電力系統(tǒng)中電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用

上瘩密等大擘題目電力系統(tǒng)中電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用學(xué)院 物流工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 電力電子與電力傳動(dòng)科目 電磁兼容技術(shù) 教師 姚剛 姓名 姜岳 學(xué)號(hào) 電力系統(tǒng)中電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用摘要：隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁兼容技術(shù)問(wèn)題越來(lái)越突出，必須充分注意并加以研究。本文簡(jiǎn)單介紹了電磁兼容技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。并分析了目前電力系統(tǒng)內(nèi)所涉及的電磁兼容問(wèn)題并介紹了相應(yīng)的電磁兼容技術(shù)。關(guān)鍵詞：電磁兼容技術(shù)；電力系統(tǒng)；電磁干擾發(fā)展現(xiàn)狀電磁兼容是指電氣設(shè)備在同一電磁環(huán)境中共存的一種特性，即要求在同一環(huán)境中使用的電氣設(shè)備正常工作而不能相互干擾，達(dá)到兼容的目的，更通俗的說(shuō),要求工作中的電氣設(shè)備對(duì)環(huán)境的電磁干擾值和抗干擾能力必須滿足法律法規(guī)的要求，否則該電氣設(shè)備則會(huì)對(duì)其他正常工作的電氣設(shè)備造成干擾或者不能再正常允許的電磁環(huán)境中正常工作。它是與電磁環(huán)境密切相關(guān)的一門(mén)綜合性極強(qiáng)的邊緣科學(xué)。主要以電氣、電子科學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究并解決各類(lèi)電磁污染問(wèn)題，可以說(shuō)電磁兼容技術(shù)是一個(gè)正在不斷發(fā)展的新型綜合性學(xué)科，也是一門(mén)工程性極強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)。60年代以來(lái)，現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)向高頻、高速、高靈敏度、高安裝密度、高集成度、高可靠性方面發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，滲透到了社會(huì)的每個(gè)角落,因而發(fā)達(dá)國(guó)家在EMC研究方面投入了大量的人力和物力。電磁兼容的研究在我國(guó)起步較晚，發(fā)達(dá)的西方國(guó)家早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)發(fā)布了對(duì)電氣設(shè)備的電磁兼容指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)制性認(rèn)證的法令，任何電氣設(shè)備必須滿足相關(guān)的法律法規(guī)的要求方可投放市場(chǎng)，須取得認(rèn)證合格證后才允許在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。早幾年前，我國(guó)的電氣產(chǎn)品沒(méi)有對(duì)電磁兼容指標(biāo)作出具體的要求，相關(guān)的法律法規(guī)尚在制定中，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員還沒(méi)有把電磁兼容這一理念認(rèn)識(shí)理解，許多產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)階段根本沒(méi)有考慮到電磁兼容這一問(wèn)題，加之不了解國(guó)外的電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使得研發(fā)的產(chǎn)品不能通過(guò)國(guó)外強(qiáng)制性的電磁兼容測(cè)試，致使產(chǎn)品不能投放國(guó)外市場(chǎng)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品需要送到境外去做電磁兼容測(cè)試，不斷地修改不斷地測(cè)試，走了很多彎路，浪費(fèi)了大量的人力物力，更浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間，甚至錯(cuò)失了許多商機(jī)。隨著我國(guó)加入WTO,電磁兼容在我國(guó)得到了越來(lái)越高度的重視，我國(guó)政府制定了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的實(shí)施細(xì)則，從多種渠道推動(dòng)國(guó)內(nèi)電磁兼容檢測(cè)和研究工作，開(kāi)展了各種各樣的圍繞著電磁兼容設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試等方面的培訓(xùn)活動(dòng)，使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員認(rèn)識(shí)和領(lǐng)會(huì)了電磁兼容這一理論，在一定程度上推動(dòng)了這一技術(shù)的實(shí)施。技術(shù)應(yīng)用2.1電磁兼容控制技術(shù)電磁兼容性控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都充分的予以考慮和實(shí)施才可能有效?？茖W(xué)而先進(jìn)的電磁兼容工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。屏蔽、濾波、合理接地、合理布局等抑制干擾的措施都是很有效的在工程實(shí)踐中被廣泛采用。但是隨著電子系統(tǒng)的集成化、綜合化，以上措施的應(yīng)用往往會(huì)與成本、質(zhì)量、功能要求產(chǎn)生矛盾，必須權(quán)衡利弊研究出最合理的措施來(lái)滿足電磁兼容性要求。又如新的導(dǎo)電和屏蔽材料以及工藝方法的出現(xiàn)，使電磁兼容性控制技術(shù)又有了新的措施，可見(jiàn)電磁兼容控制技術(shù)始終是電磁兼容科學(xué)中最活躍的研究課題。電磁兼容控制策略與控制技術(shù)方案可分為如下幾類(lèi)：傳輸通道抑制：具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線?？臻g分離：地點(diǎn)位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場(chǎng)矢量方向控制。時(shí)間分隔：時(shí)間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動(dòng)時(shí)間分隔、被動(dòng)時(shí)間分隔。頻率管理：頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換。電氣隔離：變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、DC/DC變換。2.2電磁屏蔽技術(shù)屏蔽一般分為兩種類(lèi)型：一類(lèi)是靜電屏蔽，主要用于防治靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響，另一類(lèi)是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。靜電屏蔽應(yīng)具有兩個(gè)基本要點(diǎn)，即完善的屏蔽體和良好的接地。電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來(lái)控制電磁干擾由一個(gè)區(qū)域向另一區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播的方法。電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導(dǎo)電連續(xù)性，對(duì)屏蔽體的導(dǎo)電性要求要比靜電屏蔽高得多。因而為了滿足電磁兼容性要求，常常用高導(dǎo)電性的材料作為屏蔽材料，如銅板、銅箔、鋁板、鋁箔、鋼板或金屬鍍層、導(dǎo)電涂層。在實(shí)際的屏蔽中，電磁屏蔽效能更大程度上依賴(lài)于機(jī)箱的結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。機(jī)箱上的接縫、開(kāi)口等都是電磁波的泄漏源。穿過(guò)機(jī)箱的電纜也是造成屏蔽效能下降的主要原因。電力系統(tǒng)電磁兼容的研究?jī)?nèi)容電磁環(huán)境評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)的電磁環(huán)境評(píng)價(jià)是電磁兼容技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，也是解決電磁干擾問(wèn)題的基礎(chǔ)。它通過(guò)實(shí)測(cè)或數(shù)字仿真等手段,對(duì)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)可能受到的電磁干擾水平進(jìn)行估計(jì)。如實(shí)測(cè)可通過(guò)可移動(dòng)的電磁兼容測(cè)試車(chē)進(jìn)行，數(shù)字仿真可通過(guò)電磁暫態(tài)計(jì)算程序?qū)赡墚a(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)進(jìn)行等。電磁干擾耦合路徑即電磁干擾源的傳輸通道。一般分為傳導(dǎo)型干擾和輻射型干擾兩大類(lèi)。傳導(dǎo)干擾是指電磁干擾通過(guò)電源線路，接地線和信號(hào)線傳播到達(dá)對(duì)象所造成的干擾。如雷電沖擊源干擾。輻射干擾是指通過(guò)電磁源空間傳播到達(dá)敏感設(shè)備的干擾。如無(wú)線電干擾或電視干擾。研究干擾的耦合途徑對(duì)制定抗干擾的措施，消除或抑制干擾有重要的意義。電磁抗擾性評(píng)價(jià)涉及電磁兼容的國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要是國(guó)際電工委員會(huì)(InternationalElectrotechnicalCom2mission-IEC)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)中，從事與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作有關(guān)的有第77技術(shù)委員會(huì)（IECnTC77），即電磁兼容技術(shù)委員會(huì)，國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（IECnCISPR），以及大約50多個(gè)關(guān)心特定產(chǎn)品的電磁兼容方面問(wèn)題的產(chǎn)品技術(shù)委員會(huì)和分委員會(huì)。負(fù)責(zé)制定四類(lèi)電磁兼容出版物和標(biāo)準(zhǔn)：基礎(chǔ)電磁兼容出版物；通用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品類(lèi)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。涉及電磁兼容的國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要是國(guó)際電工委員會(huì)（InternationalElectrotechnicalCommission2IEC）。針對(duì)目前電力系統(tǒng)中強(qiáng)電設(shè)備和弱電設(shè)備一體化趨勢(shì)，通過(guò)采用試驗(yàn)來(lái)模擬運(yùn)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(yàn)被試設(shè)備是否會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)或永久性損壞。從而評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電能計(jì)量?jī)x表等各種敏感設(shè)備儀表的耐受電磁干擾的能力。電力系統(tǒng)電磁干擾的來(lái)源電力系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)大的電磁干擾源，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種復(fù)雜的電磁干擾,常見(jiàn)的電磁干擾有以下幾種。（1） 傳導(dǎo)干擾源a） 電力系統(tǒng)內(nèi)故障所產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)程干擾和暫態(tài)過(guò)電壓干擾；b） 電網(wǎng)中負(fù)荷變化產(chǎn)生的電壓暫降、中斷、不平衡、諧波和頻率變化等干擾；c） 低壓供電系統(tǒng)傳輸?shù)膫鲗?dǎo)干擾和自動(dòng)化設(shè)備、無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)；d） 發(fā)電機(jī)和變壓器產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)；e） 系統(tǒng)絕緣擊穿時(shí)產(chǎn)生的高頻暫態(tài)電流和電壓；f） 高壓電氣設(shè)備的操作，低壓交直流回路內(nèi)電氣設(shè)備的操作、變頻設(shè)備；g） 接地地線回路產(chǎn)生的公共電路耦合干擾；h） 旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾電壓；i） 電力線路傳導(dǎo)的行諧波和雷電波；j） 電能質(zhì)量差所產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾；k） 系統(tǒng)的靜態(tài)功率設(shè)備。（2） 輻射干擾源a） 高壓輸電線在輸送電能時(shí)產(chǎn)生的輻射干擾；b） 宇宙電磁輻射；c） 閃電和雷電的磁場(chǎng)；d） 大氣中的無(wú)線電輻射；e） 大氣中的電流電場(chǎng)；f） 核電磁脈沖輻射；g） 電力線路絕緣子局部放電產(chǎn)生的脈沖；h） 熒光燈輻射源；i） 人體靜電放電干擾；j） 機(jī)動(dòng)車(chē)干擾源；k） 周?chē)刂恋姆蔷€性效應(yīng)。電磁兼容技術(shù)的設(shè)計(jì)影響微機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性的因素見(jiàn)下式：N(^)=G(^)C(^)/I(^)式中：N(3) 干擾對(duì)系統(tǒng)(或設(shè)備)的影響；G(3)一干擾的強(qiáng)弱；C(3) 干擾傳輸?shù)鸟詈虾瘮?shù)；1(3) 受干擾系統(tǒng)(或設(shè)備)的抗干擾能力，即敏感度閥值。顯然，影響系統(tǒng)(或設(shè)備)受干擾嚴(yán)重程度的因素有3個(gè)方面，他們都是頻率的函數(shù)。該數(shù)學(xué)模型提示了提高抗干擾能力的原理是：切斷干擾源，即減小G(3)；減小耦合，即減小C(3)；提高受干擾系統(tǒng)(或設(shè)備)的敏感度閥值，即加大1(3)。在實(shí)際情況中，往往是3個(gè)因素綜合考慮，并按①②③的順序去采取措施，以獲得最佳的效果。電磁兼容技術(shù)的設(shè)計(jì)要從電磁兼容的3個(gè)基本要素著手，從原理的可行性、元器件的選擇、加工生產(chǎn)工藝、安裝運(yùn)行環(huán)境等幾個(gè)方面來(lái)考慮。把握不同類(lèi)型電磁干擾的本質(zhì)，對(duì)不同的干擾頻率、頻譜采用相應(yīng)的濾波、隔離、接地、屏蔽等措施。5.1濾波濾波是利用濾波器來(lái)抑制電磁干擾，濾波器是由集中參數(shù)的電阻、電容和電感，或者是分布參數(shù)的電阻、電容、電感構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)只允許有用信號(hào)的頻率分量通過(guò)，阻止其他干擾頻率通過(guò)，使電磁干擾減少到滿意的工作電平上。濾波器是防止傳導(dǎo)電磁干擾的主要措施，如電源濾波器解決傳導(dǎo)干擾的問(wèn)題；濾波器同時(shí)也是解決輻射干擾的重要武器，如抑制無(wú)線電干擾，在發(fā)射機(jī)的輸出端和接收機(jī)的輸入端安裝相應(yīng)的電磁干擾濾波器，濾掉干擾信號(hào)，以達(dá)到電磁兼容的目的。濾波器工作方式有兩種:一種是不讓無(wú)用信號(hào)通過(guò)，并把它們反射回信號(hào)源；另一種是把無(wú)用信號(hào)在濾波器里消耗掉。在采用濾波方法來(lái)抑制傳導(dǎo)干擾時(shí)，首先要了解干擾源的頻譜、干擾源在頻帶中的分布情況，干擾波幅值等?？梢酝ㄟ^(guò)干擾儀器來(lái)檢測(cè)，獲得干擾源的頻帶分布和幅值，有針對(duì)性地選擇濾波器的種類(lèi)或者設(shè)計(jì)濾波器電路。5.2隔離隔離是干擾線路(饋線)周?chē)嬖诟蓴_電磁場(chǎng)，當(dāng)其他線路(導(dǎo)線)在其附近時(shí),由于電磁耦合而形成干擾。防止這種干擾最簡(jiǎn)單而有效的方法是將干擾線路與其它線路隔離開(kāi)來(lái)，以切斷或削弱它們之間的電磁耦合。隔離的原則和方法是：干擾線路和其他線路盡可能不要平行排列，如必須平行，導(dǎo)線間距L與導(dǎo)線直徑D之比應(yīng)不小于40(L/DN40)，在可能情況下導(dǎo)線間距應(yīng)盡量大些，并且平行部分的長(zhǎng)度越小越好；敏感線路與一般線路如平行排列，其間距應(yīng)大于50mm；電源饋線與信號(hào)線應(yīng)予隔離，當(dāng)他們平行排列時(shí)，其間距應(yīng)大于50mm；高頻導(dǎo)線是對(duì)其他線路干擾最大的線路，一般都要屏蔽；有些脈沖線路的脈沖功率較大，對(duì)其他線路構(gòu)成嚴(yán)重干擾，應(yīng)按干擾線路對(duì)待。至于電平較低，功率很低的數(shù)字電路可按一般線路處理，原則上按敏感電路對(duì)待，也可根據(jù)具體情況處理。5.3接地接地是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)接地面之間建立導(dǎo)電的低電阻的通路，把系統(tǒng)中電子元件的零電位互相連接起來(lái)，再把它們同時(shí)與某個(gè)等價(jià)于“地”的參考點(diǎn)連起來(lái)。具體方法可以將理想的接地體作為一個(gè)零電位、零電阻的物理實(shí)體，作為與各有關(guān)電路中信號(hào)電平的參考點(diǎn)，任何不需要的電流通過(guò)它都不產(chǎn)生電壓降，這種理想的接地體實(shí)際上是近似的，在設(shè)備上接地是為了使設(shè)備本身所流過(guò)的干擾電流經(jīng)過(guò)接地線流入大地，減少干擾源所傳播和發(fā)布的能量。接地的主要目的是防止電磁干擾，消除公共電路阻抗的耦合，也是為了保障人身和設(shè)備的安全?；窘拥丶夹g(shù)有浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地4種。浮地常用于電路或設(shè)備工作狀態(tài)不能與公共地或大地相連接，它的原理近似于起到隔離變壓器的作用；單點(diǎn)接地是所有需要接地的引線全部接到一個(gè)點(diǎn)，再由這個(gè)點(diǎn)直接與地相連接。一般用于抑制頻率在1MHz以下的干擾信號(hào)；多點(diǎn)接地是指系統(tǒng)或設(shè)備中所需接地的引線直接接到離它們最近的地上。一般用于抑制頻率在10MHz以上的干擾信號(hào)；混合接地是在復(fù)雜情況下，設(shè)備或單元電路的接地難以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的接地形式來(lái)解決而采取的混合形式，用于干擾信號(hào)頻率在1?10MHz的情況。利用接地的方式可以減少或衰減干擾源的能量，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：接地線盡量短；接地線阻抗要盡可能?。粦?yīng)采用金屬材料相同的導(dǎo)線作為接地線；接地線的接地點(diǎn)應(yīng)有良好的導(dǎo)電性能；接地線的連接點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。5.4屏蔽屏蔽就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮小?、屏、板等將電磁能限制在一定空間范圍內(nèi)，使場(chǎng)的能量從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r(shí)，受到很大衰減而防止電磁干擾的措施。有電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽3種方法。電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的電磁兼容技術(shù)也是基于上面的理論，對(duì)不同功能、不同安裝地點(diǎn)、不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備應(yīng)分別有側(cè)重點(diǎn)的采取不同的電磁兼容技術(shù)措施。為達(dá)到良好的屏蔽效果，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的問(wèn)題有:選擇正確的接地點(diǎn)并保證接地良好，如選擇低電平元件為入地點(diǎn);合理設(shè)計(jì)屏蔽體的材料和形狀,如全封閉屏蔽體比板式性能好，低頻磁場(chǎng)材料厚度越大為改善屏蔽效果越好;合理布置接縫和磁場(chǎng)的相對(duì)方位，如屏蔽體的接縫與磁力線方向應(yīng)保持一致;減少屏蔽體的孔洞(縫隙)泄漏等。6..結(jié)語(yǔ)電力系統(tǒng)的電磁兼容性能，直接關(guān)系著我國(guó)電力技術(shù)的發(fā)展，建立完善的電磁兼容技術(shù)研究機(jī)構(gòu),培養(yǎng)專(zhuān)門(mén)的研究電磁