FTU系统控制板共模浪涌（SURGE）干扰案例分析
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、被干扰对象），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;被干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。
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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、被干扰对象），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;被干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。
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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。
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