的靜電場和放電電流激發的電磁場使電能表產生輻射噪聲，直接電流注入和電磁場產生的感應電流使電能表產生傳導噪聲。

若電能表不進行防靜電設計，靜電干擾產生的輻射噪聲和傳導噪聲將同時存在，嚴重影響電能表的可靠性。試驗發現，空氣放電可直接從電能表按鍵的縫隙進入PCB板的按鍵走線，影響電能表的正常工作。因此采取相關防靜電措施：1）優化結構設計，減少縫隙和固定開孔遠離敏感電路；2）在電能表按鍵、上下機殼接合處加入塑料墊，加長靜電干擾路徑，消減靜電對電能表電路的影響；3）在鍵盤電路上加抑制電容或TVS進行防護處理。

5 電能表輻射噪聲試驗

某三相四線多功能電能表測輻射噪聲如圖3所示，在67.8 MHz處輻射噪聲超標。

測試環境見表2，標記點數據見表3。

由圖3可知，某電能表在67.8 MHz處出現了輻射噪聲超標，經過檢查發現該電能表未完全按照原方案中的元器件生產。在晶振、電源處并聯電容、在電源部件二極管一端串磁珠后，由圖4可知，該電能表輻射噪聲達標問題已解決。

表2 測試環境

表3 標記點數據

圖3 某電能表輻射噪聲測試曲線

圖4 整改后測試曲線

6 結語

電磁兼容設計是電能表成功的技術關鍵，本文分析電能表的電磁干擾因素、電能表試驗等級。簡述電能表電磁兼容設計原則，通過試驗論證元器件的選擇在電能表電磁兼容設計中的重要作用。并進一步闡述了靜電放電對電能表的危害以及采取的相應防護措施，提高電能表的壽命和電磁兼容性。

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The electric energy meter electromagnetic compatibility design

Wang Hongdong
（Jiangsu Institute Of Metrology）

This paper focuses on the electric energy meter electromagnetic interference are briefly introduced, in order to reduce the electrostatic discharge damage to electric energy meter, and puts forward some electric energy meter anti-static measures. And on a certain model of electric energy meter conducted electromagnetic interference test, and the electric energy meter, electromagnetic compatibility design are illustrated, so as to improve the electromagnetic compatibility of electric energy meter.

electromagnetic interference; electric energy meter; electrostatic discharge; measures; electromagnetic compatibility