FTU系统控制板共模浪涌（SURGE）干扰案例分析

2018-10-16 06:09:27

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　　配网自动化是国家智能电网建设的重要工作内容之一，在国家电网“统一规划、统一标准、统一建设”的工作指导原则下，各类参与国家电网公司管辖下配电自动化建设的公司，在研制和生产配网终端设备（FTU/DTU）时，需要符合国家电网企业标准Q/GDW382-2009 《配网自动化终端及子站规范》对终端设备的应用功能、性能指标、系统配置及各类接口的规范要求。
　　案例描述：
　　某厂商在设计和生产FTU系统控制器时，选用具有蓄电池充电功能的AC-DC电源模块，以满足FTU由市电220VAC和后备电源供电的要求。该电源模块本身已符合相关的EMC性能等级要求，但客户在进行控制器整体EMC共模浪涌测试项目时，发现系统控制板存在复位重启等工作异常情况。根据客户反馈其在设计选型时，已结合系统参数选择满足对应EMC等级要求的隔离开关电源产品，理应不存在此类工作异常情况。这容易误以为是电源模块问题。
　　为此，针对客户的设计情况，结合相关性能规范要求，进行整体电源设计方案分析和整改。
　　一、原因分析：
　　经沟通排除参数设定错误、人为误判等情况，在客户依据标准规范要求，针对电源回路进行共模浪涌4级测试时，存在浪涌干扰时控制板出现异常现象，浪涌实验结束时异常现象同步消失。这说明系统板确实受到共模浪涌干扰。

　　图1 客户FTU系统电源方案

　　上图1为客户的FTU系统电源方案。如果按照我司常规对EMC的测试操作规范的理解，电源回路打浪涌则应用时在前端AC-DC电源模块端口进行，共模浪涌干扰的路径存在于L/N到PE的闭环路径上。
　　路径1：AC-DC内部L/N直接到PE；
　　路径2：通过L/N、AC-DC输出端、Y电容连到PE；
　　路径3：通过L/N、AC-DC输出端、DC-DC模块、控制板空间耦合到PE。
　　既然控制板受到影响，那么一定是通过路径3造成的影响。但AC-DC模块的耐压隔离分别为3000VAC和1500VDC，加上控制板与PE只能通过空间耦合，因此该问题明显无法直接判定根本原因。
　　进一步与客户沟通，发现标准所表明的电源回路其实包括输入、输出两部分，这与单个电源模块进行电源输入端的浪涌测试存在差异。客户就是在AC-DC电源输出端进行浪涌四级测试时，才出现的异常状况。
　　二、试验验证：
　　按照客户电压方案进行AC-DC电源输出端浪涌测试，则等同于DC-DC电源输入端浪涌测试。因为VRB-R3系列电源裸机是不具备相应的抗浪涌能力，并且其各类耐压只有1500VDC。虽然其没有PE输入端，但进行4KV的共模浪涌一定会对产品造成损伤，其共模干扰会直接对后端的控制板造成影响；尤其是当控制板与箱体的距离很近时，将形成干扰路径。经过实际模拟试验也证实以上的干扰分析。
　　三、整改过程：
　　结合干扰三要素（干扰源、传播路径、***扰对象），干扰源即为符合标准要求的共模浪涌4级，这因素是无法进行消除和改变；***扰对象是其控制电路无法直接参与修改；因此只能通过传播路径进行优化整改。
　　优化措施1：在传播路径上进行干扰信号旁路处理
　　如图1所示，若直接将Y电容更换为20D470K压敏电阻进行钳位，且后端DC-DC又具备一定隔离能力，客户整体实验结果确认OK。但此类系统标准规范要求AC-DC的输出端对其PE端满足2.5KVAC的隔离耐压。而残压低的热敏电阻无法满足该耐压要求，因此该优化措施不可行。客户需针对遥信端口打静电，在确保耐压测试的漏电流不超标情况下，也需要保留这Y电容。
　　优化措施2：在传播路径上进行信号抑制处理
　　如下图2所示，添加FS-A01D即为在重播路径上进行浪涌干扰抑制，同时将DC-DC电源模块更换为隔离耐压3000VDC的URF-R3系列，进一步提升干扰信号的抑制能力；在AC-DC输出的直流电压正负直接并联20D470压敏电阻，避免浪涌瞬间直流电压波动影响；同时建议客户排查其控制板是否存在外接的线路与外壳太近，需用用胶带固定避免安装时贴近外壳。

　　图2 优化整改的FTU系统电源方案

　　四、总结：
　　1.分析方法：首先需要精准的定位问题发生的根源——因系统标准与单电源模块的规范要求有差异，针对配网自动化的浪涌测试包括AC-DC电源输出回路。确认问题的起因之后，才能针对问题进行理论层面的猜测和实验确认。
　　2.方案优化：旧方案问题在于初步选择器件规格时，同样忽略了标准的差异，使得后端DC-DC模块隔离抑制能力不足，且未进行浪涌防护。新方案整改时，需要全面了解客户整体系统的相关要求，避免将浪涌问题转移为耐压问题，或静电问题。