电快速脉冲群干扰的频谱分析及消除方法

付润江;金波;杜勇

【摘 要】用MATLAB对电快速脉肿群干扰试验所用干扰脉冲波形进行了频谱分析.结果表明,这种干扰是一种广谱干扰,用普通的滤波方法很难消除.为此,提出了用吸收式滤波器消除这种干扰的方法以及实现过程中试验、调试应注意事项. 【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》 【年(卷),期】2005(002)007 【总页数】3页(P245-247)

【关键词】快速脉冲群干扰;频谱;吸收式滤波器 【作 者】付润江;金波;杜勇

【作者单位】长江大学电子信息学院,湖北,荆州,434023;长江大学电子信息学院,湖北,荆州,434023;长江大学电子信息学院,湖北,荆州,434023 【正文语种】中 文

【中图分类】TN911.7;TN713

电快速脉冲群干扰试验是IEC标准和国家标准规定的试验项目[1,2]，用来检验仪器设备抗瞬态干扰的能力。在实际电网中，电感负载断开、继电器触点切换以及电钻操作时在电网上产生瞬态脉冲群(EFT)干扰，它可以使受试设备的数字系统尤其是CPU系统完全陷入混乱，程序跑飞、系统不断复位、数据出现混乱。

为此，笔者用Matlab分析了电快速脉冲群的频谱，提出了用吸收式滤波器消除脉

冲群干扰的方法。 1 电快速脉冲群的频谱分析

试验设备所产生的瞬态脉冲群[3]如图1所示, 单个脉冲的波形[3]如图2所示。图中，U为电压，t为时间。 图1 电快速脉冲群示意图

图2 接50Ω负载时单个脉冲的波形

下面以4kV的电快速脉冲群干扰为例，用Matlab分析其频谱。由于脉冲群可以看成脉冲周期函数和门函数的乘积，笔者先分析出周期脉冲的频谱(单指数脉冲的波形如图3；其频谱如图4。周期函数的频谱就是对图4所示的频谱进行离散抽样)，然后将它与门函数的频谱(图5)卷积。为简单起见，只分析图1 所示理想波形构成的脉冲群的频谱，其结果如图6所示；图7是电快速脉冲群中相邻脉冲的谱线。实际双指数波形的频谱与此形状相似，只是高频分量衰减略快一些。 图3 理想单脉冲的波形 图4 理想单脉冲的频谱 图5 门函数的频谱

结果表明，电快速脉冲群干扰是一个广谱的干扰，其频谱类似图4所示钟形频谱，只不过其频谱是由无数条离散的谱线组成，谱线在0到十几MHz的范围内密集分布，频谱的3dB带宽约8MHz。相邻2个主要干扰分量之间间隔5kHz，如图7所示。

图6 电快速脉冲群频谱

图7 电快速脉冲群相邻脉冲的频谱 2 电快速脉冲群干扰的消除 图8 电源滤波电路

图9 铁氧体吸收式低通滤波器的阻抗特性

这样，广谱的干扰通过电源线以共模的方式耦合进系统，将很难消除。必须在电源进线上采取滤波措施，在电源前级将其滤除。通常的滤波器型式如图8所示。 以4kV的电快速脉冲群干扰为例。为了使尖脉冲不至于使CPU产生复位，必须将其幅度衰减到0.5V以下。这就是说要在5kHz～几十MHz的范围内，将所有频率的信号都衰减8000倍，或者说80～100dB。这样一个滤波器用传统的方法是难以实现的。

吸收式滤波器[4]是由有耗器件构成的，在阻带内吸收噪声的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。用于电磁噪声抑制的铁氧体是一种磁性材料，由铁、镍、锌氧化物混合而成，具有很高的电阻率和较高的磁导率。铁氧体一般做成中空型，导线穿过其中。当导线中的电流穿过铁氧体时低频电流可以几乎无衰减地通过，但高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发，所以铁氧体和穿过其中的导线即成为吸收式低通滤波器。

它可等效为电阻和电感的串联，但电阻值R和电感量X都是随频率f而变化的，总的阻抗为Z(f)= R(f )+j X (f )，式中X(f )=ωL(f)。图9 是典型的铁氧体的Z,R,X随频率变化的曲线。由图9可见,总阻抗随频率f的升高而增加。在低频段内，X>R，这时电感起主导作用；而在高频段内，X铁氧体吸收式滤波器与常规的电感滤波器相比具有更好的高频滤波特性，因为电感器在高频时的分布电容会使电感器的实际阻抗下降，从而降低滤波性能;而铁氧体滤波器在高频时电阻值大于感抗，主要呈现电阻性，相当于一个品质因素很低的电感器，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高了高频滤波性能。

铁氧体滤波器可做成元件型、多线磁珠、磁环、磁板等。

一般仪表中，通常使用磁环。使用铁氧体磁环时应注意以下事项：①电缆或导线应与环内径密贴，不可留太大的空隙，这样导线上电流产生的磁通可基本上都集中在磁环内，从而增加滤波效果。②磁环越长阻抗越大。③有时为增加阻抗可以把导线在磁环上多绕2圈。理论上阻抗与匝数平方成正比，但由于匝与匝之间存在分布电容，高频时实际增加的阻抗不可能达到预期效果，具体的匝数由试验确定。通常在几到几十匝之间。④磁环内的导线如流过直流或低频交流电流的强度较大，则会使其滤波作用失效，因为铁氧体磁环与其他电感器铁芯相比易产生磁饱和，这时磁导率急剧下降，阻抗也随之下降。因此，在仪表电源电流较大或三相供电的情况下，应选用大直径的磁环，所有电源线同时并绕，以使流过线圈的交流电流相互抵消。⑤对于塑料壳的仪表，通常没有外壳接地端，滤波器只需图8中左边虚线框中的电路即可。这时应适当增加线圈的匝数，以使脉冲群的能量尽可能被吸收。⑥用于绕制线圈的导线应有良好的绝缘层，以满足电源线之间良好的绝缘。 3 结 语

使用吸收式滤波时，选择高磁导率的铁氧体磁环[4]，适当调整线圈的匝数，可以比较完全地吸收电快速脉冲群的能量，从而避免电快速脉冲群对数字系统的干扰，大大提高仪器设备，尤其是含CPU的智能设备的可靠性。 [参考文献]

[1]IEC1000-4-4:1995,电磁兼容性(EMC)[S]. [2]GB/T17626.4:1998,电磁兼容[S].

[3]沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京:中国电力出版社，1999. [4]白同云，吕晓德.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社，2001.