電力設備電磁兼容問題的研究報告

    電力系統中，在電網容量增大、輸電電壓增高的同時，以計算機和微處理器為基礎的繼電保護、電網控制、通信設備得到廣泛采用。因此，電力系統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備，通常安裝在變電站高壓設備的附近，該設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生的極強的電磁干擾。此外，由于現代的高壓開關常常與電子控制和保護設備集成于一體，因此，對這種強電與弱電設備組合的設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的隔離開關操作時，可以產生頻率高達數兆赫的快速暫態電壓，這種快速暫態過電壓不僅會危及變壓器等設備的絕緣，而且會通過接地網向外傳播，干擾變電站繼電保護、控制設備的正常工作。隨著電力系統自動化水平的提高，電磁兼容技術的重要性日益顯現出來。

　　一、前言

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

　　處于同一電力系統中的各種電氣設備通過電或磁的聯系彼此緊密相連，相互影響，由于運行方式的改變，故障，開關操作等引起的電磁振蕩會波及很多電氣設備，使這些電氣設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電磁兼容問題已經成為不容忽視的問題。

　　二、關于電磁兼容的幾個概念

　　1．電磁兼容環境(EME)

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

　　2．電磁兼容(EMC)

　　EMC指設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物構成電磁干擾。作為一門學科，EMC可以翻譯為“電磁兼容”。而作為一個設備或系統的電磁兼容能力，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，即設備或系統產生的電磁發射，不致影響其它設備或系統的功能；而本設備或系統的抗干擾能力，又足以使本設備或系統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、設備和系統性能降低或對有生命物質產生損害作用的電磁現象。它由干擾源、耦合通道和接受器3部分構成。根據干擾傳播的途徑，電磁干擾分為輻射干擾和傳導干擾。輻射干擾(RI)是通過空間并以電磁波的特性和規律傳播的，但不是任何裝置都能輻射電磁波的；傳導干擾(CI)是沿著導體傳播的干擾，即傳導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、設備或系統的抗干擾能力。敏感度電平(剛剛開始出現性能降低時的電平)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敏感度。目前電磁兼容(EMC)研究的熱點內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、電磁干擾的抑制技術、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標準與規范、電磁兼容性的測量與試驗技術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

　　電力設備的電磁兼容的形成，主要是由于各行各業電力設備的增加，周圍環境中無線通信設備、電動設備、高頻設備的大量使用，設備相互之間形成的電磁干擾不斷加劇導致的。根據電力設備的電磁兼容情況，行業人士知道設備之間相互干擾，即有的設備不僅自己容易受到各種干擾，而且還要干擾其它設備。其實許多設備都存在電磁兼容現象，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影響到電力設備的安全運行。當然，設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

　　諧波對一次設備的影響和危害主要表現在以下幾方面：增加設備的損耗，提高溫升，降低設備的出力和壽命；增加絕緣中的介質損耗和局部放電量，加速絕緣老化；增加電動機的振動和噪音。

　　諧波對二次設備的主要影響是干擾其正常的工作狀態，諸如測量的準確度，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的基波阻抗整定的，諧波的出現．特別是3次諧波會引起很大的測量誤差，嚴重時可能導致拒動或誤動。

　　2．一次回路中的開關操作

　　主要是電力網中斷路器、隔離開關等的操作，引起電容器組、空載變壓器、電抗器、電動機等產生過電壓，弓l起電磁干擾。
3．雷擊干擾

　　當雷電擊中電網中的變電站后，大電流將經接地點泄入地網，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而產生的。變電站或發電廠的綜合電力設備的數字集成電路裝置，很多是采用單片機系統來實現的。由于該系統中的印刷電路板(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，在進行開關操作時，線圈兩端將出現過電壓，它會感應出不利于二次設備正常工作的感應電壓和感應電流，對PCB上的器件造成干擾，從而干擾單片機系統的正常工作。

　　電磁干擾從干擾源傳遞到敏感設備有兩種方式，即傳導和輻射。傳導分為電導性耦合直接耦合、電容性耦臺電場耦合和電感性耦合。輻射主要為電磁耦合。通過磁場產生的干擾，由導體間的互感引起。當二次回路中電流發生突變時，交鏈到二次回路的磁通也隨之發生變化，進而感應出干擾電壓。一次回路暫態電流幅值越大，頻率越高，一次回路與二次回路間的磁聯系越強，則感性耦合造成的干擾就越大。電力系統的干擾主要是通過TA、CVT及傳輸電纜傳至低壓設備，其次是通過高頻輻射耦合，主要耦合形式為電導性和電感性耦合。

　　四、抑制電磁干擾的措施

　　在任何系統中，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生的干擾。屏蔽有兩個目的：a、限制設備內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備，干擾設備的正常工作。

　　a.電場屏蔽法

　　最簡單的措施是在感應源與受感器之間用金屬隔板接地，以抑制寄生電容耦合，實現電場屏蔽。對電場干擾較強的，則用高導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，針對不同磁場應采取不同措施。對低頻磁場可用高導磁材料做屏蔽體來實現磁場屏蔽，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衰減器等。

　　當要屏蔽的磁場很強時，屏蔽材料會發生飽和，一旦發生飽和，就將喪失屏蔽效能。遇到這種情況，可采用雙層屏蔽，第一層采用低導磁率材料，不易飽和；第二層采用高導磁率材料，但易飽和。第一層屏蔽先將磁場衰減到適當強度，使第二層屏蔽不會飽和，而使高導磁率材料能充分發揮屏蔽效果。