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牛建偉 張愛軍 吳若玲 黑龍江省齊哈爾供電局

　　摘  要： 隨著綜合自動化技術在變電站設計中的廣泛應用，電磁兼容成為熱點問題。本文詳細討論了電磁干擾源及電磁干擾的傳輸方式，提出了在綜合自動化變電站設計中進行抗電磁干擾設計應采取的技術和措施。 
　　關鍵詞：變電站 電磁兼容 電磁干擾 屏蔽 濾波 接地  
 

1引言
　　計算機監控系統、微機保護以及系統通信技術構成了變電站的綜合自動化系統。該系統具有運行可靠、占地面積少、設計、運行、維護簡單等突出優點。但大量電氣、電子設備的廣泛應用，形成了復雜的電磁環境。電磁干擾（Elec-tromagnetic Interference—EMI）和電磁敏感度（Electromagnetic Sensitivity—EMS）已成為綜合自動化變電站設計過程中必須考慮的問題。如何使變電站內的電氣設備既不受外來干擾影響，也不對所處環境和其他設備造成干擾，維持共存的電磁環境、相互兼容，均能正常工作，是變電站設計必須解決的課題。為了保證電氣設備在復雜的電磁環境中能夠正常工作，同時減少自身對環境產生的電磁污染，許多國家都頒布了電磁兼容性標準，國際電工委員會（IEC）設立的國際無線電干擾特委會（CISPR）于20世紀60年代制定了系列電子、電氣設備的電磁干擾限制標準。80年代后，我國參照CISPR標準制定了若干相關國家標準。而今，抗電磁干擾和防護設計已成為變電站設計的重要內容。
2電磁干擾源與電磁干擾的傳輸方式
　　電磁干擾是人們早就發現的電磁現象。一些電器、電子設備工作時所產生的電磁波，容易對周圍的其他電氣、電子設備形成電磁干擾，引發故障或者影響信號的傳輸。另外，過度的電磁干擾會形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態平衡。
　　電磁污染的來源包括雷電（包括核爆等強電磁脈沖）、靜電及所有電氣的動作（包括正常及非正常的）過程。如衛星通信、飛機航行的智能化、通信無線塔、超高壓輸電線路、工廠自動化生產線、電氣牽引饋電系統的諧波、大型醫療設備、物理儀器、家用儀器、電動工具、移動電話、遙控儀表、集成模塊、印刷電路板等，凡有電磁現象存在的地方都有電磁干擾問題。絕緣物體的相對摩擦也會產生可怕的靜電效應。例如，高速飛行器與大氣的相對運動、合成材料的纏繞、流體（石油、天然氣等）的高速傳輸、化纖織物與人體的摩擦等，由于靜電積聚的隱蔽性和釋放過程的突發性，造成的危害程度不亞于諧波和強電磁脈沖。電磁干擾源可分為自然干擾與人為干擾源。自然干擾源如雷電、宇宙輻射、太陽黑子的干擾等；人為干擾源如變配電設備、變頻設備、架空輸電線、無線電發射臺，以及來自工業、科研、醫療射頻設備產生的干擾等。變電站內的電磁干擾主要來自高壓設備操作、低壓交直流回路內電氣設備的操作、雷電引起的浪涌電壓、電氣設備周圍的靜電場、電磁波輻射和輸電線路或設備短路故障所引起的瞬變過程等。這些電磁干擾進入變電站的綜合自動化系統，就可能引起自動化系統工作不正常，甚至損壞某些部件或元器件。
　　研究電磁干擾的傳輸方式，對制定抗干擾的措施，消除或抑制干擾具有重要的意義。電磁干擾的傳輸方式大體分為空間傳播的電磁輻射（Radiated）耦合方式與電路傳輸的傳導（Conducted）方式。
電磁輻射干擾是指通過電磁源空間傳播到敏感設備的干擾。例如，輸電線路電暈產生的無線電干擾或電視干擾即屬于輻射型干擾。電磁輻射干擾近場表現為靜電感應與電磁感應導致的干擾，遠場則為通過輻射電磁波造成的干擾。任一載流導體周圍都產生感應電磁場并向外輻射一定強度的電磁波，相當于一段發射天線，處于電磁場中的任一導體則相當一段接收天線，會感生一定電勢，導體的這種天線效應是導致電子、電氣設備相互產生電磁輻射干擾的根本原因。高壓架空輸電線及變配電裝置，由于開關或導線聯接接觸不良處的火花放電、金具或導線電暈放電或變壓器漏磁等原因，可能產生0.15~30MHz的電磁輻射干擾。當離干擾源一定距離處的電子設備接收的干擾信號強度超過其防護率時，將無法正常工作。
　　傳導干擾是經導線、金屬管道、公共接地阻抗等導電路徑傳播的干擾。只要有連接便可能傳導電磁干擾。干擾信號可通過電源回路、負載回路、信號回路及任何引入（出）建筑物的金屬管線傳入（出）電子、電氣設備，使之受到干擾或干擾網絡中的其他設備。工程實踐表明，影響最大的是電源回路傳導的干擾，其中最易導致電子設備故障停運或運行錯亂的是脈寬小于1μs的干擾脈沖與瞬變噪聲，以及持續時間大于10ns的持續噪聲。產生干擾脈沖與瞬變噪聲的主要原因有電力負載通斷、電容器投入、熔斷器熔斷、繼電器類感性負載切斷、雷電等等，多為不規則的正、負脈沖或振蕩脈沖，其尖峰電壓可達0.1~10Kv，電流可達100A，以斷開感性負載情況最嚴重。持續噪聲主要有：持續欠電壓與過電壓、電壓缺口（多為短路或過載時斷路器動作引起的0.5s以上的停電）、大容量異步電機啟動或雷電引起的擾動，等等。可見電磁干擾問題已成為變電站設計必須考慮解決的問題之一。
3綜合自動化變電站工程電磁干擾的防護技術與措施
　　干擾源的能量通過各種途徑以傳導或輻射方式耦合至變電站的一次系統和二次回路，表現在電力線、信號線、控制回路和自動化系統上的干擾電壓和干擾電流的水平或電場和磁場的水平。因此，電磁兼容是至關重要的問題。按規定的電磁兼容標準進行電磁兼容設計是預防出現電磁干擾的一個基本要求。但電磁環境是千變萬化的，要真正達到經濟上和技術上的電磁兼容，保證一、二次設備運行的可靠性，必須根據具體情況，靈活運用各種技術和措施。下面是作者根據實際運行情況，并吸收兄弟單位的經驗，介紹幾種常用的電磁兼容技術措施。
3.1屏蔽措施
3.1.1一次設備與自動化系統輸入、輸出的連接均采用屏蔽電纜，電纜的屏蔽層兩端接地，對電場耦合和磁耦合都有顯著的削弱作用。當屏蔽層一點接地時屏蔽層電壓為零，可明顯減少靜電感應(電容耦合)電壓；當兩點接地時，干擾磁場在屏蔽層中感應電流，該電流產生的磁通與干擾磁通方向相反，互相抵消，因而顯著降低磁場耦合感應電壓。兩端接地可將感應電壓降到不接地時感應電壓的1%以下；
3.1.2二次設備內，綜合自動化系統中的測量和微機保護或自控裝置所采用的各類中間互感器的一、二次繞組之間加設屏蔽層，這樣可起電場屏蔽作用，防止高頻干擾信號通過分布電容進入自動化系統的相應部件；
3.1.3相箱或機柜的輸入端子上對地接一耐高壓的小電容，可抑制外部高頻干擾。由于干擾都是通過端子串入的，當高頻干擾到達端子時，通過電容對地短路，避免了高頻干擾進入自動化系統內部；
3.1.4變電站綜合自動化系統的機柜和機箱所采用的鐵質材料，本身也是一種屏蔽。
3.2減少強電回路的感應耦合
為了減少變電站綜合自動化系統以外由一次設備帶來的感應耦合，可采用以下方法：
3.2.1控制電纜盡可能離開高壓母線和暫態電流的入地點，并盡可能減少平行長度。高壓母線往往是強烈的干擾源，因此，增加控制電纜和高壓母線間的距離，是減少電磁耦合的有效措施。避雷器和避雷針的接地點、電容式電壓互感器、耦合電容器等是高頻暫態電流的人地點。控制電纜要盡可能離開它們，以便減少感應耦合；
3.2.2電流互感器回路的A、B、C相線和中性線應在同一根電纜內，避免出現環路；
3.2.3電流和電壓互感器的二次交流回路電纜，從高壓設備引出至監控和保護安裝處時，應盡量靠近接地體，減少進入這些回路的高頻瞬變漏磁通。
3.3接地和減少共阻抗耦合
　　接地是變電站一、二次設備電磁兼容的重要措施之一，也是變電站綜合自動化系統抑制干擾的主要方法。在變電站設計和施工時過程中，如果能把接地和屏蔽很好地結合起來，則可以解決大部分干擾問題。
3.3.1綜合自動化系統的地線種類
在變電站綜合自動化系統中，大致有如下5種接地線：
1)微機電源地線和數字地線(即邏輯地)，這種地是微機直流電源和邏輯開關網絡和零電位；
2)模擬地線，這是A/D轉換器和前置放大器或比較器的零電位；
3)信號地線，通常為傳感器的接地線；
4)噪聲地線，繼電器、電動機等噪聲接地線；
5)屏蔽地線，即殼接地。
3.3.2微機電源接地(0V)和數字接地的處理
　　電磁干擾可能進入綜合自動化系統弱電部分的主要途徑是通過微機電源。因為電源與干擾源的聯系比較緊密，同時電源線直接連接至各部分，包括CPU部分，因此來自電源的干擾很容易引起死機。對于處理微機電源的地線問題，一般采用浮地和共地、一點共地和多點共地等幾種接線方式：
　　1)微機電源采用浮地的方法。微機電源地和數字地采用浮動地方法是指微機電源的零線不與機殼相連。這種方法必須盡量減少電源線同機殼之間的分布電容；
　　2)微機電源地與機殼共地。電源地與機殼共地存在的主要問題是：電源零線與機殼接地線間總有一定的阻抗，很難避免浪涌電流流過電源線對微機系統造成干擾的情況，而且這種干擾容易造成微機系統工作紊亂，甚至死機；
　　3)一點接地和多點接地的問題。對微機電源地或數字地的接地方式，一般認為：高頻電路(10MHz以上)宜采用多點接地；而低頻電路(1MHz以下)常采用一點接地。因為在低頻電路中，布線和元件的電感并不是什么大的問題，但是接地電路若形成環路，則對干擾影響大，采用一點接地，對避免地線形成環流有利，變電站綜合自動化系統屬低頻系統，應盡量采用一點接地.
3.3.3數字地和模擬地的處理
　　由于A/D轉換器的數字地通常和電源地是共地連接，實踐證明：數字地上電平的跳躍會造成很大的尖峰干擾，會影響A/D轉換器的模擬地電子的波動，影響轉換結果的精度。為了解決此問題，對數字地和模擬地間的關系有如下處理方式：
1)數字地和模擬地共地.
2)模擬地浮空的接線方式。其特點是將模擬地和信號地連在一起然后浮空，不與數字地連在一起；
3)模擬地和數字地通過一對反相二極管相連接，這種接線方式使模擬地和數字地有所隔離，而又保證了模擬地對數字地的電位漂移被二極管所箝制，其連接方法如圖3所示，這種連接方式對保證A/D轉換精度比插件較為有利。
以上介紹了三種模擬地的處理方法，至于采用哪一種方式最佳，要結合系統的實際情況，通過反復調試、試驗最終確定。
3.3.4噪聲地的處理
　　對于繼電器或電動機等回路的噪聲地采用獨立接地的方式，不要與模擬地和數字地合接在一起。
以上介紹了變電站綜合自動化系統的幾種接地方式，在實際應用中，并不是簡單地采用某一種接地方式即可消除電磁干擾，而往往是根據地線的分流的原則，綜合運用上述幾種接地方式。地線分流的原則是：強、弱信號分開；信號、噪聲分開；連線則是模、數分開。
3.4隔離措施
采取良好的隔離和接地措施，可以減小干擾傳導侵入。在變電站綜合自動化系統中行之有效的隔離措施有以下幾種。
3.4.1模擬量的隔離
　　變電站的監控系統、微機保護裝置以及其他自動裝置所采集的模擬量，大多數都來自一次系統的電壓互感器和電流互感器，它們均處于強電回路中，不能直接輸入至自動化系統，必須經過設置在自動化系統各種交流輸入回路中的隔離變壓器(常稱小電壓互感器TV和小電流互感器TA)隔離，這些隔離變壓器一、二次之間必須有屏蔽層，而且屏蔽層必須可靠接地，才能起到比較好的屏蔽效果。
3.4.2開關量輸入、輸出的隔離
　　變電站綜合自動化系統開關量的輸入，主要是斷路器、隔離開關的輔助觸點和主變壓器分頭位置等。開關量的輸出，大多數也是對斷路器、隔離開關和主變壓器分接開關的控制。這些斷路器和隔離開關都處于強電回路中，如果與自動化系統直接相連，必然會引入較強的電磁干擾。因此，要通過光電耦合器隔離或繼電器觸點隔離，這樣會取得比較好的效果。
3.4.3其他隔離措施
　　二次回路布線時，應考慮隔離，減少互感耦合，避免干擾由互感耦合侵入。
1)強、弱信號電纜的隔離，強、弱信號不應使用同一根電纜；信號電纜應盡可能避開電力電纜；盡量增大與電力電纜的距離，并盡量減少其平行長度；
2)二次設備配線時，應注意避免各回路的相互感應；
3)印刷電路板上的布線要注意避免互相感應。
3.5濾波
　　濾波是抑制自動化系統模擬量輸入通道傳導干擾的主要手段之一。模擬量輸入通道受到的干擾(也稱常態干擾)和共模干擾(也稱共態干擾)兩種。對于串人信號回路的差模干擾，采用濾波的方法可以有效地濾波。因此，各模擬量輸入回路都需要先經過一個濾波器，以防止頻率混迭。濾波器能很好地吸收差模浪涌。
如果差模干擾信號Unm的頻率比被測信號Us的頻率高，則采用低通濾波器來抑制高頻差模干擾；若Unm的頻率比Us的頻率低，則采用高通濾波器；若干擾信號Unm的頻率落在Us頻率的兩側，則采用帶通濾波器。
3.6計算機供電電源的抗干擾措施
　　變電站綜合自動化系統中，微機電源的供電系統大致分兩類：①大多數微機保護子系統或自動裝置等均采用直流220V供電，其電源取自站內直流屏；②大多數綜合自動化系統的監控機或管理機或其他用途的微機系統，其供電電源常采用交流220V，一般取自站用變壓器，這種情況下，電網的沖擊，電壓和頻率的波動都將直接影響到微機系統運行的可靠性和穩定性，甚至由于電網的沖擊，會造成死機，而電源線是計算機的重要干擾途徑。因此，對計算機交流供電系統采取必要的抗干擾措施是至關重要的，下述重點介紹交流供電系統的抗干擾措施。
3.6.1采用隔離變壓器隔離
　　在微機電源的輸入側，安裝隔離變壓器，由隔離變壓器的輸出端直接向計算機供電，這是很有效的抗干擾措施。隔離變壓器的變比可取1：l，在一次和二次，采用雙屏蔽技術，一次屏蔽層(用漆包線或銅線等非導磁材料繞一層，但電氣上不能短路)接中線，以隔離來自電網或站用變的干擾；二次屏蔽層與微機或機柜共地。
3.6.2采用電源濾波器
　　電網中常有高頻干擾，在計算機電源的輸入側安裝電源濾波器，可以濾去交流電源輸人的高頻干擾和電源高次諧波。目前市面上有專賣的電源濾波器可以選用，它實質上是由R、L、C元器件組成。
安裝電源濾波器時需注意：①濾波器的輸入、輸出端引線必須分開走線；②濾波器安裝在機柜內，其接地線要用粗線與機箱(或機柜)的保護接地相連。
3.6.3采用不問斷電源UPS
通過UPS電源向微機系統供電，可有效地抑制電網低頻常態干擾。選用UPS電源時，要注意選用在線式，輸出為正弦波的，這樣，當供電電源突然掉電時，UPS可直接向微機供電，從而保證計算機的安全連續運行。
3.6.4采用氧化鋅壓敏電阻
氧化鋅壓敏電阻安裝在交流電源輸入端，其作用是吸收交流供電網絡的過電壓。電壓的選擇可由下式計算Ur=(2~2.5)Uac式中，Uac為交流電壓的有效值。通流容量是按過電壓能量來確定的。即：壓敏電阻通流容量>線路過電壓能量。
變電站抗電磁干擾設計的基本步驟
　　按照電磁干擾規律及建設工程程序，抗電磁干擾設計可分為五個步驟：①調查建筑附近及本工程建筑內已經存在及將要安裝使用的人為干擾源的數量與性能數據；②調查了解本工程建筑附近及建筑內安裝使用的電子、電氣設備數量與性能參數；③了解①及②項中設備及線（管）路之間可能存在的干擾傳播方式與途徑；④根據①～③項的調查了解資料，各專業協調配合，合理確定變電站的選址及內部配置方案，在此基礎上，結合設備及線（管）布置，進行屏蔽、濾波、接地及布線設計；⑤施工圖設計及施工、安裝、調試過程中，電氣專業與土建等各專業必須密切配合。抗電磁干擾設計效果如何，要根據竣工后的測試結果才能評定。實踐證明，在設計階段可供選擇的解決電磁干擾問題的技術手段較多而所需費用較少；待到設備制造完畢、安裝就緒或建筑工程落成投入使用后，才發現電磁干擾嚴重，屆時再來補救，則其難度與費用就會大大增加。
5結束語
　　隨著我國經濟的快速發展，國家對電網的投資在“十一五”期間將達到1.2萬億，因此電網改造及新建工程越來越多，電磁干擾問題也將越來越突出。由此可見，在工程設計階段進行抗電磁干擾設計乃是解決電磁干擾、防患于未然的必要舉措。

參考文獻：
　　1 高攸剛，電磁兼容總論，北京：北京郵電大學出版社，2001
　　2 蔡仁鋼，電磁兼容原理設計和預測技術，北京：北京航空天大學出版社，1997
　　3 吳忠智，工業與民用建筑電磁兼容設計，北京：中國建筑出版社，1993

收稿日期：2008年7月26日