电力设备电磁兼容问题研究

pwm

一、前言

　   电力系统中，在电网容量增大、输电电压增高的同时，以计算机和微处理器为基础的继电保护、电网控制、通信设备得到广泛采用。因此，电力系统电磁兼容问题也变得十分突出。例如，集继电保护、通信、SCADA功能于一体的变电站综合电力设备，通常安装在变电站高压设备的附近，该设备能正常工作的先决条件就是它能够承受变电站中在正常操作或事故情况下产生的极强的电磁干扰。此外，由于现代的高压开关常常与电子控制和保护设备集成于一体， 因此，对这种强电与弱电设备组合的设备不仅需要进行高电压、大电流的试验， 同时还要通过电磁兼容的试验。GIS的隔离开关操作时，可以产生频率高达数兆赫的快速暂态电压，这种快速暂态过电压不仅会危及变压器等设备的绝缘，而且会通过接地网向外传播，干扰变电站继电保护、控制设备的正常工作。随着电力系统自动化水平的提高，电磁兼容技术的重要性日益显现出来。
　   按照国际电工委员会(1EC)定义，电磁兼容(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。EMC电磁兼容学是一门新兴的跨学科的综合性应用学科，作为边缘技术，它以电气和无线电技术的基本理论为基础，并涉及许多新的技术领域，如微电子技术、计算机技术、微波技术、通信技术和网络技术以及新材料应用等等。电磁兼容技术研究的范围很广，几乎涵盖了所有自动化应用领域，如电力、通信、无线电、交通、航天、军工、计算机和医疗等。
　   处于同一电力系统中的各种电气设备通过电或磁的联系彼此紧密相连，相互影响，由于运行方式的改变，故障，开关操作等引起的电磁振荡会波及很多电气设备，使这些电气设备的工作性能受到影响，甚至遭到破坏，这些都说明电力系统电磁兼容问题已经成为不容忽视的问题。

    二、关于电磁兼容的几个概念

　1．电磁兼容环境(EME)

　它指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。给定场所即空间，指所有电磁现象包括全部时间与全部频谱。

　2．电磁兼容(EMC)

　EMC指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成电磁干扰。作为一门学科，EMC可以翻译为“电磁兼容”。而作为一个设备或系统的电磁兼容能力，则可称为“电磁兼容性”。由定义可以看出EMC包括两个方面的含义，即设备或系统产生的电磁发射，不致影响其它设备或系统的功能；而本设备或系统的抗干扰能力，又足以使本设备或系统的功能不受其它干扰的影响。

　3．电磁干扰(EMI)

　电磁干扰指任何可能引起装置、设备和系统性能降低或对有生命物质产生损害作用的电磁现象。它由干扰源、耦合通道和接受器3部分构成。根据干扰传播的途径，电磁干扰分为辐射干扰和传导干扰。辐射干扰(RI)是通过空间并以电磁波的特性和规律传播的，但不是任何装置都能辐射电磁波的；传导干扰(CI)是沿着导体传播的干扰，即传导干扰的传播在干扰源和接受器之间肯定有一完整的电路连接。

　4．电磁敏感度（EMS)

　一般来说，敏感度高，抗干扰度就低。EMS从不同角度反映了装置、设备或系统的抗干扰能力。敏感度电平(刚刚开始出现性能降低时的电平)越小，说明敏感度越高，抗干扰度就越低；而抗干扰度电平越高，说明抗干扰度也越高，敏感度就越低。电磁敏感度分为辐射敏感度和传导敏感度。目前电磁兼容(EMC)研究的热点内容主要有电磁干扰源的特性及其传输特性、电磁干扰的危害效应、电磁干扰的抑制技术、电磁频谱的利用和管理、电磁兼容性标准与规范、电磁兼容性的测量与试验技术和电磁泄漏与静电放电等。

    三、主要电磁干扰方式及传播途径

　电力设备的电磁兼容的形成，主要是由于各行各业电力设备的增加，周围环境中无线通信设备、电动设备、高频设备的大量使用，设备相互之间形成的电磁干扰不断加剧导致的。根据电力设备的电磁兼容情况，行业人士知道设备之间相互干扰，即有的设备不仅自己容易受到各种干扰，而且还要干扰其它设备。其实许多设备都存在电磁兼容现象，只不过还未明显地察觉到它们之间存在的干扰，但这些潜在的威胁已经影响到电力设备的安全运行。当然，设备的电磁兼容还包括电磁泄漏所带来的安全隐患。电磁泄漏指有用信息的泄漏，它们虽然是微弱的电磁信号，但是对某些恶意的攻击者来说，一旦对某些信息感兴趣时，可以非常方便的利用现代手段截获、放大、解密或解码来获取信息。

　电磁干扰主要有以下几种：

　1．谐波的干扰

　谐波对一次设备的影响和危害主要表现在以下几方面：增加设备的损耗，提高温升，降低设备的出力和寿命；增加绝缘中的介质损耗和局部放电量，加速绝缘老化；增加电动机的振动和噪音。
　谐波对二次设备的主要影响是干扰其正常的工作状态，诸如测量的准确度，动作的可靠性等。
　谐波对继电保护装置的干扰，在故障情况下，影响较大的是距离保护。阻抗继电器是按系统的基波阻抗整定的，谐波的出现．特别是3次谐波会引起很大的测量误差，严重时可能导致拒动或误动。

　2．一次回路中的开关操作

　主要是电力网中断路器、隔离开关等的操作，引起电容器组、空载变压器、电抗器、电动机等产生过电压，弓l起电磁干扰。

　3．雷击干扰

　当雷电击中电网中的变电站后，大电流将经接地点泄入地网，使接地点电位大大升高，若二次回路接地点靠近雷击大电流的入地点，则二次回路接地点电位将随之升高，会在二次同路中形成共模干扰，引起过电压，严重时会造成二次设备绝缘击穿。

　4．二次回路自身的干扰

　二次回路自身的干扰主要是通过电磁感应而产生的。变电站或发电厂的综合电力设备的数字集成电路装置，很多是采用单片机系统来实现的。由于该系统中的印刷电路板(PCB)上的器件均是由直流电源供电，而直流回路中有许多大电感线圈，在进行开关操作时，线圈两端将出现过电压，它会感应出不利于二次设备正常工作的感应电压和感应电流，对PCB上的器件造成干扰，从而干扰单片机系统的正常工作。
　电磁干扰从干扰源传递到敏感设备有两种方式，即传导和辐射。传导分为电导性耦合直接耦合、电容性耦台电场耦合和电感性耦合。辐射主要为电磁耦合。通过磁场产生的干扰，由导体间的互感引起。当二次回路中电流发生突变时，交链到二次回路的磁通也随之发生变化，进而感应出干扰电压。一次回路暂态电流幅值越大，频率越高，一次回路与二次回路间的磁联系越强，则感性耦合造成的干扰就越大。电力系统的干扰主要是通过TA、CVT及传输电缆传至低压设备，其次是通过高频辐射耦合，主要耦合形式为电导性和电感性耦合。

    四、抑制电磁干扰的措施

    在任何系统中，形成EMC必须具备3个基本条件(称电磁干扰三要素)：存在干扰源、有对干扰源敏感的接收单元、有把能量从干扰源耦合到接受单元上的通道。
　根据电磁干扰的类型和特点，一般采取屏蔽、滤波和接地方法抑制电磁干扰。

　1．干扰传输通道抑制

　（1）屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽3种，一般采取电磁屏蔽的方法来防止交变电磁场产生的干扰。屏蔽有两个目的：a、限制设备内辐射的电磁能量泄露到外部；b．防止外来的辐射干扰进入设备，干扰设备的正常工作。
　a.电场屏蔽法
　最简单的措施是在感应源与受感器之间用金属隔板接地，以抑制寄生电容耦合，实现电场屏蔽。对电场干扰较强的，则用高导电率金属罩接地效果更好。
　b.磁场屏蔽法
　磁场又分低频磁场和高频磁场，针对不同磁场应采取不同措施。对低频磁场可用高导磁材料做屏蔽体来实现磁场屏蔽，但被屏蔽的元器件在平行于磁场的方向不得出现缝隙，以避免漏磁。对高频磁场由于存在电场分量和磁场分量，则要求采用电场屏蔽和磁场屏蔽同时进行。但铁磁材料防高频磁场只限于100kHz以下，更高频的磁场还需采取特殊措施，为防止缝隙、孔洞漏磁，要尽可能减少缝隙或增加缝隙深度，在孔洞处加盖金属罩，如有凸出的金属轴必须可靠接地或加装波导衰减器等。
　当要屏蔽的磁场很强时，屏蔽材料会发生饱和，一旦发生饱和，就将丧失屏蔽效能。遇到这种情况，可采用双层屏蔽，第一层采用低导磁率材料，不易饱和；第二层采用高导磁率材料，但易饱和。第一层屏蔽先将磁场衰减到适当强度，使第二层屏蔽不会饱和，而使高导磁率材料能充分发挥屏蔽效果。
　（2）滤波
　滤波技术是滤除电源干扰的有效措施。一般来讲，电源污染形成的干扰最为常见。随着电子技术的迅速发展，开关电源的应用日益普及。为此，从消除开关电源产生的电磁干扰角度看，还应考虑采用EMI滤波器。EMI滤波器的设计与传统滤波器不同，除了要对电磁干扰的高频带给以尽可能的衰减外，还要求在截止频率下，尽量使电源、负载阻抗和滤波器相应元件阻抗接近，并遵循两条基本原则：
　a.滤波器的串联电感要接到低阻抗电源或低阻抗负载；
　b.滤波器的并联电容要接到高阻抗电源或高阻抗负载。这样才能提高EMI滤波器的实际应用效果。
　滤波器的正确安装方式也很重要，如在线路板上安装，电磁干扰直接进入滤波器，就会降低滤波效果，所以滤波器必须屏蔽。
　（3）接地
　接地是电路、设备、系统工作的基本技术要求之一，也是防止干扰的最基本的方法之一。因为接地可以使电路中的干扰电流回归大地，因此，正确的接地可以有效地抑制干扰信号对其它设备的影响。
　接地、滤波和屏蔽3种基本方法都可以增强电磁设备的电磁兼容性，既可以单独采用实施，也可以相互补充采用。譬如，设备的可靠接地可以防止静电干扰，而降低设备对屏蔽的要求；良好的电磁屏蔽能够有效防止电磁辐射干扰，可以适当放宽对滤波电路的要求。从对总体的作用考虑，良好的接地可以降低干扰频率的能量；屏蔽能够隔离电磁辐射耦合的途径，降低辐射的能量；而滤波则可以对通过电源传导的干扰能量进行衰减。

　2．时间分隔

　时间共用准则就是把干扰与被干扰设备分时间段开启，避免在同一时间段，同时使用互相干扰的设备。

　3．频率管理措施

　频率管理包括频率管制、频率调制、数字传输和光电转换。频率管制指设备中相同频率的设备避免共同使用，并且要注意它们之间的倍频干扰。频率调制技术是将设备使用频率二次调制，避开干扰频率。数字传输指将模拟信号转换成数字信号进行传输，这样，可以最大限度地防止各种干扰。企业有条件，可以试用光电转换和光电传输技术，因为光电信号具有非常高的信噪比和抗干扰能力。

　4．空间分离

　地点和位置的选择、自然建筑物的隔离，设备安装角度控制、电场和磁场矢量方向控制。即采取回避和疏通的技术处理，合理的利用建筑物形成的自然隔离，选择恰当的安装位置和方向，最大限度地控制电磁兼容性不好的设备带来的干扰。例如，在安装监测仪时就必须合理选择发射与接收支架的方向，并且尽可能地远离电梯、电视和计算机。

    五、电磁兼容研究主要内容

　电力系统电磁兼容的主要内容包括：

　1．电磁环境评价

　通过实测或数字仿真等手段，对设备在运行时可能受到的电磁干扰水平(幅值、频率、波形等)进行估计。例如，利用可移动的电磁兼容测试车对高压输电线路或变电站产生的各种干扰进行实测，或通过电磁暂态计算程序对可能产生的瞬变电磁场进行数字仿真。电磁环境评价是电磁兼容技术的重要组成部分，是抗干扰设计的基础。

　2．电磁干扰耦合路径

　弄清干扰源产生的电磁干扰通过何种路径到达被干扰的对象。一般来说，干扰可分为传导型干扰和辐射型干扰2大类。传导干扰是指电磁干扰通过电源线路，接地线和信号线传播到达对象所造成的干扰。例如，通过电源线传入的雷电冲击源产生的干扰。辐射干扰是指通过电磁源空间传播到达敏感设备的干扰。例如，输电线路电晕产生的无线电干扰或电视干扰即属于辐射型的干扰。研究干扰的耦合途径，对制定抗干扰的措施，消除或抑制干扰有重要的意义。

　3．电磁抗扰性评价

　研究电力系统中各种敏感的设备仪表，如继电保护、自动装置、计算机系统、电能计量仪表等耐受电磁干扰的能力。一般是采用试验来模拟运行中可能出现的干扰并在设备尽可能接近工作条件下，试验被试设备是否会产生误动或永久性损坏。设备的抗扰性决定于该设备的工作原理，电子线路布置、工作信号电平，以及所采取的抗干扰措施。随着电力系统中各种自动化系统和通信系统的广泛采用，随着强电设备与强电设备集成为一体的趋向，如何评价这些设备耐受干扰的能力、研究实用和有效的试验方法，制定评价标准将成为电力系统电磁兼容技术的重要课题。

　4．抗干扰措施──电磁干扰的产生和耦合

　敏感设备是不可能完全避免电磁干扰的。因此，往往比较经济合理的解决办法是在敏感设备上应用抗干扰措施。例如，电力调度大楼遭受雷击是不可避免的。但通往系统和调度自动化系统的安全运行可通过正确的接地、屏蔽、隔离措施加以保证。研究有效经济和适用的抗干扰措施也是未来电磁兼容领域的重要任务。

　5．电能质量

　国际大电网会议36学术委员会(电力系统电磁兼容)把电能质量控制也列入电磁兼容的范畴，研究频率变化、谐波、电压闪变、电压骤降等对用户设备性能的影响。
　公众对工频电磁场对人体健康可能产生有害影响的疑虑，已成为一些国家高压输电发展的重要制约因素。致游离辐射，如x射线、伽马射线对人体健康产生有害的影响已经为人所熟悉非致游离辐射（Nonionizing Radiation）， 包括低频电磁场是否对生物系统，特别是对人类的健康产生有害影响，始终是一个悬而未决的问题。

    六、结束语

　随着电力系统自动化设备的广泛应用和技术的进步，电磁兼容问题越来越突出，推广现有的、成熟的电磁兼容技术，建立完善的试验、测试制度和检验标准，研究电磁兼容新问题、新方向是电力系统应用技术的当务之急。在自动化工程设计及应用中，只要充分考虑设备的电磁兼容性，并通过各种技术措施和管理办法就可以消除电磁干扰，提高设备的稳定性和可靠性。