EMC環(huán)境友好的西門子低壓配電系統(tǒng)

　　1.1 概述

　　自動(dòng)化系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)通常為低壓配電系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)這類子系統(tǒng)的工程技術(shù)人員非常關(guān)心emc（電磁兼容性）或emi（電磁干擾），因?yàn)椴?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/友好">友好的emc環(huán)境常使他們的系統(tǒng)或系統(tǒng)中電子設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至損壞，如：自動(dòng)化系統(tǒng)停機(jī);

　　傳動(dòng)系統(tǒng)燒設(shè)備;

　　數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障;

　　電腦和服務(wù)器損壞;

　　打印機(jī)失靈;

　　局域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率降低甚至停頓;

　　報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)警;

　　金屬管路和接地線嚴(yán)重腐蝕。

　　在安裝和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，通常從三方面著手：即找出干擾源，即干擾來自系統(tǒng)本身或外部其他原因；采取措施，隔離或切斷傳播干擾的途徑（也稱耦合機(jī)理）；提高系統(tǒng)和設(shè)備自身抗電磁干擾的能力。見圖1。

　　在尋找干擾源時(shí)，常用示波器觀測(cè)干擾信號(hào)的波形。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)線或控制線的直流電平上疊加諧波，50hz或150hz的交流干擾電平時(shí)，這些干擾信號(hào)多半來自于配電系統(tǒng)本身。如不從配電系統(tǒng)本身考慮，采用如圖1中的推薦的（如接地，屏蔽，濾波等）措施很難消除這些干擾信號(hào)。在分析配電系統(tǒng)如何消除這類電磁干擾信號(hào)前，有必要先對(duì)電磁干擾的傳播途徑或耦合機(jī)理作簡要的說明。

　?。?） 電位耦合

　　兩個(gè)或兩個(gè)以上線路通過一個(gè)公共阻抗連接在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電位耦合機(jī)理。該公共阻抗可以是電源內(nèi)阻，電源接頭，零電位導(dǎo)線，保護(hù)地線（pe線），或與接地系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)施。分析圖2中的電位耦合原理圖，強(qiáng)電線路a與信號(hào)線路b有一個(gè)公共阻抗zk，兩個(gè)線路的電流ia和ib在公共阻抗zk上產(chǎn)生電壓降uxab。該電壓降是線路a和線路b的干擾源。一個(gè)線路（或多個(gè)）多點(diǎn)接地后會(huì)形成環(huán)路，電壓降是形成環(huán)電流的根源。

　?。?）電容耦合

　　具不同電位的兩根導(dǎo)線間可能會(huì)產(chǎn)生電容耦合。分析圖2中電容耦合原理圖，兩根導(dǎo)線間電位差就是電場，導(dǎo)線間存在的分布電容就是阻抗，所以線路1與線路2會(huì)流通電流，并在線路2中產(chǎn)生干擾電壓u2。耦合電容值取決于導(dǎo)線敷設(shè)的條件。實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)避免兩線平行敷設(shè)，信號(hào)線貼近地走。靜電放電等屬電容耦合機(jī)理。

　?。?）感應(yīng)耦合

　　兩個(gè)或兩個(gè)以上的線路在周圍產(chǎn)生的磁通相互交聯(lián)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)耦合。分析圖2中電感耦合原理圖，一個(gè)磁路的磁通變化會(huì)在另一線路的導(dǎo)線環(huán)路中（相當(dāng)于一線圈繞組）感應(yīng)干擾電壓。這也說明為什么一個(gè)很簡單的線路也會(huì)受到干擾。該瞬態(tài)磁場可能是由如雷電，操作過電壓或靜電放電等現(xiàn)象引起；另外一個(gè)線路中的電流變化也會(huì)在另一個(gè)線路中感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓主要取決于電流的變化率和互感系數(shù)mk。而mk取決于磁場強(qiáng)度以及磁場的導(dǎo)磁率。

　　（4）電磁線耦合

　　兩根或兩根個(gè)以上的長線之間同時(shí)存在電和磁干擾時(shí)，則會(huì)發(fā)生電磁線干擾現(xiàn)象。所謂長線是指干擾脈沖的上升沿時(shí)間遠(yuǎn)小于該脈沖通過該線的時(shí)間。

　　這些長線中的電流和電壓相互有關(guān)聯(lián)的，并非毫不相干?？捎梦⒎址治龇椒ㄓ?jì)算產(chǎn)生的干擾電磁場。

　?。?）輻射耦合

　　一個(gè)線路的電磁場可產(chǎn)生的電磁波，以光速傳播作用于另一個(gè)線路的現(xiàn)象稱輻射耦合。當(dāng)離干擾源距離很近時(shí)，我們主要處理的是來自電位耦合，感應(yīng)耦合或電容耦合的干擾;當(dāng)離干擾源距離很遠(yuǎn)時(shí)，我們主要處理的來自輻射耦合的干擾。

2 低壓配電線路對(duì)周圍電子設(shè)備的干擾

　　低壓配電線路本身是一個(gè)大電場，電源設(shè)備的容量越大，電能越足，可向固定負(fù)載，移動(dòng)負(fù)載和電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備提供的電流也越大。低壓電場（電壓）通過電容耦合（分布電容）會(huì)在臨近的其他線路中產(chǎn)生干擾的電壓和電流；配電線路中電流在它的周圍產(chǎn)生磁場，交變磁場可在環(huán)型線路中感應(yīng)電勢(shì)；配電線路中的電流也會(huì)產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生輻射干擾，以光速傳播干擾距離較遠(yuǎn)的線路。配電線路在周圍產(chǎn)生的磁場其磁通密度達(dá)1μtesla時(shí)，可使14/15英寸的lcd屏幕圖像閃爍；而0.5μtesla的磁通密度足以使17/21英寸lcd屏幕（或crt監(jiān)視器屏幕）的圖像閃爍。德國曾把配電線路作為干擾源，lcd顯示屏幕作為電磁干擾的受害者，研究兩者之間的相互關(guān)系，即配電線路的工況與敷線方式對(duì)顯示屏幕的干擾距離之間的關(guān)系。圖3是通過試驗(yàn)得出的結(jié)果。其中縱坐標(biāo)為線路在空間產(chǎn)生的磁通密度，橫坐標(biāo)為線路對(duì)屏幕的干擾距離。分析該試驗(yàn)例子可說明：

　　（1） 三相電流不平衡時(shí)，干擾距離增大，干擾距離與三相電流的不平衡度有關(guān)。

　?。?） 三相電流平衡工況下，電流越大，干擾距離越遠(yuǎn)。

　?。?） 三相電流平衡工況下，三相導(dǎo)線按e方式布線，干擾距離最短。

　　該試驗(yàn)是基于低壓三相三線制的供電方式，有其一定的局限性。

3 低壓配電系統(tǒng)中性線的負(fù)荷工況

　　中性線配出的三相電源稱三相四線制系統(tǒng)，滿足了額定電壓為220v大量的單相負(fù)荷的電能需求。對(duì)三相四線制系統(tǒng)來說，如三相負(fù)荷平衡又無諧波電流的活，則流過中性線的電流的向量和為零。目前，在公共建筑物，高層住宅和辦公大樓中均配有大量的計(jì)算機(jī)，電子信息設(shè)備；電子娛樂設(shè)備，變頻空調(diào)，調(diào)光器，以及電子節(jié)能燈等器件已深入到每家每戶。這類設(shè)備通過整流器，從正弦電壓波形的電網(wǎng)中吸取非正弦波形的電流，非正弦電流在線路上的電壓降又造成正弦電壓波形的失真。非正弦波電流含有大量的高次諧波分量，其中主要的是3次諧波分量。由于三相電源中接入大量的單相負(fù)載，事實(shí)上很難做到三相負(fù)荷電流平衡。三相負(fù)荷不平衡指的是接入三相電源的各相的功率不平衡，各相負(fù)載的功率因素不平衡以及各相負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流不平衡。此時(shí)，中性線流過的電流為三相不平衡負(fù)荷（基波50hz）電流的向量和，三次諧波（三倍頻次）電流的算術(shù)和，以及其他高次諧波電流的向量和，詳見圖4。正是由于上述原因，n線上會(huì)出現(xiàn)過電流（或過載）現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)低壓配電系統(tǒng)時(shí)，很多場合不再減少n線截面，把n線的截面等同于相線截面。也正是由于n線上的不平衡電流和諧波電流，造成系統(tǒng)嚴(yán)重的電磁干擾（emi）現(xiàn)象。

4 接地系統(tǒng)與emi

　　低壓配電系統(tǒng)中的帶電（流通電流的）導(dǎo)線是指電源相線（l1，l2，l3），n線（中性線）；pe線（保護(hù)地線）僅在電氣系統(tǒng)（或其中的設(shè)備）故障時(shí)，才流通故障電流，實(shí)質(zhì)上也是帶電導(dǎo)線。低壓配電系統(tǒng)有三種接地制式，詳見圖5。配電系統(tǒng)不同的接地制式可用兩個(gè)字母表示并加以區(qū)分：

　　第一個(gè)字母表示電源設(shè)備接地的條件， 其中：

　　t= 電力變壓器低壓繞組中性點(diǎn)直接接地；

　　i= 電力變壓器低壓繞組中性點(diǎn)對(duì)地絕緣或通過阻抗接地。

　　第二個(gè)字母表示電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)體的接地的條件，其中：

　　t= 電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)電體接地，該接地點(diǎn)遠(yuǎn)離于變壓器低壓繞組中性點(diǎn)的接地點(diǎn)。

　　n= 電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)電體部分與變壓器低壓繞組中性點(diǎn)（系統(tǒng)地）連接。

　　對(duì)tn系統(tǒng)， 還用第三個(gè)字母來說明n線與pe線的關(guān)系；其中：

　　tn-c:n線與pe線合并為一根線，即pen線（4根線）。

　　tn-s:n與pe兩根導(dǎo)線，與三根相線一起配出（5根線）

　　tn-c-s：近電源側(cè)為tnc （4根線），配出后把pen線分成2根線后成為tn-s。

　　低壓配電系統(tǒng)的接地制式（系統(tǒng)）決定了系統(tǒng)本身的線路保護(hù)技術(shù)和措施，也決定了系統(tǒng)本身的電磁兼容性。依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，低壓tn-s系統(tǒng)具有最好的性價(jià)比，因?yàn)檎９r下，pe線上無剩余電流，大地中無雜散電流。當(dāng)發(fā)生三相（或單相）短路故障時(shí)，短路電流通過線纜（而不是大地）返回電源，優(yōu)化了電磁兼容性，由于故障電流大，可用簡單的線路保護(hù)電器（如熔斷器或斷路器）切斷故障。

5 單電源系統(tǒng)tn接地制式與emc

　　20-30年前，掛接在tnc配電系統(tǒng)上的電子設(shè)備很少，諧波問題不嚴(yán)重，emc的問題不太突出。三相負(fù)載平衡的情況下，n線上基本上無電流。然而，目前的低壓配電系統(tǒng)的負(fù)載性質(zhì)與以往有很大的不同。大功率的單相負(fù)載多了，帶整流電源的電子設(shè)備多了，很多負(fù)載具有很高的3次諧波分量和高次諧波分量。因此三相負(fù)荷很難平衡，如前面已分析的那樣：n線上除了不平衡負(fù)載電流外，還有疊加的3次（以及三倍頻）諧波電流和其他高次諧波電流分量，n線上的電流很大，并在n線上產(chǎn)生電壓降。圖6.a為tn-c接地制式，其特征是pe線與n線合二為一成pen線。為了防止人身接觸電擊事故的發(fā)生，接在配電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備的外殼都是接地的。而電子設(shè)備除金屬外殼接地外，電子設(shè)備之間用帶屏蔽的通信線連接，其屏蔽層也是接地的，因而出現(xiàn)了多點(diǎn)接地的現(xiàn)象。