EMC環(huán)境友好的西門子低壓配電系統(tǒng)
正常工況下,電源提供設(shè)備的負荷電流il由pen線返回電源,通過pen線返回電源的電流包含50hz的三相基波不平衡電流,三相疊加的150hz電流,以及其他的高次諧波電流,并在pen線上產(chǎn)生電壓降。該電壓降作為干擾源(電場),以pen線為公共阻抗,形成電位耦合的干擾方式,導致在通信線屏蔽層上產(chǎn)生寄生電流ist。該寄生電流又可通過電耦合或磁的耦合途徑在一些敏感的設(shè)備上感應(yīng)干擾電壓和電流。
該干擾源也會通過設(shè)備的接地點在建筑物中產(chǎn)生雜散電流,產(chǎn)生強磁場,在建筑物的金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生火花,腐蝕金屬管路。因此該系統(tǒng)emi或emc性能差的根源是由n線上的一部分電流流向大地(和屏蔽層)造成的。
圖6b tn-s系統(tǒng)
圖6b是tns系統(tǒng),n線與pe線是分開的。正常工況下,盡管n線有三相不平衡電流,也有諧波電流,但pe線上沒有電流,不存在驅(qū)動雜散電流或寄生電流的電場, pe線和大地是干凈的,消除了由金屬結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的電磁干擾和輻射干擾,因而emc性能友好。此時配電線路的干擾源僅是配電線路本身,與大地無關(guān)。只有故障時,pe線才出現(xiàn)故障電流,并導致emc性能短時劣化。但線路保護電器會在規(guī)定的時間內(nèi)切斷故障,因而,不友好的emc環(huán)境是短暫的。
6 多電源系統(tǒng)的tn-s接地制式
多電源系統(tǒng)由正常供電電源和備用(安全)供電電源組成。通常,正常供電電源由兩臺或兩臺以上電源變壓器并聯(lián)或母線分段的方式組成(簡稱gps);安全電源一般采用發(fā)電機組(簡稱sps),gps通過atse(雙電源自動切換裝置)與sps聯(lián)絡(luò);對于數(shù)據(jù)中心或計算中心,通信等系統(tǒng)和設(shè)備,有的還需ups作為不停電電源,以避免電源故障造成巨大的經(jīng)濟損失。前面分析的是單臺電源變壓器的tns系統(tǒng),具有友好的emc性能,因為在正常工況下消除了大地中的雜散電流。設(shè)計多臺電源設(shè)備的配電系統(tǒng)時,只有從系統(tǒng)上消除或避免n線上的負荷電流向大地(pe線)分流的問題,才能實現(xiàn)具有emc友好的環(huán)境。
圖7是國內(nèi)常采用的布置方式,兩臺變壓器分別就近接地,即一組電源兩點(或多點)接地。兩臺變壓器通過母聯(lián)開關(guān)聯(lián)絡(luò),采用tns系統(tǒng)。如變壓器主保護開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的均選擇3極斷路器的話,整個配電系統(tǒng)就會出現(xiàn)不友好的emc環(huán)境。
?。?)正常工況下n線有三相不平衡電流和諧波電流,返回變壓器t1的負荷電流除了n線的正常路徑外,還有一條通過n線母排,t2變壓器中性點入pe母排的路徑,由此在pe線上產(chǎn)生干擾電場,引發(fā)很大的雜散電流,以及由此引發(fā)的電磁干擾和輻射干擾。接在該系統(tǒng)的電子設(shè)備就會出現(xiàn)工頻50hz和高次諧波的干擾,干擾來自多種耦合途徑,很難排除。假如t1變壓器容量為2000kva,配出總電流可達3000a,如3次諧波電流分量為5%,則在n線上的3次諧波電流為3×3000×5%=450a。如果其中有10%的電流分流,即有45a頻率為150hz的電流,通過n線母排經(jīng)pe線返回t1電源。如3相負荷不平衡時,還有50hz不平衡零序電流經(jīng)pe線返回t1電源。這是一個強大的電磁干擾源,通過各種耦合途徑及電磁輻射干擾配電系統(tǒng)中的自動化子系統(tǒng)和敏感的電子設(shè)備。10a的電流可在2m以外的空間產(chǎn)生0.7a/m的磁場強度,足以使顯示終端圖像亂動。
(2)如t1負載m出現(xiàn)絕緣故障或單相接地故障時,故障電流經(jīng)m設(shè)備外殼入pe線后返回變壓器t1,返回電流不再通過剩余電流保護器1(簡稱rcd1)的電流互感器。該故障電流稱剩余電流,有兩條通路返回電源變壓器t1:一路為正常路徑從pe線直接返回t1;另一路是從pe線向右走,通過t2中性點后從n線母排返回t1,該路徑的剩余電流通過了rcd2和rcd1,其后果是在無故障的線路rcd2的電流互感器感應(yīng)信號,可能引起rcd2的誤動作,該路徑的剩余電流同時又通過有故障線路的rcd1,使電流互感器的感應(yīng)信號減少,可能引起rcd1的不動作。
(3)為保證低壓配電系統(tǒng)具有良好的emc性能,不應(yīng)采用這樣的系統(tǒng)。采用這樣系統(tǒng)必須條件是的選用4極開關(guān),斷開聯(lián)絡(luò)的n線,不與pe線之間形成環(huán)路,保證正常工況下pe線上無電流,以及故障時不出現(xiàn)環(huán)流形式的剩余電流。需注意的是tn系統(tǒng)要謹慎使用4極開關(guān)。
7 emc環(huán)境友好的多電源配電系統(tǒng)
一個配電系統(tǒng)通常有多臺電源設(shè)備,變壓器緊靠變電所布置,而發(fā)電機組可臨近變電所或遠離變電所布置。如把多臺電源稱為一組電源,此時電源設(shè)備的布置可分成兩種方式:
電源設(shè)備集中布置方式:發(fā)電機組臨近變電所。
電源設(shè)備分散布置方式:發(fā)電機組遠離變電所
7.1 電源集中布置方案
多電源設(shè)備的低壓配電系統(tǒng)的布置應(yīng)周密考慮系統(tǒng)的接地制式,原則上是不允許pe線上出現(xiàn)正常工況時的負荷電流,必須消除對地可引發(fā)寄生電流和雜散電流的電場。
圖8是西門子公司推薦的一個典型的應(yīng)用方案,該方案能保證gps(a)系統(tǒng)和sps(b)系統(tǒng)并聯(lián)工作時,也能提供友好的emc性能。該方案的特征是一組電源采用一點接地的方式,pe線與n線之間不可能出現(xiàn)環(huán)路,因而消除了引發(fā)寄生電流和雜散電流的電場,西門子低壓配電柜sivacan-8pt 的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能保證了該應(yīng)用方案的實施。圖中,pen線為黃色,pe線為綠黃式。在研究該配電方案的布置時應(yīng)注意如下幾點:
?。?)正常供電電源:兩臺變壓器分列運行,通過母聯(lián)聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)絡(luò),變壓器相線與中性點分別與主配電柜(gps)的l1、l2、l3和pen線相連。即變壓器至gps柜實質(zhì)為tnc系統(tǒng)。
?。?)安全(備用)供電電源:發(fā)電機就在變電所傍邊,發(fā)電機相線與中性點分別與主配電柜(sps)的l1、l2、l3、和pen線。相連,發(fā)電機至sps柜實質(zhì)為tnc系統(tǒng)。
?。?)pen線與pe線(兩個母排)貫通gps柜與sps柜,在gps柜內(nèi)pen線與pe線一點聯(lián)結(jié),并在那里與主接地極一點接地,形成系統(tǒng)的主等電位體聯(lián)結(jié)。
?。?)電源設(shè)備 (變壓器和發(fā)電機) 的等電位聯(lián)結(jié)分別與柜內(nèi)的pe線相連,接地。
?。?)全部選用3wl框架斷路器,是3極開關(guān),而不是4極開關(guān),因此安全可靠性非常高。正常工作工況時,pe線無電流, 大地無雜散電流。
該系統(tǒng)由于一點接地, 剩余(接地故障)電流由pe線經(jīng)一點接地點回到n線,返回自己的電源。正常工作時,電源設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)采用3極開關(guān)。
由于pen線和pe線在gps柜內(nèi)一點聯(lián)結(jié),一點接地,pen線和pe線(大地)之間不會出現(xiàn)環(huán)路。pen線上即使有不平衡電流和諧波電流,但不會流向pe線,pe線上無電流,不產(chǎn)生對地引發(fā)雜散電流的電場,因而具有很好的emc性能。
7.2 一組電源設(shè)備分散布置方案
如果變電所與發(fā)電機房有一段距離a1,且遠大于發(fā)電機至應(yīng)急電源柜的距離a2。由于發(fā)電機離變壓器房離較遠,不可能實施一點接地的方案。西門子公司推薦如圖9配電系統(tǒng)方案。該方案的特征是需要在gps系統(tǒng)做一個主等電位聯(lián)結(jié)實施一點接地,同時又在sps系統(tǒng)的發(fā)電機傍邊再做一個主等電位聯(lián)結(jié)實施一點接地。這就是說,一組電源存在兩個接地點。研究該配電方案的布置時應(yīng)注意:
?。?)正常供電電源(gps):變壓器相線與中性點分別與主配電柜(gps)的l1、l2、3和pen線相連,即變壓器至gps柜為tnc系統(tǒng),兩臺變壓器主配電開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)均采用3極斷路器。
?。?)pen線與pe線貫通gps柜, pen線與pe線(兩個母排)在柜內(nèi)連接與主等電位體聯(lián)結(jié)體一點接地。
?。?)安全(備用)供電電源(sps):發(fā)電機相線與中性點分別與主配電柜(sps)的l1、l2、l3和pen線相連,即發(fā)電機至sps柜為tnc系統(tǒng)。發(fā)電機主配電開關(guān)為4極開關(guān)。
?。?)sps柜中pe線連接發(fā)電機旁主等電位聯(lián)結(jié),實現(xiàn)一點接地。
?。?)gps系統(tǒng) 與sps系統(tǒng)各有一個接地點。由于有兩個接地點,pen線與pe線間形成環(huán)路。為此gps系統(tǒng)與sps系統(tǒng)的母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)必須采用4極開關(guān),即斷開pen線,切斷pen線上的正常工作電流對地形成的環(huán)流。
(6)gps系統(tǒng)與sps系統(tǒng)不允許并聯(lián)運行。gps和sps用atse(雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置)相互切換時,會出現(xiàn)一段短暫并聯(lián)運行的時間,此時emc環(huán)境不友好。
?。?)不容許n線與pe線之間連接跨接橋,并要用儀器測量監(jiān)測,以保證一點接地的措施的落實。
8 結(jié)束語
國內(nèi)低壓配電系統(tǒng),絕大部分都采用tn接地制式。三相四線制配電系統(tǒng)的中性線負荷電流引起的電壓降,在電源設(shè)備多點接地的情況下,容易出現(xiàn)環(huán)流,為了消除環(huán)流,常采用4極開關(guān)斷開(聯(lián)絡(luò)用)中性線。4極開關(guān)在國內(nèi)的實際應(yīng)用中出現(xiàn)了很多的問題。
一點接地等電位聯(lián)結(jié)布置方式消除中性線與pe線(大地)之間產(chǎn)生的環(huán)流,從根上改善了配電系統(tǒng)的emc環(huán)境。本文介紹的西門子兩種典型的配電方案,適用于多電源設(shè)備的配電系統(tǒng),值得國內(nèi)同行研究。
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