电机综合保护器抗干扰能力的影响因素与增强措施研究

　　史张鹏

　　【摘 要】电机综合保护器在工业领域广泛应用于电机的保护与监测，其抗干扰能力直接影响设备的运行稳定性和安全性。然而，电磁干扰、电网波动、高频瞬态信号等干扰因素可能导致保护器误动作或失效。基于此，本文研究了电机综合保护器抗干扰能力相关问题，分析了电机综合保护器的工作原理、常见干扰类型，以及影响抗干扰性能的硬件电路设计、软件算法和外部环境因素，最后探讨了增强电机综合保护器抗干扰能力的措施，以期为其高可靠性设计提供参考。

　　【关键词】电机综合保护器；抗干扰能力；硬件优化；软件优化；实验验证

　　引言

　　在现代工业生产中，电机作为各类机械设备的核心动力源，广泛应用于各个领域。电机综合保护器作为保护电机正常运行的重要装置，能够实时监测电机的运行状态，在电机出现过载、短路、缺相、漏电等故障时迅速动作，保护电机免受损坏，从而保障生产的连续性和稳定性。然而，随着工业自动化程度的不断提高，电机运行环境日益复杂，各种干扰源对电机综合保护器的正常工作产生了严重影响，导致保护器误动作或拒动作，无法有效保护电机，进而影响生产效率，甚至引发安全事故。本文围绕影响保护器抗干扰性能的主要因素，探讨硬件优化（如电源滤波、信号隔离、PCB 设计）、软件优化（如滤波算法、数据容错处理）及外部环境防护措施，以期为电机综合保护器的高可靠性设计提供参考。

　　一、电机综合保护器工作原理与干扰类型

　　（一）电机综合保护器工作原理

　　电机综合保护器主要通过对电机运行过程中的多种电气参数进行实时监测与分析，来实现对电机的保护功能。电机综合保护器借助电流互感器、电压传感器等设备采集电机的三相电流、电压信号，这些信号经过调理电路转换为适合后续处理的电压信号。微处理器对采集到的信号进行计算和分析，依据预设的阈值和算法判断电机的运行状态。例如，通过监测电流大小来检测电机是否过载，对比三相电流的平衡度判断是否缺相；利用电压信号监测电机的过压、欠压情况[1]。一旦微处理器检测到电机运行参数超出正常范围，便立即驱动执行机构动作，如切断电机的供电回路，避免电机因故障而损坏，同时还可输出报警信号通知操作人员，实现对电机全方位、实时的保护，确保电机安全稳定运行。

　　（二）干扰类型及特点

　　电机综合保护器在实际运行中会面临多种干扰源的综合影响。电磁干扰主要来自电机运转时产生的电磁辐射以及周边电气设备的电磁泄漏，其频带范围宽泛，从低频到高频均可能对保护器的信号采集和处理电路造成干扰，进而引发误动作。电源干扰主要表现为电压波动、浪涌和谐波污染，其中电压波动会导致保护器工作电源不稳定，浪涌可能造成电子元件瞬时损坏，而谐波则会干扰电流电压信号的准确测量。在信号传输方面，长距离线路容易受到电磁感应影响，产生共模和差模干扰，导致信号波形畸变和传输误码。此外，环境中的静电干扰具有瞬时高压特性，不仅可能击穿敏感电子元件，还会破坏保护器的电路结构，且其随机性强、难以预测防范。这些干扰因素相互作用，严重影响保护器的可靠性和测量精度。

　　二、影响电机综合保护器抗干扰能力的因素

　　（一）硬件电路设计因素

　　硬件电路设计对电机综合保护器抗干扰能力影响重大。电源电路方面，若滤波电容容量不足或品质不佳，无法有效滤除电源中的高频噪声，会使干扰信号进入后续电路，影响处理器及其他芯片的正常工作；信号采集电路中，传感器选型不当或布线不合理，易引入外界干扰。例如，使用普通导线而非屏蔽线采集微弱信号，易受电磁感应干扰，导致采集信号失真，进而影响电机运行参数的准确判断；处理电路若抗干扰能力差，如微处理器抗噪声容限低，在受到外界干扰时，可能出现程序跑飞、数据错误等情况；输出电路若驱动能力不足或隔离措施不完善，不仅会使控制信号传输受阻，还可能因干扰产生误动作，无法可靠控制电机，严重影响电机综合保护器的抗干扰性能与整体可靠性。

　　（二）软件算法设计因素

　　软件算法设计，信号处理算法的优劣直接影响干扰抑制效果，简单的滤波算法对复杂干扰适应性差，难以精准提取真实信号。比如均值滤波对随机脉冲干扰抑制能力有限，会导致测量的电流、电压等参数存在偏差，影响对电机运行状态的判断；故障判断算法若缺乏抗干扰设计，在干扰下易出现误判。例如，基于简单阈值比较的故障判断方法，当干扰使信号瞬间波动超出阈值时，可能误报电机故障；控制算法的稳定性也至关重要，若在干扰下无法维持稳定的控制输出，会使电机运行异常[2]。如传统比例—积分—微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制算法在面对强干扰时，响应速度和调节精度难以平衡，可能导致电机转速波动，甚至损坏设备，可见软件算法设计需充分考虑抗干扰需求，以提升保护器性能。

　　（三）外部环境因素

　　在电磁环境中，强电磁辐射源如大型变压器、高频焊机等产生的交变电磁场，易通过空间耦合和线路传导干扰保护器。其干扰频率和强度复杂多变，可能致使信号传输畸变、电路误触发；温度环境方面，高温会使电子元件参数漂移，降低其性能和可靠性，增大漏电流，引发误动作。低温则可能导致电容容值变化、焊点变脆，影响电路稳定性；湿度环境同样关键，高湿度易造成电子元件引脚氧化、电路板短路，降低绝缘性能，干扰信号传输与处理；振动环境下，保护器内部元件焊点可能松动，接插件接触不良，使电路间歇性断路或短路，产生虚假信号，干扰正常工作，严重时直接损坏设备，这些环境因素综合作用，给电机综合保护器的稳定运行带来挑战。

　　三、电机综合保护器抗干扰能力的增强措施

　　（一）硬件电路优化措施

　　硬件电路优化是增强电机综合保护器抗干扰能力的重要基础，可从电源电路、信号采集电路、处理电路和输出电路等方面进行改进。

　　电源电路优化方面，可采用隔离变压器，保证电源稳定，可有效切断电源中电磁干扰传导路径，隔离初、次侧电器连接，减少对电源系统的外界干扰，同时还可实现对电源系统的电力输送和电力输送。同时，合理配置电源输入端和输出端的滤波器，如能有效过滤不同频率干扰信号的电容式、电感式滤波器等。电容在高频干扰中扮演了一个旁路的角色；电感呈现高阻抗，对低频干扰阻碍其通过。另外，采用线性稳压芯片或开关稳压芯片等稳压电路，可以稳定输出电压，避免电压波动对后续电路的影响。

　　信号采集电路优化，要选用高精度、抗干扰能力强的传感器是关键，如采用霍尔效应传感器采集电流信号，它具有良好的线性度和抗电磁干扰能力。在布线方面，使用屏蔽电缆传输信号，屏蔽层接地可有效防止外界电磁干扰进入信号线路。同时，采用差分输入方式，将信号以差分形式传输，能抑制共模干扰，因为差分信号对共模干扰具有很强的抑制能力，只有差分信号中的差值才会被处理电路识别。另外，在信号采集电路中添加滤波电路，如低通滤波器，可滤除高频干扰信号，只允许有用的低频信号通过。

　　处理电路优化，需选择抗干扰能力强的微处理器，如具有看门狗定时器的芯片，当程序因干扰出现跑飞时，看门狗定时器能在设定时间内未收到正常信号时，强制复位微处理器，使程序恢复正常运行。采用冗余设计，如使用多个相同功能的芯片进行并行处理，当一个芯片出现故障时，其他芯片仍能正常工作，保证系统的可靠性[3]。同时，在电路板布局上，合理分区，将模拟电路和数字电路分开，减少相互干扰。

　　输出电路优化，可采用光电隔离技术，将输入和输出电路进行电气隔离，防止输出端的干扰反馈到输入端。使用继电器隔离，可在强电和弱电之间形成有效的隔离屏障，避免强电干扰对弱电控制电路的影响。对输出电路进行功率放大，提高输出信号的驱动能力，使控制信号能够稳定地驱动负载设备，减少因驱动能力不足而导致的误动作。

　　（二）软件算法优化措施

　　在信号处理算法优化方面，传统滤波算法难以应对复杂干扰，而卡尔曼滤波算法通过建立状态方程和观测方程，能实时最优地估计信号，有效滤除电流电压信号中的随机噪声，为故障判断提供精确依据。针对传统固定阈值法易受干扰导致误判的问题，神经网络算法通过训练学习各种故障特征，能准确区分干扰信号与真实故障，大幅提升判断可靠性。

　　控制算法优化方面，自适应PID 控制通过实时调整比例、积分、微分系数，有效应对负载突变和强干扰。同时，模糊控制算法将操作经验转化为控制规则，无需精确数学模型即可处理复杂干扰情况，显著提升电机在干扰环境下的控制性能。这些先进算法相互配合，共同提高了电机综合保护器的抗干扰能力和控制精度[4]。

　　（三）外部环境防护措施

　　针对电磁干扰，可使用金属屏蔽罩将电机综合保护器整体包裹，利用金属良好的导电性和导磁性，使外界电磁场在屏蔽罩表面产生感应电流，进而产生反向磁场来抵消外界干扰磁场，形成有效的电磁屏蔽层。在布线方面，将信号传输线和电源线分开铺设，避免因线路耦合产生干扰。同时，对信号传输线采用屏蔽电缆，并确保屏蔽层两端可靠接地，最大限度减少电磁干扰对信号传输的影响。

　　温度环境防护方面，当工作环境温度过高时，可在保护器外壳安装散热片，通过增大散热面积，将内部产生的热量快速散发到周围环境中。配合散热风扇，利用强制对流的方式，进一步提高散热效率，确保电子元件工作在正常温度范围内。若环境温度过低，可采用加热装置，如电加热膜，为保护器提供适宜的工作温度，防止因低温导致电子元件性能下降或出现故障。

　　湿度环境防护方面，在保护器内部线路板上涂上三防漆，形成保护膜，能有效防止湿气、灰尘及化学物质对线路板的侵蚀，提高线路板的绝缘性能，避免因潮湿而造成的短路等故障，在保护设备内部线路板上涂上三防漆，在设备安装位置的选择上，应尽量避开潮湿地带，如果无法避免，可在安装处设置防潮箱，并放置干燥剂，将周围环境中的水分吸收掉，减少湿度对保护器的影响[5]。

　　振动防护方面，应合理机械固定，采用避震垫将保护件与安装基座隔开，而避震垫通常采用能有效吸收和缓冲震动能量，减少震动传递到保护件上的高弹性材料，如橡胶、硅胶等。同时对内部电子元件进行加固处理，如采用胶水固定贴片元件，采用螺钉/ 螺栓固定的插接式元件，确保元件在振动环境下不松动、不脱落，确保线路连接的稳定性，避免接触不良或因振动而造成短路等问题，同时对内部电子元件进行加固处理。

　　四、实验研究与结果分析

　　（一）实验平台搭建

　　为验证电机综合保护器抗干扰措施的有效性，以一台三相异步电机作为测试对象，模拟实际运行工况。将待测试的电机综合保护器接入电机控制回路，用于监测和保护电机。使用信号发生器和功率放大器模拟不同类型的干扰源，如电磁干扰、电源干扰等，精确控制干扰的强度和频率。配备高精度的电流、电压传感器，实时采集电机运行参数。同时，利用数据采集卡将传感器信号传输至计算机，通过专业软件对数据进行记录和分析，从而构建出完整的实验平台，为后续实验提供基础。

　　（二）实验方案设计

　　为全面探究电机综合保护器抗干扰措施的效果，实验采用多组对比方式。设置未施加任何抗干扰措施的对照组，同时设立多个实验组，分别采用硬件电路优化、软件算法改进、外部环境防护等单一措施，以及这些措施的不同组合方式。针对复杂多样的干扰类型，精心构建多种干扰场景。在电磁干扰场景中，借助信号发生器和功率放大器，模拟从低频到高频的强电磁辐射环境，精确调控干扰的频率和强度，从50 Hz 工业低频干扰到100 MHz 以上的高频干扰。在电源干扰场景，设置±10% 额定电压的波动范围，以及幅值为额定电压2~5 倍的浪涌干扰。

　　实验进程中，利用高精度的电流、电压传感器，实时采集电机的三相电流、电压、功率因数等运行参数。每5 分钟记录一次数据，对比不同组别在相同干扰场景下的运行情况，深入分析各抗干扰措施及组合对电机运行稳定性、参数准确性以及保护功能可靠性的影响，从而全面评估抗干扰措施的有效性。

　　（三）实验结果分析

　　对比对照组和各实验组数据，在电磁干扰场景下，未采取抗干扰措施的对照组电机运行参数波动明显，误报警频繁，而采用电磁屏蔽及优化软件算法的实验组，运行参数波动小，误报率显著降低。电源干扰场景中，仅靠硬件电源电路优化的实验组，对电压波动有一定抵御能力，但面对浪涌时仍有故障；结合硬件、软件及外部防护措施的实验组，能有效应对各类电源干扰，稳定运行。综合来看，多措施组合的抗干扰效果最佳，为电机综合保护器抗干扰设计提供了有力依据。

　　结语

　　本文围绕电机综合保护器抗干扰能力展开研究，分析了其工作原理、常见干扰类型，探讨了硬件电路设计、软件算法及外部环境等影响因素，并提出相应增强措施。通过实验验证，发现多措施组合能有效提升抗干扰能力。这一系列研究为电机综合保护器的高可靠性设计提供了重要参考。未来，随着工业环境愈发复杂，应持续探索更先进的抗干扰技术，以保障电机安全稳定运行，推动工业自动化进一步发展。

　　参考文献：

　　[1] 柳溪.电机综合保护器在低压系统中的应用[J].内燃机与配件,2017(24):153-154.

　　[2] 陈彦睿.局部通风电机智能保护器优化设计[J].机械工程与自动化,2024(04):140-141+144.

　　[3] 程玮.简析智能电机保护器在电机保护中的应用[J].石河子科技,2022(02):33-34.

　　[4] 宋江波,宗鸣.电热式智能电机综合保护器的研究[J].电工技术,2021(19):122-124+127.

　　[5] 李红卫,朱凌彤.基于单片机的智能电机保护器的设计[J].工业控制计算机,2021,34(06):115-116+120.