電力設(shè)備電磁兼容問題研究

作者Email: zdk1945@yahoo.com.cn

一、前言

電力系統(tǒng)中，在電網(wǎng)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(chǔ)的繼電保護、電網(wǎng)控制、通信設(shè)備得到廣泛采用。因此，電力系統(tǒng)電磁兼容問題也變得十分突出。例如，集繼電保護、通信、SCADA功能于一體的變電站綜合電力設(shè)備，通常安裝在變電站高壓設(shè)備的附近，該設(shè)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(chǎn)生的極強的電磁干擾。此外，由于現(xiàn)代的高壓開關(guān)常常與電子控制和保護設(shè)備集成于一體，因此，對這種強電與弱電設(shè)備組合的設(shè)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(guān)操作時，可以產(chǎn)生頻率高達數(shù)兆赫的快速暫態(tài)電壓，這種快速暫態(tài)過電壓不僅會危及變壓器等設(shè)備的絕緣，而且會通過接地網(wǎng)向外傳播，干擾變電站繼電保護、控制設(shè)備的正常工作。隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，電磁兼容技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)出來。

按照國際電工委員會(1EC)定義，電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。EMC電磁兼容學(xué)是一門新興的跨學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科，作為邊緣技術(shù)，它以電氣和無線電技術(shù)的基本理論為基礎(chǔ)，并涉及許多新的技術(shù)領(lǐng)域，如微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、微波技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及新材料應(yīng)用等等。電磁兼容技術(shù)研究的范圍很廣，幾乎涵蓋了所有自動化應(yīng)用領(lǐng)域，如電力、通信、無線電、交通、航天、軍工、計算機和醫(yī)療等。

處于同一電力系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備通過電或磁的聯(lián)系彼此緊密相連，相互影響，由于運行方式的改變，故障，開關(guān)操作等引起的電磁振蕩會波及很多電氣設(shè)備，使這些電氣設(shè)備的工作性能受到影響，甚至遭到破壞，這些都說明電力系統(tǒng)電磁兼容問題已經(jīng)成為不容忽視的問題。

二、關(guān)于電磁兼容的幾個概念

1、電磁兼容環(huán)境(EME)

它指存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。給定場所即空間，指所有電磁現(xiàn)象包括全部時間與全部頻譜。

2、電磁兼容(EMC)

EMC指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成電磁干擾。作為一門學(xué)科，EMC可以翻譯為“電磁兼容”。而作為一個設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容能力，則可稱為“電磁兼容性”。由定義可以看出EMC包括兩個方面的含義，即設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁發(fā)射，不致影響其它設(shè)備或系統(tǒng)的功能；而本設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力，又足以使本設(shè)備或系統(tǒng)的功能不受其它干擾的影響。

3、電磁干擾(EMI)

電磁干擾指任何可能引起裝置、設(shè)備和系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩镔|(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。它由干擾源、耦合通道和接受器3部分構(gòu)成。根據(jù)干擾傳播的途徑，電磁干擾分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。輻射干擾(RI)是通過空間并以電磁波的特性和規(guī)律傳播的，但不是任何裝置都能輻射電磁波的；傳導(dǎo)干擾(CI)是沿著導(dǎo)體傳播的干擾，即傳導(dǎo)干擾的傳播在干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，抗干擾度就低。EMS從不同角度反映了裝置、設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力。敏感度電平(剛剛開始出現(xiàn)性能降低時的電平)越小，說明敏感度越高，抗干擾度就越低；而抗干擾度電平越高，說明抗干擾度也越高，敏感度就越低。電磁敏感度分為輻射敏感度和傳導(dǎo)敏感度。目前電磁兼容(EMC)研究的熱點內(nèi)容主要有電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的危害效應(yīng)、電磁干擾的抑制技術(shù)、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、電磁兼容性的測量與試驗技術(shù)和電磁泄漏與靜電放電等。

三、主要電磁干擾方式及傳播途徑

電力設(shè)備的電磁兼容的形成，主要是由于各行各業(yè)電力設(shè)備的增加，周圍環(huán)境中無線通信設(shè)備、電動設(shè)備、高頻設(shè)備的大量使用，設(shè)備相互之間形成的電磁干擾不斷加劇導(dǎo)致的。根據(jù)電力設(shè)備的電磁兼容情況，行業(yè)人士知道設(shè)備之間相互干擾，即有的設(shè)備不僅自己容易受到各種干擾，而且還要干擾其它設(shè)備。其實許多設(shè)備都存在電磁兼容現(xiàn)象，只不過還未明顯地察覺到它們之間存在的干擾，但這些潛在的威脅已經(jīng)影響到電力設(shè)備的安全運行。當(dāng)然，設(shè)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(xiàn)代手段截獲、放大、解密或解碼來獲取信息。

電磁干擾主要有以下幾種：

1、諧波的干擾

諧波對一次設(shè)備的影響和危害主要表現(xiàn)在以下幾方面：增加設(shè)備的損耗，提高溫升，降低設(shè)備的出力和壽命；增加絕緣中的介質(zhì)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(shè)備的主要影響是干擾其正常的工作狀態(tài)，諸如測量的準(zhǔn)確度，動作的可靠性等。

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

2、一次回路中的開關(guān)操作

主要是電力網(wǎng)中斷路器、隔離開關(guān)等的操作，引起電容器組、空載變壓器、電抗器、電動機等產(chǎn)生過電壓，弓l起電磁干擾。

3、雷擊干擾

當(dāng)雷電擊中電網(wǎng)中的變電站后，大電流將經(jīng)接地點泄入地網(wǎng)，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干擾，引起過電壓，嚴重時會造成二次設(shè)備絕緣擊穿。

4、二次回路自身的干擾

二次回路自身的干擾主要是通過電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的。變電站或發(fā)電廠的綜合電力設(shè)備的數(shù)字集成電路裝置，很多是采用單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)的。由于該系統(tǒng)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(guān)操作時，線圈兩端將出現(xiàn)過電壓，它會感應(yīng)出不利于二次設(shè)備正常工作的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，對PCB上的器件造成干擾，從而干擾單片機系統(tǒng)的正常工作。

電磁干擾從干擾源傳遞到敏感設(shè)備有兩種方式，即傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)分為電導(dǎo)性耦合直接耦合、電容性耦臺電場耦合和電感性耦合。輻射主要為電磁耦合。通過磁場產(chǎn)生的干擾，由導(dǎo)體間的互感引起。當(dāng)二次回路中電流發(fā)生突變時，交鏈到二次回路的磁通也隨之發(fā)生變化，進而感應(yīng)出干擾電壓。一次回路暫態(tài)電流幅值越大，頻率越高，一次回路與二次回路間的磁聯(lián)系越強，則感性耦合造成的干擾就越大。電力系統(tǒng)的干擾主要是通過TA、CVT及傳輸電纜傳至低壓設(shè)備，其次是通過高頻輻射耦合，主要耦合形式為電導(dǎo)性和電感性耦合。

四、抑制電磁干擾的措施

在任何系統(tǒng)中，形成EMC必須具備3個基本條件(稱電磁干擾三要素)：存在干擾源、有對干擾源敏感的接收單元、有把能量從干擾源耦合到接受單元上的通道。

根據(jù)電磁干擾的類型和特點，一般采取屏蔽、濾波和接地方法抑制電磁干擾。

1、干擾傳輸通道抑制

（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(chǎn)生的干擾。屏蔽有兩個目的：a、限制設(shè)備內(nèi)輻射的電磁能量泄露到外部；b．防止外來的輻射干擾進入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。

a、電場屏蔽法
最簡單的措施是在感應(yīng)源與受感器之間用金屬隔板接地，以抑制寄生電容耦合，實現(xiàn)電場屏蔽。對電場干擾較強的，則用高導(dǎo)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(yīng)采取不同措施。對低頻磁場可用高導(dǎo)磁材料做屏蔽體來實現(xiàn)磁場屏蔽，但被屏蔽的元器件在平行于磁場的方向不得出現(xiàn)縫隙，以避免漏磁。對高頻磁場由于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只限于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(dǎo)衰減器等。
當(dāng)要屏蔽的磁場很強時，屏蔽材料會發(fā)生飽和，一旦發(fā)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(dǎo)磁率材料，不易飽和；第二層采用高導(dǎo)磁率材料，但易飽和。第一層屏蔽先將磁場衰減到適當(dāng)強度，使第二層屏蔽不會飽和，而使高導(dǎo)磁率材料能充分發(fā)揮屏蔽效果。

（2）、濾波

濾波技術(shù)是濾除電源干擾的有效措施。一般來講，電源污染形成的干擾最為常見。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用日益普及。為此，從消除開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾角度看，還應(yīng)考慮采用EMI濾波器。EMI濾波器的設(shè)計與傳統(tǒng)濾波器不同，除了要對電磁干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(yīng)元件阻抗接近，并遵循兩條基本原則：a、濾波器的串聯(lián)電感要接到低阻抗電源或低阻抗負載；b、濾波器的并聯(lián)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(yīng)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，電磁干擾直接進入濾波器，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(shè)備、系統(tǒng)工作的基本技術(shù)要求之一，也是防止干擾的最基本的方法之一。因為接地可以使電路中的干擾電流回歸大地，因此，正確的接地可以有效地抑制干擾信號對其它設(shè)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(shè)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(shè)備的可靠接地可以防止靜電干擾，而降低設(shè)備對屏蔽的要求；良好的電磁屏蔽能夠有效防止電磁輻射干擾，可以適當(dāng)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干擾頻率的能量；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(dǎo)的干擾能量進行衰減。

2、時間分隔

時間共用準(zhǔn)則就是把干擾與被干擾設(shè)備分時間段開啟，避免在同一時間段，同時使用互相干擾的設(shè)備。

3、頻率管理措施

頻率管理包括頻率管制、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸和光電轉(zhuǎn)換。頻率管制指設(shè)備中相同頻率的設(shè)備避免共同使用，并且要注意它們之間的倍頻干擾。頻率調(diào)制技術(shù)是將設(shè)備使用頻率二次調(diào)制，避開干擾頻率。數(shù)字傳輸指將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行傳輸，這樣，可以最大限度地防止各種干擾。企業(yè)有條件，可以試用光電轉(zhuǎn)換和光電傳輸技術(shù)，因為光電信號具有非常高的信噪比和抗干擾能力。

4、空間分離

地點和位置的選擇、自然建筑物的隔離，設(shè)備安裝角度控制、電場和磁場矢量方向控制。即采取回避和疏通的技術(shù)處理，合理的利用建筑物形成的自然隔離，選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b位置和方向，最大限度地控制電磁兼容性不好的設(shè)備帶來的干擾。例如，在安裝監(jiān)測儀時就必須合理選擇發(fā)射與接收支架的方向，并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(nèi)容

電力系統(tǒng)電磁兼容的主要內(nèi)容包括：

1、電磁環(huán)境評價

通過實測或數(shù)字仿真等手段，對設(shè)備在運行時可能受到的電磁干擾水平(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(chǎn)生的各種干擾進行實測，或通過電磁暫態(tài)計算程序?qū)赡墚a(chǎn)生的瞬變電磁場進行數(shù)字仿真。電磁環(huán)境評價是電磁兼容技術(shù)的重要組成部分，是抗干擾設(shè)計的基礎(chǔ)。

2、電磁干擾耦合路徑

弄清干擾源產(chǎn)生的電磁干擾通過何種路徑到達被干擾的對象。一般來說，干擾可分為傳導(dǎo)型干擾和輻射型干擾2大類。傳導(dǎo)干擾是指電磁干擾通過電源線路，接地線和信號線傳播到達對象所造成的干擾。例如，通過電源線傳入的雷電沖擊源產(chǎn)生的干擾。輻射干擾是指通過電磁源空間傳播到達敏感設(shè)備的干擾。例如，輸電線路電暈產(chǎn)生的無線電干擾或電視干擾即屬于輻射型的干擾。研究干擾的耦合途徑，對制定抗干擾的措施，消除或抑制干擾有重要的意義。

3、電磁抗擾性評價

研究電力系統(tǒng)中各種敏感的設(shè)備儀表，如繼電保護、自動裝置、計算機系統(tǒng)、電能計量儀表等耐受電磁干擾的能力。一般是采用試驗來模擬運行中可能出現(xiàn)的干擾并在設(shè)備盡可能接近工作條件下，試驗被試設(shè)備是否會產(chǎn)生誤動或永久性損壞。設(shè)備的抗擾性決定于該設(shè)備的工作原理，電子線路布置、工作信號電平，以及所采取的抗干擾措施。隨著電力系統(tǒng)中各種自動化系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的廣泛采用，隨著強電設(shè)備與強電設(shè)備集成為一體的趨向，如何評價這些設(shè)備耐受干擾的能力、研究實用和有效的試驗方法，制定評價標(biāo)準(zhǔn)將成為電力系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的重要課題。

4、抗干擾措施---電磁干擾的產(chǎn)生和耦合

敏感設(shè)備是不可能完全避免電磁干擾的。因此，往往比較經(jīng)濟合理的解決辦法是在敏感設(shè)備上應(yīng)用抗干擾措施。例如，電力調(diào)度大樓遭受雷擊是不可避免的。但通往系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)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(jīng)濟和適用的抗干擾措施也是未來電磁兼容領(lǐng)域的重要任務(wù)。

5、電能質(zhì)量

國際大電網(wǎng)會議36學(xué)術(shù)委員會(電力系統(tǒng)電磁兼容)把電能質(zhì)量控制也列入電磁兼容的范疇，研究頻率變化、諧波、電壓閃變、電壓驟降等對用戶設(shè)備性能的影響。
公眾對工頻電磁場對人體健康可能產(chǎn)生有害影響的疑慮，已成為一些國家高壓輸電發(fā)展的重要制約因素。致游離輻射，如x射線、伽馬射線對人體健康產(chǎn)生有害的影響已經(jīng)為人所熟悉非致游離輻射(NonionizingRadiation)，包括低頻電磁場是否對生物系統(tǒng)，特別是對人類的健康產(chǎn)生有害影響，始終是一個懸而未決的問題。

六、結(jié)束語

隨著電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的廣泛應(yīng)用和技術(shù)的進步，電磁兼容問題越來越突出，推廣現(xiàn)有的、成熟的電磁兼容技術(shù)，建立完善的試驗、測試制度和檢驗標(biāo)準(zhǔn)，研究電磁兼容新問題、新方向是電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急。在自動化工程設(shè)計及應(yīng)用中，只要充分考慮設(shè)備的電磁兼容性，并通過各種技術(shù)措施和管理辦法就可以消除電磁干擾，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。