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1、电快速瞬变脉冲群（电快速瞬变脉冲群（EFT/B）综述）综述摘要摘要 在同一供电回路中，多种设备在工作中会产生瞬态脉冲，对设备产生干扰，这种干扰以脉冲群的形式出现，且有脉冲上升时间短、重复率高和能量低、频谱分布较宽等特点，相当于一连串前沿陡峭的脉冲群，称为电快速瞬变脉冲群干扰( EFT/B)。为了达到有效抑制 EFT/B 干扰的目的，本综述从总结 EFT/B 的形成机理出发，应用建模的方法分别给出了产生 EFT/B 的一种等效电路模型和开断空载变压器的一种仿真模型，并通过相应的测试方法进行测试，通过仿真与测量结果的对照验证了所提方法的合理性，最后对抑制EFT/B 从而减少电磁干扰（EMI）的方法
2、进行了总结。关键词关键词 电快速瞬变脉冲群；等效电路；抑制方法；综述引言引言/背景背景 各种电磁干扰以电磁感应、辐射和电路传导的方式影响对干扰较为敏感的各种以微电子和计算机技术为基础的自动化设备如继电保护、监控装置等设备。当干扰水平超过了装置逻辑元件和逻辑回路的抗干扰水平时, 将引起装置逻辑回路不正常工作或程序运行出错, 从而使整个装置不能正确工作。电快速瞬变脉冲群干扰(electrical fast transient/burst，EFT/B)是微机保护装置最易受到影响的干扰之一。国内外的试验研究结果表明, 变电站中开关的关、合过程会引起 EFT / B 骚扰, EFT / B 骚扰的上升时
3、间为纳秒级, 持续时间从几微秒到几十毫秒, 过电压幅值能够达到相电压幅值的几倍。为了在现代电子设计的早期阶段以仿真的方式对产品的电磁兼容性能进行评估，需要对设计对象进行电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，当 EFT/B 干扰水平超过了装置逻辑元件和逻辑回路的抗干扰水平时, 将引起装置不正常工作或程序运行出错。于是，如何使同一电磁环境下的各种电器、电子设备或系统能够正常工作而又不相互干扰，如何使 EFT/B噪声在开关电源中的传播明显减少而达到所谓的“兼容”状态，成为了现代电子设计的难题，因此，电磁兼容技术日益发展，其中对 EFT/B 进行抑制的研究也越来越多。早些年国际标准 IEC 1000-4-4 对
4、 EFT 的定义有关参数分别是:电压幅值,单个脉冲的上升时间、单个脉冲的脉宽、脉冲群持续时间、脉冲群重复频率和脉冲群周期等。但其中也有些不妥当之处，如实际电磁环境下电磁脉冲群的重复频率从 10KHz 到 1MHz，但由于当时的元器件水平有限，标准规定该参数值为 5KHz 和 2.5KHz 两种。现今，国际标准 IEC61000 - 4 - 4 和国家标准 GB/T19626.4 对 EFT/B 骚扰电压的上升时间、持续时间和脉冲重复频率等作了统一的规定, 如图 1 所示。EFT / B 骚扰电压的幅值根据不同的试验等级从 0.54kV,单个脉冲上升时间 5 ns ,单个脉冲持续时间 50 ns
5、 , 脉冲重复频率为 5 kHz 或 100 kHz,脉冲群持续时间 15ms , 脉冲群周期 300ms。图 1 电快速瞬变脉冲群波形图 1 ( a ) 中 EFT/B 骚扰电压的单个脉冲波形可以用双指数函数表示, 其函数方程为:Ueft= KU0(e- t- e- t) (1)式中，K 是比例常数; U0是电压峰值；、 分别是与脉冲持续时间和上升时间相关的时间常数；根据 EFT/B 骚扰信号单个脉冲波形的上升时间和持续时间，可确定比例常数 K 为1.269 94 , 时间常数 、 分别为 1.798 6107和 3.037108。单个 EFT/B 骚扰脉冲的幅值密度频谱见图 2( Ad为幅
6、值密度, 单位为 dB；横轴单位为MHz) 。从图中可以看出: EFT/B 骚扰的能量主要集中在 40 MHz 以下的频段；40 400 MHz 频段内 EFT/B 骚扰的幅值衰减不大，能量仍然较大；400 MHz 以上频段的 EFT/B 骚扰的幅值衰减很快，到 1 GHz 基本衰减为零，此频段内骚扰能量较小。正文正文EFT/B 的形成机理的形成机理EFT/B 产生于感性负载的切断和继电器触点弹跳等切换的瞬态过程，这种干扰以差模和共模的方式作用于供电电源端口、信号和控制端口，对微机系统产生严重干扰。下面分别就两种瞬态过程对电快速瞬变脉冲群的形成机理作说明。1、 感性负载的切断过程由于开关闭合操
7、作引起的电快速瞬变脉冲群电压的幅值不断减小，而开关分断操作引起的电快速瞬变脉冲群电压的幅值不断增大，会导致特快速暂态过电压。等效电路模型如图三：图 3在开关断开电感性负载电路的过程中，由于电感电流不能突变，此电流流向杂散电容，对其反向充电，电感负载两端出现暂态过电压，此过电压与电源电压叠加后加在开关触头两端，当触头两端电压高于介质击穿电压时，触头间形成电弧，开关重燃，导通后，电容放电，形成高频电流，触头间的重燃电弧熄灭，两端又出现过电压。这个过程重复发生，放电示意图如图 4，直至电容上电压不能使开关的动静触头击穿为止。在电弧重燃和熄灭的过程中，开始时，脉冲电压幅值低、上升时间快、频率高，随着开
8、关动静触头间距离增大，脉冲电压幅值逐渐升高，脉冲前沿变缓，脉冲重复频率下降，波形图如图 5。图 4 图 5 2、 继电器触点弹跳的过程图 6 显示继电器触点弹跳的实际波形。可以看出此波形类似于 EFT/B 波形, 脉冲重复频率在 1kHz 至 1MHz。对单个脉冲而言,其上升沿在纳秒级, 脉冲持续期在几十纳秒至数毫秒之间。脉冲群在电路的输入端产生累积效应，使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声门限，当脉冲串的每个脉冲相距很近时，电路的输入电容没有足够的时间放电，就又开始新的充电，容易达到较高的电平，依次，脉冲串的周期越短，对电路的影响越大。EFT/B 发生器的等效电路以及相应的测试方法发生器的等效
9、电路以及相应的测试方法EFT/B 发生器的等效电路具有多种多样的形式，通常可见的一种为基于 IEC 标准给出的发生器简化电路进行改进得到的电路网络，另外一种为使用许多个开关分时开闭的开断电感性负载模型，下面分别加以简单介绍。1、系统化的 EFT/B 发生器等效电路的建模方法为：首先，基于对发生器充放电物理过程的分析，提出开路条件(1k)下发生器输出波形的解析表达式，且表达式系数可根据仪器厂商的校准波形加以确定；其次，基于该解析式并采用阶跃函数激励，得到脉冲形成网络的传递函数，并分别采用恒电阻法及参数化电网络综合法得到脉冲形成网络的等效电路；最后，对等效电路各元件参数进行归一化处理，并根据发生器
10、在匹配条件下(50)的校准波形确定归一化系数。具体做法如下：解析表达式的确定基于 IEC 标准给出的发生器简化电路，如图 7，其 EFT 的双指数波形可以由方程式（1）表示：Ueft= KU0(e- t- e- t) 具体参数的意义见引言。其中，U 为高压直流电源，Rc为充电电阻，Cc为储能电容，Rs为内部的放电电阻，Rm为阻抗匹配电阻，Cd为隔直电容，R0为外部的负载电阻，Cc的大小决定了单个脉冲的能量，Cc和 Rs的配合决定了脉冲波的形状（特别是脉冲的持续时间） ，Rm决定了脉冲群发生器的输出阻抗（标准规定是 50） ，Cd则隔离了脉冲群发生器输出波形中的直流成分，免除了负载对脉冲群发生器
11、工作的影响。图 7 IEC 标准给出的发生器简化电路由于 EFT 信号的宽频分布特点 (主要信号频率可达 100 MHz)，以及发生器电路中寄生参数效应的存在，输出的 EFT 信号上升沿常伴随显著的阻尼振荡现象。输出的 EFT 信号在上升时存在明显的阻尼振荡现象，方程式（1）对该现象难以再现，于是设计了改进的方程式（2）：Ueft =Up (1 e t cos 2f0 t) et式中： =1.35108ns1为波形振荡上升过程的衰减常数；=5.3108ns1为与 EFT 波形的下降速度有关的时间常数；f0=70 MHz 为充电回路的振荡频率。可以通过分析 EFT/B 的一个单个脉冲的频谱分布来
12、代替分析整个脉冲序列, 这使得分析简化了很多。对方程式（2）进行拉普拉斯变换，得Ueft(s) =Up由于阶跃函数 Ustep 的 Laplace 形式为 Ustep=UP/Us，故得到 EFT1 + + + （ + + )2+ 20形成网络的网络函数如下：.等号右边两项（） =()()= + + + （ + + ）2+ 20=s + ( + 2+ 2)2+ 2( + ) + ( + )2+ 2 + 可以采用不同的电网络综合方法加以实现。对于第 1 项，电路拓扑形式如图 8，第二项可由恒电阻网络法实现网络综合，电路拓扑形式如图 9：图 8 图 9故等效电路模型如图 10：图 10 改进的 EF
13、T 发生器等效电路 图中电路元件参数的设置可根据归一化条件，使用仿真软件如 PSPICE 进行调整，并最后确定出较为合适的电路参数设置。当然，使用阶跃函数激励源得到的仅仅是单个脉冲的 EFT干扰，若要得到连续脉冲群，则可采用如图 11 所示的梯形激励源进行连续脉冲仿真便可得到如图 1-（c）所示的 EFT 波形图。其相应的测试方法为：使用仿真工具软件 MATLAB 仿真，将 EFT/B 发生器的等效电路模型与适当的激励源连接，使用的是连续激励源，用示波器 scope 观察输出，通过仿真与测量结果的对照即可验证所提方法的合理性。当 50 负载条件下的 PSPICE 仿真结果如下图 12 所示，说
14、明已经基本实现 EFT 发生器的要求。图 122、开断电感性负载模型也就是开断空载变压器的模型，其理论基础是 EFT/B 的形成机理，与感性负载切断过程得到的重复频率的脉冲群基本类似。电路模型为图 13：图 13图中包含三个部分，第一部分单相交流电源，幅值 14140(等级 10KV) ; 第二部分模拟隔离开关分断过程电弧重燃熄灭一系列反复过程，主要模块是 14 个可控实时分断的开关，标号 S0，S1，S13。这些开关由脉冲触发控制合闸和分断，以模拟隔离开关分断空载变压器时动静两触头间电弧重燃熄灭又重燃的这样一个反复的过程通过具体的脉冲来控制开关的分断合闸状态得到开关的具体操作状态，这些具体状
15、态如表 1 所示。第三部分是空载变压器暂态模型。其相应的测试方法为：使用仿真工具软件 MATLAB 仿真，设置好十四个开关的开闭时间，用示波器 scope 观察隔离开关两端和空载变压器两端的电压输出波形，通过仿真结果与EFT 基本特征函数的对照即可验证所提方法的合理性。过电压波形如下图 14：由于十四个开关反复开断闭合， 到最后 S13断开，完成隔离开关 的开断，以及隔离开关分断的时 间很短( 约几毫秒) ，表中选择 标准的 1ms，开关操作时间从 0.02到 0.021，因此隔离开关两端和 空载变压器的电压波形的情况能 够基本符合 EFT 的特征。图 14在开关切空载变压器的过程中, 由于开关触头间发生多次重燃, 从而形成 EFT / B 骚扰。图 14 为 EFT/B 骚扰电压的仿真波形。从图中可以看出, EFT/B 骚扰电压单极性,它们的上升和持续时间短,幅值和重复频率高。通常用示波器监测 EFT。需要注意的是由于 EFT 频谱很宽,用普通的示波器不能满足要求。以数字示波器为例,其最重要的两个指标为下表所示：测量精度带宽取样速率5%370MHz4210MSa/s10%770MHz4490MSa/s抑制抑制电快速瞬变脉冲群（电快速瞬变脉冲群（EFT/B）的方法）的方法由于 EFT 信号的宽频分布特点(主要信
