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電力設備電磁兼容問題研究

一、 前言 


電力係統中,在電網容量增大、輸電電壓增高的同時,以計算機和微處理器為基礎的繼電保護、電網控製、通信設備得到廣泛采用。因此,電力係統電磁兼容問題也變得十分突出。例如,集繼電保護、通信、SCADA功能於一體的變電站綜合電力設備,通常安裝在變電站高壓設備的附近,該設備能正常工作的先決條件就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產生的極強的電磁幹擾。此外,由於現代的高壓開關常常與電子控製和保護設備集成於一體, 因此,對這種強電與弱電設備組合的設備不僅需要進行高電壓、大電流的試驗, 同時還要通過電磁兼容的試驗。GIS的隔離開關操作時,可以產生頻率高達數兆赫的快速暫態電壓,這種快速暫態過電壓不僅會危及變壓器等設備的絕緣,而且會通過接地網向外傳播,幹擾變電站繼電保護、控製設備的正常工作。隨著電力係統自動化水平的提高,電磁兼容技術的重要性日益顯現出來。 


按照國際電工委員會(1EC)定義,電磁兼容(EMC)是指設備或係統在其電磁環境中能正常工作,且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁幹擾的能力。EMC電磁兼容學是一門新興的跨學科的綜合性應用學科,作為邊緣技術,它以電氣和無線電技術的基本理論為基礎,並涉及許多新的技術領域,如微電子技術、計算機技術、微波技術、通信技術和網絡技術以及新材料應用等等。電磁兼容技術研究的範圍很廣,幾乎涵蓋了所有自動化應用領域,如電力、通信、無線電、交通、航天、軍工、計算機和醫療等。 


處於同一電力係統中的各種電氣設備通過電或磁的聯係彼此緊密相連,相互影響,由於運行方式的改變,故障,開關操作等引起的電磁振蕩會波及很多電氣設備,使這些電氣設備的工作性能受到影響,甚至遭到破壞,這些都說明電力係統電磁兼容問題已經成為不容忽視的問題。 


二、 關於電磁兼容的幾個概念 


1、電磁兼容環境(EME) 


它指存在於給定場所的所有電磁現象的總和。給定場所即空間,指所有電磁現象包括全部時間與全部頻譜。 


2、電磁兼容(EMC) 


EMC指設備或係統在其電磁環境中能正常工作,且不對該環境中任何事物構成電磁幹擾。作為一門學科,EMC可以翻譯為“電磁兼容”。而作為一個設備或係統的電磁兼容能力,則可稱為“電磁兼容性”。由定義可以看出EMC包括兩個方麵的含義,即設備或係統產生的電磁發射,不致影響其它設備或係統的功能;而本設備或係統的抗幹擾能力,又足以使本設備或係統的功能不受其它幹擾的影響。 


3、電磁幹擾(EMI) 


電磁幹擾指任何可能引起裝置、設備和係統性能降低或對有生命物質產生損害作用的電磁現象。它由幹擾源、耦合通道和接受器3部分構成。根據幹擾傳播的途徑,電磁幹擾分為輻射幹擾和傳導幹擾。輻射幹擾(RI)是通過空間並以電磁波的特性和規律傳播的,但不是任何裝置都能輻射電磁波的;傳導幹擾(CI)是沿著導體傳播的幹擾,即傳導幹擾的傳播在幹擾源和接受器之間肯定有一完整的電路連接。


4、電磁敏感度(EMS) 


一般來說,敏感度高,抗幹擾度就低。EMS從不同角度反映了裝置、設備或係統的抗幹擾能力。敏感度電平(剛剛開始出現性能降低時的電平)越小,說明敏感度越高,抗幹擾度就越低;而抗幹擾度電平越高,說明抗幹擾度也越高,敏感度就越低。電磁敏感度分為輻射敏感度和傳導敏感度。目前電磁兼容(EMC)研究的熱點內容主要有電磁幹擾源的特性及其傳輸特性、電磁幹擾的危害效應、電磁幹擾的抑製技術、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標準與規範、電磁兼容性的測量與試驗技術和電磁泄漏與靜電放電等。 


三、主要電磁幹擾方式及傳播途徑 


電力設備的電磁兼容的形成,主要是由於各行各業電力設備的增加,周圍環境中無線通信設備、電動設備、高頻設備的大量使用,設備相互之間形成的電磁幹擾不斷加劇導致的。根據電力設備的電磁兼容情況,行業人士知道設備之間相互幹擾,即有的設備不僅自己容易受到各種幹擾,而且還要幹擾其它設備。其實許多設備都存在電磁兼容現象,隻不過還未明顯地察覺到它們之間存在的幹擾,但這些潛在的威脅已經影響到電力設備的安全運行。當然,設備的電磁兼容還包括電磁泄漏所帶來的安全隱患。電磁泄漏指有用信息的泄漏,它們雖然是微弱的電磁信號,但是對某些惡意的攻擊者來說,一旦對某些信息感興趣時,可以非常方便的利用現代手段截獲、放大、解密或解碼來獲取信息。 


電磁幹擾主要有以下幾種: 


1、諧波的幹擾 


諧波對一次設備的影響和危害主要表現在以下幾方麵:增加設備的損耗,提高溫升,降低設備的出力和壽命;增加絕緣中的介質損耗和局部放電量,加速絕緣老化;增加電動機的振動和噪音。 


諧波對二次設備的主要影響是幹擾其正常的工作狀態,諸如測量的準確度,動作的可靠性等。 


諧波對繼電保護裝置的幹擾,在故障情況下,影響較大的是距離保護。阻抗繼電器是按係統的基波阻抗整定的,諧波的出現.特別是3次諧波會引起很大的測量誤差,嚴重時可能導致拒動或誤動。 


2、一次回路中的開關操作 


主要是電力網中斷路器、隔離開關等的操作,引起電容器組、空載變壓器、電抗器、電動機等產生過電壓,弓l起電磁幹擾。 


3、雷擊幹擾 


當雷電擊中電網中的變電站後,大電流將經接地點泄入地網,使接地點電位大大升高,若二次回路接地點靠近雷擊大電流的入地點,則二次回路接地點電位將隨之升高,會在二次同路中形成共模幹擾,引起過電壓,嚴重時會造成二次設備絕緣擊穿。 


4、二次回路自身的幹擾 


二次回路自身的幹擾主要是通過電磁感應而產生的。變電站或發電廠的綜合電力設備的數字集成電路裝置,很多是采用單片機係統來實現的。由於該係統中的印刷電路板(PCB)上的器件均是由直流電源供電,而直流回路中有許多大電感線圈,在進行開關操作時,線圈兩端將出現過電壓,它會感應出不利於二次設備正常工作的感應電壓和感應電流,對PCB上的器件造成幹擾,從而幹擾單片機係統的正常工作。 


電磁幹擾從幹擾源傳遞到敏感設備有兩種方式,即傳導和輻射。傳導分為電導性耦合直接耦合、電容性耦台電場耦合和電感性耦合。輻射主要為電磁耦合。通過磁場產生的幹擾,由導體間的互感引起。當二次回路中電流發生突變時,交鏈到二次回路的磁通也隨之發生變化,進而感應出幹擾電壓。一次回路暫態電流幅值越大,頻率越高,一次回路與二次回路間的磁聯係越強,則感性耦合造成的幹擾就越大。電力係統的幹擾主要是通過TA、CVT及傳輸電纜傳至低壓設備,其次是通過高頻輻射耦合,主要耦合形式為電導性和電感性耦合。 


四、抑製電磁幹擾的措施 


在任何係統中,形成EMC必須具備3個基本條件(稱電磁幹擾三要素):存在幹擾源、有對幹擾源敏感的接收單元、有把能量從幹擾源耦合到接受單元上的通道。 


根據電磁幹擾的類型和特點,一般采取屏蔽、濾波和接地方法抑製電磁幹擾。 


1、幹擾傳輸通道抑製 


(1)屏蔽可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽3種,一般采取電磁屏蔽的方法來防止交變電磁場產生的幹擾。屏蔽有兩個目的:a、限製設備內輻射的電磁能量泄露到外部;b.防止外來的輻射幹擾進入設備,幹擾設備的正常工作。 


a、電場屏蔽法 

最簡單的措施是在感應源與受感器之間用金屬隔板接地,以抑製寄生電容耦合,實現電場屏蔽。對電場幹擾較強的,則用高導電率金屬罩接地效果更好。 


b、磁場屏蔽法 

磁場又分低頻磁場和高頻磁場,針對不同磁場應采取不同措施。對低頻磁場可用高導磁材料做屏蔽體來實現磁場屏蔽,但被屏蔽的元器件在平行於磁場的方向不得出現縫隙,以避免漏磁。對高頻磁場由於存在電場分量和磁場分量,則要求采用電場屏蔽和磁場屏蔽同時進行。但鐵磁材料防高頻磁場隻限於100kHz以下,更高頻的磁場還需采取特殊措施,為防止縫隙、孔洞漏磁,要盡可能減少縫隙或增加縫隙深度,在孔洞處加蓋金屬罩,如有凸出的金屬軸必須可靠接地或加裝波導衰減器等。 

當要屏蔽的磁場很強時,屏蔽材料會發生飽和,一旦發生飽和,就將喪失屏蔽效能。遇到這種情況,可采用雙層屏蔽,第一層采用低導磁率材料,不易飽和;第二層采用高導磁率材料,但易飽和。第一層屏蔽先將磁場衰減到適當強度,使第二層屏蔽不會飽和,而使高導磁率材料能充分發揮屏蔽效果。 


(2)濾波 


濾波技術是濾除電源幹擾的有效措施。一般來講,電源汙染形成的幹擾最為常見。隨著電子技術的迅速發展,開關電源的應用日益普及。為此,從消除開關電源產生的電磁幹擾角度看,還應考慮采用EMI濾波器。EMI濾波器的設計與傳統濾波器不同,除了要對電磁幹擾的高頻帶給以盡可能的衰減外,還要求在截止頻率下,盡量使電源、負載阻抗和濾波器相應元件阻抗接近,並遵循兩條基本原則:a、濾波器的串聯電感要接到低阻抗電源或低阻抗負載;b、濾波器的並聯電容要接到高阻抗電源或高阻抗負載。這樣才能提高EMI濾波器的實際應用效果。 


濾波器的正確安裝方式也很重要,如在線路板上安裝,電磁幹擾直接進入濾波器,就會降低濾波效果,所以濾波器必須屏蔽。 


(3)接地 


接地是電路、設備、係統工作的基本技術要求之一,也是防止幹擾的最基本的方法之一。因為接地可以使電路中的幹擾電流回歸大地,因此,正確的接地可以有效地抑製幹擾信號對其它設備的影響。 


接地、濾波和屏蔽3種基本方法都可以增強電磁設備的電磁兼容性,既可以單獨采用實施,也可以相互補充采用。譬如,設備的可靠接地可以防止靜電幹擾,而降低設備對屏蔽的要求;良好的電磁屏蔽能夠有效防止電磁輻射幹擾,可以適當放寬對濾波電路的要求。從對總體的作用考慮,良好的接地可以降低幹擾頻率的能量;屏蔽能夠隔離電磁輻射耦合的途徑,降低輻射的能量;而濾波則可以對通過電源傳導的幹擾能量進行衰減。 


2、時間分隔 


時間共用準則就是把幹擾與被幹擾設備分時間段開啟,避免在同一時間段,同時使用互相幹擾的設備。 


3、頻率管理措施 


頻率管理包括頻率管製、頻率調製、數字傳輸和光電轉換。頻率管製指設備中相同頻率的設備避免共同使用,並且要注意它們之間的倍頻幹擾。頻率調製技術是將設備使用頻率二次調製,避開幹擾頻率。數字傳輸指將模擬信號轉換成數字信號進行傳輸,這樣,可以最大限度地防止各種幹擾。企業有條件,可以試用光電轉換和光電傳輸技術,因為光電信號具有非常高的信噪比和抗幹擾能力。 


4、空間分離 


地點和位置的選擇、自然建築物的隔離,設備安裝角度控製、電場和磁場矢量方向控製。即采取回避和疏通的技術處理,合理的利用建築物形成的自然隔離,選擇恰當的安裝位置和方向,最大限度地控製電磁兼容性不好的設備帶來的幹擾。例如,在安裝監測儀時就必須合理選擇發射與接收支架的方向,並且盡可能地遠離電梯、電視和計算機。 


五、電磁兼容研究主要內容 


電力係統電磁兼容的主要內容包括: 


1、 電磁環境評價 


通過實測或數字仿真等手段,對設備在運行時可能受到的電磁幹擾水平(幅值、頻率、波形等)進行估計。例如,利用可移動的電磁兼容測試車對高壓輸電線路或變電站產生的各種幹擾進行實測,或通過電磁暫態計算程序對可能產生的瞬變電磁場進行數字仿真。電磁環境評價是電磁兼容技術的重要組成部分,是抗幹擾設計的基礎。 


2、 電磁幹擾耦合路徑 


弄清幹擾源產生的電磁幹擾通過何種路徑到達被幹擾的對象。一般來說,幹擾可分為傳導型幹擾和輻射型幹擾2大類。傳導幹擾是指電磁幹擾通過電源線路,接地線和信號線傳播到達對象所造成的幹擾。例如,通過電源線傳入的雷電衝擊源產生的幹擾。輻射幹擾是指通過電磁源空間傳播到達敏感設備的幹擾。例如,輸電線路電暈產生的無線電幹擾或電視幹擾即屬於輻射型的幹擾。研究幹擾的耦合途徑,對製定抗幹擾的措施,消除或抑製幹擾有重要的意義。 


3、 電磁抗擾性評價 


研究電力係統中各種敏感的設備儀表,如繼電保護、自動裝置、計算機係統、電能計量儀表等耐受電磁幹擾的能力。一般是采用試驗來模擬運行中可能出現的幹擾並在設備盡可能接近工作條件下,試驗被試設備是否會產生誤動或永久性損壞。設備的抗擾性決定於該設備的工作原理,電子線路布置、工作信號電平,以及所采取的抗幹擾措施。隨著電力係統中各種自動化係統和通信係統的廣泛采用,隨著強電設備與強電設備集成為一體的趨向,如何評價這些設備耐受幹擾的能力、研究實用和有效的試驗方法,製定評價標準將成為電力係統電磁兼容技術的重要課題。 


4、 抗幹擾措施---電磁幹擾的產生和耦合 


敏感設備是不可能完全避免電磁幹擾的。因此,往往比較經濟合理的解決辦法是在敏感設備上應用抗幹擾措施。例如,電力調度大樓遭受雷擊是不可避免的。但通往係統和調度自動化係統的安全運行可通過正確的接地、屏蔽、隔離措施加以保證。研究有效經濟和適用的抗幹擾措施也是未來電磁兼容領域的重要任務。 


5、 電能質量 


國際大電網會議36學術委員會(電力係統電磁兼容)把電能質量控製也列入電磁兼容的範疇,研究頻率變化、諧波、電壓閃變、電壓驟降等對用戶設備性能的影響。 

公眾對工頻電磁場對人體健康可能產生有害影響的疑慮,已成為一些國家高壓輸電發展的重要製約因素。致遊離輻射,如x射線、伽馬射線對人體健康產生有害的影響已經為人所熟悉非致遊離輻射(Nonionizing Radiation), 包括低頻電磁場是否對生物係統,特別是對人類的健康產生有害影響,始終是一個懸而未決的問題。 


六、結束語 


隨著電力係統自動化設備的廣泛應用和技術的進步,電磁兼容問題越來越突出,推廣現有的、成熟的電磁兼容技術,建立完善的試驗、測試製度和檢驗標準,研究電磁兼容新問題、新方向是電力係統應用技術的當務之急。在自動化工程設計及應用中,隻要充分考慮設備的電磁兼容性,並通過各種技術措施和管理辦法就可以消除電磁幹擾,提高設備的穩定性和可靠性。


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