智能电网电力集中器静电放电抗扰度机理及防护方法_居荣

第31卷第12期2011年12月

电力自动化设备

ElectricPowerAutomationEquipment

Vol．31No.12Dec.2011

智能电网电力集中器静电放电抗扰度机理及防护方法

居

荣1，赵

阳1，2，刘

勇1，颜

伟1，王恩荣1，邱晓辉2

（1.南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏南京210042；

2.东南大学毫米波国家重点实验室，江苏南京210096）

摘要：针对智能电网中电力集中器等电子设备产生的静电放电（ESD）抗扰度问题，分别利用电路理论和Wilson偶极子模型分析了静电感应产生的高电压、大电流以及辐射电磁场，建立了非金属绝缘外壳系统、无接地系统和敏感器件模型。提出了基于ESD地和电磁屏蔽的静电放电防护方法，即通过ESD地与大地之间的分布电容泄放高电压、大电流，利用ESD地和电磁屏蔽改变辐射电磁场的场强与空间分布。实验结果表明，所提方法可以有效提高电力集中器静电放电抗扰度等级，并通过GB／T17626.2—2006标准。关键词：静电放电；电力集中器；智能电网；保护；电磁兼容中图分类号：TM461

文献标识码：A

文章编号：1006-6047（2011）12-0030-04

0引言1ESD产生机理

随着半导体集成技术的发展，半导体集成电路得到了广泛的应用，促使电子产品日趋微型化、智能化，但是半导体集成电路中的多数器件对静电放电ESD（ElectroStaticDischarge）极为敏感［1-3］。此外，智能电网中电子设备大多安置于野外环境，易受到ESD影响。因此，ESD抗扰度问题严重影响着电子设备的正常工作。

国内外研究表明，ESD是造成电子设备故障的主要因素之一［4-7］。一般而言，ESD主要通过传导耦合和辐射耦合2种方式产生较高的电压、较大的电流或极强的电磁场，从而影响电子设备内部的半导体场效应管、复位芯片、薄膜电路、精密控制芯片等静电敏感器件，甚至损坏器件，导致设备工作状态出现异常，直接影响产品的质量、寿命、可靠性和经济性［8-9］。目前，国内外专家已逐渐重视并开展ESD问题研究，尽管如此，仍缺乏系统的ESD理论和工程解决方案［10-13］。

针对上述问题，本文利用Wilson模型［14-15］分析了ESD产生机理，包括传导耦合和辐射耦合，并提出了ESD综合解决方案。实验结果表明，采用所提方法可有效地提高某商用智能电网电力集中器的ESD抗扰度等级，并通过了GB／T17626.2—2006标准［16］。

收稿日期：2011－05－25；修回日期：2011-10-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51075215）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2011789）；毫米波国家重点实验室开放基金资助项目（K200903，K201106）

静电产生的2种主要方式为物体间相互摩擦分离和感应起电。对于物体间相互摩擦分离而言，当2个绝缘体互相接触并产生摩擦时，电荷会从一个绝缘体转移到另一个绝缘体；但当2个绝缘体被分离时，由于绝缘体上所带的电荷无法自由移动，因此电荷仍然留存于2个绝缘体中，即一个带正电，另一个带负电。然而，对于感应起电而言，若将一个呈电中性的导体放入静电场中，将会导致中性导体上的平衡电荷分离而产生静电，如图1所示。此外，由于静电电荷较难测量，可以通过测量电压间接得到电荷大小，即U=Q／C，C∝εS／d，其中，ε为介电常数，S为正对面积，d为间距。对于ESD而言，电荷总量通常为一定值，故随着物体的分离，电容逐渐减小，电压不断增大。

带电体

中性导体

图1静电感应产生静电原理

Fig.1Schematicdiagramofelectrostaticinduction

另一方面，ESD会产生相应的电磁场，根据Wilson偶极子模型，考虑到ESD引起的电磁场可以等效为一个时变线性的电偶极子产生的辐射电磁场，且电流均匀分布，据此可以得到距离放电中心R处某点的电场和磁场表达式：

ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（51075215），theNaturalScienceFoundationofJiangsuProvince（BK2011789）andtheFoundationofStateKeyLabofMillimeterWaves（K200903，K201106）

H（z，r，t）=eΔlr×

i（t-R／c）+1坠i（t-R／c）

∝

（1）

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居荣，等：智能电网电力集中器静电放电抗扰度机理及防护方法

E（z，r，，t）=arΔlrz×

0的冲击电流直接进入电子电路。此外，PCB电路所

∞

乙

3i（t-R／c）+1i（t-R／c）

+

3z2-1

azΔl×

乙i（t′-R／c）dt′-3乙i（t′）dt′+

t

3

00

乙

采用的大多为低压小电流器件，其耐压等级较低。

乙

乙

乙

ESD冲击电流会导致敏感器件无法正常工作，甚至损坏敏感器件，此为无接地系统ESD模型。1.3敏感器件ESD模型

ESD严重影响电路中的敏感器件，从而导致整

个电子系统无法正常运行。敏感器件多为半导体器件，而ESD易击穿半导体器件氧化层，高密度泄放电流易烧熔器件，高击穿电压易破坏器件功能性，此为敏感器件ESD模型。

t

3

i（t′-R／c）dt′-3

R

3

i（t）dt+

∞

乙

乙

2i（t-R／c）r-i（t-R／c）（2）2

cR其中，、r、z分别为场点所在位置的3个坐标轴的坐标，e、ar、az分别为、r、z3个方向的单位矢量，Δl为放电火花长度，ε0为真空介电常数，c为光速，R为观察点到放电中心的距离，t为时间，t′为积分变量。

由式

（1）和式（2）可见，在ESD火花放电的近场

乙乙乙

2ESD防护方法

区域主要是电荷引起的感应场，但其随空间距离衰减较快；而在远场区域主要是放电电流产生的辐射场。

根据ESD抗扰度试验国家标准GB17626.2—2006规定，ESD的试验包括如下3种：空气放电试验；接触放电试验；间接放电试验，含水平耦合板和垂直耦合板放电试验。根据国家电网要求，智能电网电力集中器均为非金属绝缘体外壳的无接地系统，因此，智能电网电力集中器易通过空气放电试验和接触放电试验，但较难通过水平耦合板和垂直耦合板放电试验。

由图1、式（1）和式（2）可见，一方面，ESD会产生较高的感应电压或感应电流，另一方面，ESD会产生相应的电磁场，从而严重影响电力设备的正常运行。在实际工程应用中，智能电网的电力集中器一般为非金属外壳的无接地系统，因此，为了有效解决电力集中器的ESD抗扰度问题，本文建立了如下3个ESD模型。

1.1非金属绝缘体外壳ESD模型

电力电子设备根据外壳的导电性可分为金属外壳和非金属绝缘体外壳。对于金属外壳设备而言，其金属外壳可以作为ESD电流的一个泄流路径，但易引入传导ESD；对于非金属绝缘体外壳设备，虽然较大程度缓解了接触放电，但易存储电荷，并引起较强的辐射电磁场，影响敏感器件。当进行水平耦合板或者垂直耦合板放电试验时，电力集中器的塑料外壳会聚集大量同极性的电荷，其产生的辐射电磁场进入PCB电路，产生了ESD，从而严重影响电路的正常运行，此为非金属绝缘体外壳ESD模型。1.2无接地系统ESD模型

对外无接地的电力电子系统称为无接地系统，对于没有外部接地的电力电子产品而言，ESD电流无法直接通过地线流出设备，因此，不存在直接而快速的泄流途径，外壳上聚集的大量电荷会产生一定

针对ESD问题，通常可采用4种防护方法，包括静电泄漏与耗散、静电中和、静电屏蔽和环境增湿。然而根据国家标准，测试环境具有标准的空气湿度，因此无法实现环境增湿。此外，现有的静电中和材料如静电消除器，易随时间逐渐损耗，系统鲁棒性较低。据此，本文提出了基于ESD地和电磁屏蔽的ESD防护方法。

ESD地为静电泄漏与耗散路径，对于金属外壳的电子设备而言，ESD的“ESD地”或者参考地本质上就是金属外壳或内部的ESD接地板。为了减少并消除ESD电流，保护敏感器件，需要在输入电路和金属外壳之间接入瞬态保护抑制器或者滤波器，如图2所示。然而对于智能电网电力集中器等非金属绝缘外壳电子设备而言，需要在产品内部设置一个独立的ESD地，同时在ESD地与输入电路之间接入瞬态保护抑制器或者滤波器。若电子设备既不是金属外壳又没有ESD地，可以使用电阻器或者铁氧体磁环减小放电电流，并在大地和输入电路之间接入瞬态保护抑制器或者滤波器。瞬态保护抑制器的作用是减少并消除PCB走线中的ESD电流；滤波器的作用是最小化甚至消除器件输入端与接地端之间的瞬态静电电压；而电阻或者铁氧体磁环的作用是降低PCB走线上的高频电流，以减小ESD电流对敏感器件的影响。

图2瞬态保护抑制和滤波器运用原理

Fig.2SchematicdiagramoftransientvoltagesuppressorandEMIfilter

根据等电位体原理，可在电子设备中设计静电膜，从而形成一个封闭空间，实现电磁屏蔽，其空间

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内部场强为0。将敏感器件和敏感电路模块等置于静电膜中，即可大幅降低辐射电磁场产生的影响。

第31卷

由于静电防护膜可等效为一个等电位体，因而其内部空间的电磁场为零，电压差也为零，从而提高了系统的稳定性。

此外，为了分析上述2种防护措施的优劣性，本文进行了3个ESD实验，包括仅采取ESD地措施、仅采取电磁屏蔽措施以及同时采取ESD地措施和电磁屏蔽措施。实验结果表明，当进行水平耦合板和垂直耦合板试验时，单独采取ESD地措施无法通过8kV测试，但是其承受的最大静电电压比未采取防护措施前有较大增加；单独采取电磁屏蔽措施亦无法通过8kV测试，但是其承受的最大静电电压比未采取防护措施前有一定增加；当同时采取2种措施进行ESD防护时，电力集中器可以完全通过8kV测试，测试结果如表1所示，从而验证了本文方法的有效性。

表1分别采取各种防护措施的测试结果及分析

3实验结果与分析

为了验证上述方法，本文分析了某商用DJGZ22-

GY200型电力集中器的ESD抗扰度问题。按照ESD抗扰度试验国家标准GB／T17626.2—2006，其ESD试验等级为：接触式ESD8kV，空气式ESD15kV，水平耦合板和垂直耦合板ESD8kV。实验结果表明，

该款电力集中器可以通过接触放电和空气放电试验，但无法通过水平耦合板和垂直耦合板试验。当在水平耦合板或垂直耦合板上加载8kV电压时，电力集中器会自动复位、重启。由此可见，此产品的

ESD问题属于辐射性ESD，其ESD主要是通过空间

电磁场耦合导致系统运行异常。研究发现，该款电力集中器的外壳为塑料材料，属于非金属绝缘体外壳系统。同时，该款电力集中器采用两线工作方式，只有零线和火线，内部不存在地线，属于典型的无接地系统。此外，其敏感器件主要集中在控制板上，当对其进行ESD时，空间电磁场导致敏感器件无法正常工作，从而使系统自动复位、重启。

针对上述问题，本文设计了如下防护措施。

Tab.1Experimentalresultsandanalysisof

differentpreventivemeasures

采取的措施

测试结果

接触式（8kV）

空气式（15kV）

耦合板式（8kV）

理论分析存在辐射性ESD问题，空间电磁场强较大，缺乏快速有效的静电泄流路径和敏感器件的防护

增加的ESD地提供了快速有效的泄流路径，但是敏感器件易受空间电磁场影响

敏感器件得到保护，但系统缺乏快速有效的泄流路径系统有快速有效的泄流路径，且敏感器件得到保护

3.1ESD地

根据上述分析可见，DJGZ22－GY200型电力集中器为一个典型的无接地系统，因此需要创造一个供ESD使用的ESD地。在集中器内部侧边中心位置固定一个尺寸为60mm×60mm的静电膜，底部中心位置固定一个150mm×150mm的静电膜，并且将侧边和底部的静电膜用粗导线连接，即为该电力集中器制造了一个ESD地。外壳上的电荷和来自电路板内部的ESD能量可通过ESD地和大地之间的分布

ESD地

C大地

无通过通过未通过

增加ESD地

通过通过

未通过（承受的最大电压有一定增加）未通过（承受的最大电压有一定增加）通过

电磁屏蔽增加ESD地、电磁屏蔽

通过通过

I

通过

通过

系统的ESD性能。

Fig.3Schematicdiagramof

布电容的阻抗较小，因此易currentreleasethrough实现泄流，并将ESD能量引distributedcapacitance

betweenESDground

入大地，从而提高了无接地andreferenceground

电容消耗掉，如图3所示，

其中C为ESD地和大地图3ESD地与大地之间的

分布电容泄流原理之间的分布电容，由于该分

4结语

针对智能电网电力集中器等电子设备产生的

ESD抗扰度问题，本文利用Wilson模型分析了静电

生成机理，建立了非金属绝缘外壳系统、无接地系统和敏感器件ESD模型。据此，本文提出了基于ESD地的ESD防护方法，同时结合电磁屏蔽措施，极大提高了电力设备ESD抗扰度等级。实验结果表明，采用本方法，可有效提高DJGZ22-GY200型电力集中器ESD抗扰度等级，并通过GB／T17626.2—2006标准，从而极大加强了智能电网电子设备的稳定性和鲁棒性。

3.2电磁屏蔽

电磁屏蔽是辐射性ESD防护最常用也较为有

效的方法。分析该款电力集中器发现，其敏感器件主要集中在控制板上，因此应对控制板采取ESD防护措施。在电力集中器的核心板（即控制电路）设计了相应的电磁屏蔽措施，即在控制电路周围加上静电防护膜。当控制电路被放置于静电防护膜内时，

第12期

居荣，等：智能电网电力集中器静电放电抗扰度机理及防护方法

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（编辑：李

作者简介：

居

莉）

荣（1964-），男，江苏高邮人，副院长，副教授，研究方

向为人工智能技术在电力系统中的应用（E-mail：jurong@njnu.

http://wendang.chazidian.com）；

赵

阳（1966-），男，江苏南京人，教授，博士研究生导师，

主要研究方向为电气工程、电磁兼容（E-mail：zhaoyang2@njnu.

ZHOUXing，WEIGuanghui，ZHANGXijun.CalculationofESDradiationfieldsandcouplingofESDEMPtoatransmission

http://wendang.chazidian.com）。

ESDmechanismofpowerconcentratoranditsprevention

JURong1，ZHAOYang1，2，LIUYong1，YANWei1，WANGEnrong1，QIUXiaohui2

（1.SchoolofElectrical&AutomationEngineering，NanjingNormalUniversity，Nanjing210042，China；

2.StateKeyLabofMillimeterWaves，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China）

Abstract：ThecircuittheoryandWilson’sdipolemodelareemployedtoinvestigatetheESD（ElectroStaticDischarge）mechanismofpowerconcentratorusedinsmartgrid，includingtheelectrostatichighvoltage，highcurrentandradiatedelectromagneticfield.Themodelsofnon-metallicinsulationcasesystem，non-groundingsystemandsensitivedevicecomponentsarethusestablished.ItisproposedtoapplytheESDgroundandelectromagneticshieldingtopreventESD，whichreleasesthehighvoltageandhighcurrentthroughthedistributedcapacitancebetweenESDgroundandreferencegroundandchangestheintensityandspatialdistributionofradiatedelectromagneticfieldbyESDgroundandelectromagneticshielding.Theexperimentalresultsshowthat，theESDlevelofpowerconcentratorisefficientlyimproved，conformabletoGB／T17626.2-2006.

Keywords：electrostaticdischarge；powerconcentrator；smartgrid；protection；electromagneticcompatibility