智能型框架式断路器单片机系统的电磁兼容性分析

智能型框架式断路器单片机系统的电磁兼容性分析

一、 简述

　　随着单片机技术的不断发展与完善，单片机已被广泛地应用于各行各业中，其应用程度和应用水平已逐渐成为衡量一个行业或一个部门技术水平的重要标志。框架式断路器做为低压配电系统的主开关也已突破传统的结构模式，在其保护和信息处理单元采用了单片机技术，典型产品有施耐德公司的M系列、美国GE公司的S系列、日本三菱公司的AE-SS系列、我国的DW45系列等。众所周知，框架式断路器对低压配电系统的安全、可靠运行起着至关重要的作用，而其单片机系统的电磁兼容性又是其安全、可靠、稳定运行的核心问题。以下对电磁兼容试验的目的、电磁干扰噪声对单片机系统的危害、单片机本身的硬件和软件的抗干扰性进行分析，以期进一步改善单片机系统的电磁兼容性。

二、 电磁兼容的试验目的

　　所谓电磁兼容性是指设备或系统在其预定的电磁环境中实际运行时，既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围环境，也不发生性能恶化或误动作，而能够按照技术要求正常工作的性能。

　　为保证智能型框架式断路器具有优良的电磁兼容性，一般要进行以下电磁兼容性试验。

　　1. 电力线路低频骚扰抗扰度试验，目的是验证当电力系统出现谐波、电流骤降、电流分断时的抗干扰能力。

　　2. 静电放电抗扰度试验，目的是验证当人体或物体所带静电荷对断路器可触及部位放电时的抗干扰能力。

　　3. 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，目的是验证由闪电、接地故障或切换电感性电路而引起的信号参数产生瞬时扰动时的抗干扰能力。这种试验是一种耦合到电力线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。

　　4. 浪涌（冲击）抗扰度试验，目的是验证由断路或雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌（冲击）时的抗干扰能力。这种干扰对以单片机系统为保护核心的智能型框架式断路危害很大，严重时将使其失去保护功能。

　　5. 射频电磁场辐射抗扰度试验，目的是验证断路器处于各种电磁辐射环境如手持无线电收发机、无线电广播、车载无线电发射机、各种工业电磁源等的抗干扰能力。对于这种来自空间的电磁干扰，采用在单片机系统周围加金属屏蔽的办法即可取得较好的效果。

三、 电磁干扰对单片机系统的影响

　　以上所述的电磁干扰对单片机本身的时钟信号、中断信号、取样信号等影响很大，另外当电磁干扰噪声越过一定门限时，将导致单片机系统出错甚至死机，所以本文只对单片机系统本身的抗干扰进行分析。

　　单片机系统异常一般有以下几种情况：单片机瞬间异常，但能够自动修正；单片机异常后，由中断或复位信号使其恢复工作；单片机异常后，需由操作者干预或进行系统复位；单片机异常并导致元器件损坏、数据丢失、数据错误等。

四、 单片机系统的硬件抗干扰电路分析

　　根据不同的功能，单片机系统的抗干扰电路和方法很多，如采用外壳屏蔽技术、电网滤波技术、系统接地技术、合理布线等。本文仅对单片机系统受到干扰后的快速复位电路、看门狗电路进行分析和讨论。

1. 快速可靠的复位电路

　　图1为-简单的RC上电复位电路，在RC电路充电过程中，RESET端出现正脉冲，从而使单片机复位，这种复位电路中，干扰易串入复位端，一般情况下虽不会造成单片机的错误复位，但会引起其内部寄存器的错误复位，造成系统误动。

复位信号是单片机最为敏感的信号之一，为使单片机系统安全可靠地工作，使复位电路具有快速上电复位、掉电复位等功能，可采用Motorola公司生产的专用复位芯片MC33064/MC33164以及其它公司生产的同类产品构成的复位电路，以提高系统受到干扰后复位的可靠性，图2所示。

2. 看门狗电路

　　为提高断路器单片机系统的抗干扰性，最好直接选用带有看门狗电路的单片机较好，它可以通过用户编程来选择硬件看门狗或软件看门狗，通过用户程序对看门狗计数器进行系统复位操作。

内部不带看门狗电路的单片机，可以设计外接看门狗电路，如图3所示。

　　图中将555接成一个多谐振荡器，计数为16进制，当数到第8个脉冲时，Q端输高电平。利用单片机的一个I/O口控制计数器清零端，只要每次清零的脉冲时间小于8个脉冲周期，Q端就保持低电平，当单片机异常时，计数器不能在8个脉冲内清零，则Q端输出高电平，使单片机系统复位。

五、 断路器单片机系统的软件抗干扰措施

1. 单片机中I/O电路刷新

　　在单片机结构中，I/O电路一般靠近管芯边缘，外部的电磁噪声容易对其逻辑电路产生影响，因此一方面在硬件上采取措施，如对I/O端口加电容进行滤波，另一方面在用户程序中应定期对I/O中的寄存器进行刷新，以减少由于电磁干扰而产生的误动作。

2. 采用数字滤波技术

　　来自传感器的信号中常混杂各种频率的干扰信号，在信号端采用RC低通滤波器可以抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果较差，而数字滤波技术可以对来自电网的极低频率的干扰信号进行滤波。数字滤波方法较多，以下仅用均方根法对输入的电流和电压数字信号进行处理分析。

　　均方根法是根据电工原理中连续周期交流信号的有效值的定义，将连续信号离散化，用数值积分代替连续积分，从而导出有效值与采样值之间的关系。

有效值的计算公式

利用检测电路对交流电流和交流电压信号均匀采样即将一个周期n等分，则采样周期 △t=T/n

此时

　　这种算法应用于连续周期交流信号时，计算精度高，抗波形畸变能力强，可以连续采样，减少单片机系统的误动，提高系统的抗电磁干扰性。采样流程见下图。

3. 设置自诊断程序

　　为防止单片机系统RAM区的数据被电磁干扰所破坏，可在RAM区内设置检验标志，应用自诊断程序定期对这些标志进行检验，标志正常时则程序继续执行，标志不正常时将程序导入初始化地址中，使系统复位。当然这种自诊断仅能对重点RAM内的数据进行诊断，也是一种最初级的自诊断方式。

六、 结论

　　随着单片机技术在低压电器领域的应用，智能型框架式断路器的电磁兼容性应受到足够的重视，从硬件和软件两方面来提高其电磁兼容性，根据断路器特定的应用场所采取软硬件有机结合的方法，来取得事半功倍的效果，切实保证低压配电系统的安全可靠运行。