控制發(fā)變電站二次系統(tǒng)電磁干擾水平的措施

1、應(yīng)用研究控制發(fā)變電站二次系統(tǒng)電磁干擾水平的措施Measures to C ontrol Electromagnetic Interference Levels ofSecondary Systems in P ower Plants and Substations何金良曾嶸(清華大學(xué), 北京市,100084 (, 摘要需要采用綜合防護(hù)措施。提高一次系統(tǒng)和二次設(shè)、隔斷干擾的傳播途徑、對(duì)二。減小干擾技術(shù)應(yīng)基于所遇到的干擾的類型進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞電磁干擾綜合防護(hù)電磁干擾等通過各種途徑在發(fā)變電站產(chǎn)生的暫態(tài)干擾會(huì)通過各種耦合方式在二次系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾電壓。二次系統(tǒng)中的設(shè)備屬于弱電設(shè)備, 特別是對(duì)電子和

2、微電子裝置, 其耐壓水平和抗干擾能力都比較弱, 如不采取措施, 可能會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。發(fā)變電站二次系統(tǒng)的電磁干擾防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程, 需要采用屏蔽、接地、隔離、保護(hù)等綜合防護(hù)措施1。提高一次系統(tǒng)和二次設(shè)備之間的電磁兼容性, 即減小二次系統(tǒng)設(shè)備的干擾電壓需要采取以下措施:(1 削弱干擾源產(chǎn)生的電磁干擾的幅值及出現(xiàn)的概率;(2 隔斷干擾的傳播途徑;(3 對(duì)二次電纜采取完善的抗干擾措施; (4 提高二次設(shè)備的抗干擾能力。1抑制二次系統(tǒng)電磁干擾的基本措施1. 1抑制二次系統(tǒng)設(shè)備的入口處引入的干擾采用隔離變壓器可以將出現(xiàn)的干擾電壓經(jīng)隔離變壓器的屏蔽層及雜散電容而接地短路, 有效地抑制共模干擾

3、?；虿捎霉怆婑詈显材軐⒏蓴_隔離。另外采用濾波電路及非線性電阻組成的浪涌吸收裝置, 能有效地抑制共模和差模干擾。1. 2抑制終端設(shè)備引入的干擾對(duì)于抗干擾能力較弱的二次設(shè)備應(yīng)進(jìn)行有效的屏蔽保護(hù), 將設(shè)備放在屏蔽箱內(nèi)或放入屏蔽室內(nèi)。另外應(yīng)采取合適的接地技術(shù)。1. 3抑制傳輸電纜引入的干擾二次電纜引入的干擾是二次系統(tǒng)中的最主要的干擾來源?，F(xiàn)在二次電纜一般都采用屏蔽電纜, 已經(jīng)將二次電纜引入的干擾降低了許多。降低二次電纜引入的干擾的方法還有:(1 將二次電纜遠(yuǎn)離干擾源;(2 采用屏蔽性能更好的屏蔽電纜或采用多層屏蔽電纜;(3 針對(duì)干擾電壓及電纜傳輸信號(hào)的不同, 二次電纜屏蔽層采用不同的接地方式;(4

4、 在相當(dāng)嚴(yán)重的干擾地區(qū)可以采用光纜。2抑制干擾源2. 1抑制螺線管繼電器線圈產(chǎn)生的干擾與磁線圈并聯(lián)一個(gè)二極管是抑制直流電路中暫態(tài)的最簡(jiǎn)單的方法, 它能防止通過線圈的電壓超過電源供給的電壓。應(yīng)選擇合適的具有高的反向過電壓和高的正向過電流特性的二極管。與二極管串聯(lián)一個(gè)等于螺線管電阻值的電阻能顯著減小斷開時(shí)延和消除二極管故障時(shí)出現(xiàn)的短路, 如圖1所示。另外也可以采用暫態(tài)吸收器件和金屬氧化物非線性電阻。采取這些措施后, 如果仍可能出現(xiàn)一些高頻脈沖, 螺線管應(yīng)采用R -C 濾波。如果是由于螺線管的引線過長(zhǎng)引起觸頭火花放電, 可以在觸發(fā)觸頭處采用二次濾波?？梢圆贾猛ㄟ^繼電器觸頭的收稿日期:1999-10-

5、1501電力建設(shè)2000年第3期 圖1二極管和串聯(lián)電阻組成的暫態(tài)抑制電路背靠背的二極管, 這種措施不僅能抑制干擾, 也能防止觸頭的損壞。2. 2可控硅整流器、頻。發(fā)射。2. 3輸入信號(hào)干擾的抑制在電子電路板上布置合適的濾波電路是經(jīng)常采用的方法, 它能使電子電路具有本征的暫態(tài)抵抗能力。如果這種方法不合適, 則應(yīng)采用外部濾波。R -C 濾波、齊納二極管以及非線性電阻可以推薦用于螺線管電路, 但必須使引線長(zhǎng)度最短。3控制電纜的定位和隔離3. 1控制電纜路線控制電纜布置是影響沖擊電壓水平的一個(gè)重要因素。將控制電纜的干擾控制在最小水平的技術(shù)包括:(1 提供控制電纜輻射狀的路徑。防止設(shè)備間由于電纜的返回導(dǎo)

6、體而構(gòu)成回路。所有電源和返回導(dǎo)體應(yīng)包括在一個(gè)公共電纜中, 以避免由于大的磁通回路而引起大的電磁感應(yīng)。即CT 的2根二次引線應(yīng)布置在相同電纜中, 正負(fù)直流引線也應(yīng)布置在相同電纜,PT 二次引線的三相和中性線同樣應(yīng)布置在相同電纜。如果電源和返回信號(hào)線是分離線, 則它們應(yīng)盡可能在相同的導(dǎo)線路徑上靠近布置, 以使回路最小, 減小感應(yīng)干擾的可能性。如果可能, 將2根線扭在一起能進(jìn)一步減小感應(yīng)干擾。(2 將控制電纜與匯流排和電源線成直角布置, 以使耦合的電纜長(zhǎng)度最短, 因?yàn)殡娫淳€存在初始的暫態(tài)電流。如果這不可能做到, 與并聯(lián)母線分開的距離應(yīng)盡可能大。(3 控制室布置在中間, 以使控制電纜最短。(4 控制線

7、和電源線間的距離盡可能大。二者應(yīng)靠近導(dǎo)電的箱體或參考接地板裝置。(5 布置電纜時(shí)應(yīng)避免偶然構(gòu)成的回路。3. 2幾何位置分開工作在不同電壓(有時(shí)是不同能量水平 的電路應(yīng)在幾何位置上分開布置。例如, 低能量的邏輯信號(hào)應(yīng)不與高能量控制信號(hào)布置在相同的電纜中。與這種情況相似, 直流電池和交流控制電源電路也不應(yīng)布置在相同電纜, 同的電纜中。地, 2, 在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合, 要300450mm 的范圍。這個(gè)間距對(duì)于減小發(fā)變電站長(zhǎng)電纜間的干擾具有很好的效果。4二次系統(tǒng)的屏蔽4. 1屏蔽效應(yīng)屏蔽用于保護(hù)系統(tǒng)、電路或元件免受外部電磁干擾。對(duì)于不同的干擾源頻率, 應(yīng)采用不同的屏蔽方法。對(duì)于電纜, 可以采用金屬管道、

8、銅編制帶、銅帶或鋁聚酯薄膜。對(duì)于元件, 可以采用導(dǎo)電的外殼。對(duì)于直流或低頻電場(chǎng), 靜電屏蔽可以通過將靈敏元件布置在高導(dǎo)電性的材料中來實(shí)現(xiàn), 一般將高導(dǎo)電性的材料接地, 它能維持等電位。對(duì)于直流或低頻磁場(chǎng)的屏蔽, 屏蔽材料應(yīng)將外部干擾磁通從被屏蔽空間轉(zhuǎn)移, 材料應(yīng)具有低磁阻。磁阻與屏蔽的導(dǎo)磁率和截面積成反比。因此磁屏蔽應(yīng)具有高的導(dǎo)磁率和大的截面積。由于磁性材料的導(dǎo)磁率不是常數(shù), 取決于屏蔽材料的磁通密度, 因此屏蔽的有效性決定于材料的磁通密度。如果磁通密度太高, 將導(dǎo)致磁屏蔽飽和, 則屏蔽無效。有效的磁場(chǎng)屏蔽很難同時(shí)具有很好的靜電屏蔽, 二者是相互矛盾的。當(dāng)高頻電磁場(chǎng)出現(xiàn)在導(dǎo)電屏蔽上時(shí), 部分電

9、磁波被屏蔽材料反射。沒有反射的部分將穿透通過屏蔽材料。但通過屏蔽材料時(shí), 一部分電磁波將衰減。因此施加在被屏蔽電路、元件或系統(tǒng)上的電磁場(chǎng)將大大地低于實(shí)際的外部電磁場(chǎng)。屏蔽層衰減電磁場(chǎng)的效果與材料的屏蔽效應(yīng)有關(guān)。測(cè)量屏蔽效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)單位是dB 。屏蔽效應(yīng)低于20dB 時(shí), 只能起到一定的減小電磁場(chǎng)的作用;2080dB 時(shí), 能將電磁場(chǎng)衰減到正常接收范圍; 在80120dB 時(shí), 大于平均屏蔽效果。通常高于120dB 的屏蔽效應(yīng)很難達(dá)到。屏蔽引起的場(chǎng)的損耗是屏蔽材料的導(dǎo)磁率、導(dǎo)112000年第3期電力建設(shè)電率和厚度、干擾的頻率、E MI 與屏蔽的距離的函數(shù),5060H z 時(shí), 任何厚度的非磁材料都

10、不具有屏蔽電磁場(chǎng)的作用。4. 2電子設(shè)備的屏蔽當(dāng)導(dǎo)線沒有連接到電路接地參考點(diǎn)上的金屬屏蔽時(shí), 靜電耦合是相當(dāng)嚴(yán)重的。感應(yīng)電壓的幅值取決于干擾源導(dǎo)體和信號(hào)電路導(dǎo)體間的距離。電場(chǎng)耦合隨頻率和間距的增加而增加, 當(dāng)被屏蔽電路具有高阻抗時(shí), 以靜電耦合為主, 靜電耦合大于磁場(chǎng)耦合。, 。任何, 并提供電磁場(chǎng)耦合進(jìn)出箱體的可能性。耦合效應(yīng)取決于孔和縫相對(duì)于干擾波長(zhǎng)的尺寸。任何外殼的開口能提供某些頻率下的高效率的耦合通道。隨著開口尺寸的增加, 耦合效應(yīng)也增加。開口大于l /20時(shí)(l 為波長(zhǎng) , 電磁能量可以自由通過小孔, 沒有任何衰減。因此應(yīng)避免尺寸大于l /20的開口。由于大多數(shù)E MI 耦合問題具有

11、很寬的頻帶, 波長(zhǎng)應(yīng)取最高干擾頻率對(duì)應(yīng)的值。當(dāng)一個(gè)箱體存在開口時(shí), 應(yīng)采取如下保護(hù)措施來降低耦合危害:(1 保證箱體上開口的最長(zhǎng)尺寸小于l /20, 大于l /20的開口應(yīng)采取附加防護(hù)措施。(2 當(dāng)電纜穿入箱體時(shí), 屏蔽應(yīng)采用低于截止頻率的波導(dǎo)管來實(shí)現(xiàn)。將導(dǎo)電的通筒連接到箱體的內(nèi)側(cè), 如圖2所示。由于波導(dǎo)管的截止頻率f c 是2倍波導(dǎo)管最大寬度W 的函數(shù), 即f c =g (2W , 因此導(dǎo)電通筒的長(zhǎng)度至少應(yīng)是電纜穿孔寬度的4倍, 即T /W 4。(3 密封在塑料或其他非導(dǎo)電箱體中的電子系統(tǒng)應(yīng)采用導(dǎo)電箱體來提供屏蔽。最常用的方法是在箱體內(nèi)側(cè)噴涂上一層含有導(dǎo)電金屬離子的涂層。(4 用于儀表或顯示

12、器的開口, 應(yīng)采用特殊制作的屏蔽窗以保持相同導(dǎo)電屏障的連續(xù)性。比較典型的方法是在窗口上施加一層透光的導(dǎo)電層, 或在窗口內(nèi)部布置精細(xì)編制的網(wǎng)屏蔽。(5 箱體開縫的處理:所有導(dǎo)電的柵網(wǎng)表面應(yīng)沒有涂層、陽極化處理、氧化物、油脂等; 開縫的2個(gè)表面應(yīng)重疊; 在長(zhǎng)度不超過l /20的間縫, 沿整個(gè)開縫長(zhǎng)度應(yīng)有可靠的電接觸, 可采用通過開縫的螺絲接合件、接地墊、接觸條或?qū)щ妷|圈來實(shí)現(xiàn) 。圖2電纜的屏蔽對(duì)于大多數(shù)多芯電纜, 只能采用一個(gè)總屏蔽或單根的屏蔽導(dǎo)體對(duì)中的一種,2個(gè)措施同時(shí)采用時(shí),單位長(zhǎng)度的電容將明顯增加。例如, 數(shù)字信號(hào)一般只使用一個(gè)總屏蔽。如果連接信號(hào)導(dǎo)體的磁通也連接電纜屏蔽, 則能達(dá)到理想的屏

13、蔽導(dǎo)體的作用。屏蔽效果是外部磁場(chǎng)在屏蔽中建立的渦流的結(jié)果。不管是否屏蔽接地, 渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與干擾磁場(chǎng)相反而抵消。電纜屏蔽可以看作連接控制電路箱體的屏障元件, 分為金屬管道、銅編織帶、銅帶或鋁聚酯薄膜等形式。因?yàn)殡娎|屏蔽是防止內(nèi)部電路免受外部干擾的屏障的一部分, 因此電纜屏蔽與箱體的連接應(yīng)具有連續(xù)性。屏蔽是否接地, 都應(yīng)該閉合使內(nèi)部電路免受外部寬帶干擾, 如圖3所示。通常為了減小通過電容形成接地回路的可能性, 單根的屏蔽導(dǎo)體或?qū)w對(duì)應(yīng)將其屏蔽在最大電容點(diǎn)接地, 最大電容點(diǎn)一般是信號(hào)源處 。圖3閉合EMI 屏障的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖5接地這里只討論與屏蔽有關(guān)的接地問題。合適的接地技術(shù)有助于消除內(nèi)部和外部的

14、干擾。一般來說, 交流接地導(dǎo)體不應(yīng)穿透設(shè)備外殼。當(dāng)交流接地導(dǎo)體穿透設(shè)備外殼時(shí), 將作為E MI 的通道有效傳播E MI , 使箱體的屏蔽效果為0dB , 屏蔽失效。不管是否接地, E MI 屏障的重要特征是閉合。不合適的接地不僅不能解決問題, 而且還將引起更21電力建設(shè)2000年第3期多的E MI 控制問題。電纜屏蔽作為這方面的一個(gè)主要例子, 由于接地電纜屏蔽的意圖將導(dǎo)致破壞這個(gè)E MI 屏障。6濾波濾波器的范圍很廣, 從簡(jiǎn)單的電容、鐵氧體磁珠到復(fù)雜的帶通濾波。濾波器的布置主要決定于需要被濾除的干擾的特征。由于不同的濾波器布置將影響信號(hào)參數(shù), 如數(shù)字和邏輯信號(hào)的脈沖上升時(shí)間和波形, 當(dāng)采用濾波

15、時(shí), 應(yīng)考慮正反兩方面的影響。濾應(yīng)考慮下列要求:(1 保證設(shè)備內(nèi)未濾波的電源線部分盡可能短, 濾波應(yīng)優(yōu)化布置在箱體隔板上, 以防止高頻時(shí)輸入和輸出的寄生電容耦合;(2 避免由于濾波引線靠近輸入的未濾波引線引起的已濾波和未濾波引線間的再耦合;(3 避免電源引線和信號(hào)邏輯電纜間的耦合。干擾源與設(shè)備接地有關(guān)。由于接地線被很多設(shè)備共用, 任何外部源產(chǎn)生的干擾電流都能通過傳導(dǎo)耦合而進(jìn)入控制電路。對(duì)于靈敏設(shè)備應(yīng)采用分開的設(shè)備接地導(dǎo)體, 或接地導(dǎo)體采用合適的RF 扼流圈。如鐵氧體磁珠等吸收裝置可用于由于外部共模干擾引起的外部場(chǎng)的去耦。很多高頻暫態(tài)可以在電路進(jìn)入處采用0. 1F 的電容將每個(gè)控制導(dǎo)體旁路到信號(hào)

16、地, 以阻止其進(jìn)入控制室。為了使這種方式有效, 應(yīng)使旁路電容的引線盡可能短。如果這種方法導(dǎo)致信號(hào)線傳輸信號(hào)的時(shí)延, 則應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估。為了使濾波有效, 應(yīng)考慮信號(hào)頻率與干擾頻率不同。7其他干擾抑制技術(shù)7. 1隔離變壓器隔離變壓器用于平衡信號(hào)電路。如果在線對(duì)的兩端安裝隔離變壓器, 線對(duì)將使終端設(shè)備與低頻地電位隔離。隔離變壓器只能用于交流電路。7. 2中和變壓器中和變壓器起消除低頻地電位差的作用。所有引入的控制電纜應(yīng)通過中和變壓器, 通過二次繞組隔離。原邊與二次側(cè)的繞組數(shù)相同, 通過發(fā)變電站地電位升帶電, 一端連接到電站地, 另一端連接到不受電站故障電流影響的足夠遠(yuǎn)的地。因此, 等于地電位升的電壓

17、感應(yīng)在控制電路, 而輸入電纜和控制電路之間不存在地電位升。中和變壓器具有適合交流和直流2種電路的優(yōu)點(diǎn)。7. 3差分放大器差分放大器用于減小共模干擾, 即使大多數(shù)集成電路的差分放大器的共模耐受能力只有幾V , 通kV 的共。. , 因?yàn)榧词乖谝粋€(gè)頻, 但在另一頻率范圍內(nèi)卻增加了干擾。改變電路阻抗以減小原邊感性或容性源感應(yīng)的干擾也應(yīng)注意與增加信噪比相同的問題。7. 5采用光纜采用光纜可以免受危害標(biāo)準(zhǔn)載流控制電纜的干擾源的影響。光纜的輸入和輸出連接電路對(duì)E MI 很敏感。7. 6沖擊抑制沖擊抑制可以采用沖擊避雷器、二極管、壓電晶體濾波器、電容或火花放電間隙, 應(yīng)盡可能靠近設(shè)備終端。8按耦合機(jī)理分類的減小干擾技術(shù)按耦合機(jī)理分類的減小干擾技術(shù), 可分為減小共阻抗耦合、減小容性耦合、減小感性耦合、減小輻射耦合等。應(yīng)當(dāng)注意, 在實(shí)際應(yīng)用中, 減小干擾技術(shù)應(yīng)基于所遇到的干擾的類型進(jìn)行優(yōu)化。由以上4種耦合方式中的任1種可產(chǎn)生共模干擾, 它經(jīng)常轉(zhuǎn)換為差模干擾, 它是控制電路中最頻繁的故障源?？梢圆捎萌缦聨追N技術(shù)來減小共模干擾:(1 采用平衡傳感器和相同信號(hào)線