电力系统电磁兼容问题综述

收稿日期:2003206201作者简介:文　武(19662),男,湖北枣阳人,三峡大学电气信息学院讲师,硕士,主要从事电力系统电磁兼容及运行与控制等方面的研究.第18卷第3期2003年8月长沙电力学院学报(自然科学版)JOURNA L OF CH ANG SH A UNI VERSITY OF E LECTRIC POWER (NAT URA L SCIE NCE )V ol.18N o.3Aug.2003电力系统电磁兼容问题综述文　武1,贾　俊2,阮江军2(1.三峡大学电气信息学院,湖北宜昌　443002;2.武汉大学电气工程学院,湖北武汉　430072)摘　要:在介绍电磁兼容基本概念的基础上,系统分析了电力系统的干扰源、传播途径以及抑制干扰的措施,针对工程实际中出现的一些问题提出了相应的对策,最后指出了电力系统电磁兼容今后的研究方向和难点.关　键　词:电力系统;电磁兼容;电磁干扰源;耦合途径;抗干扰中图分类号:T M 7 文献标识码:B 文章编号:100627140(2003)0320042205Overvie w of E lectromagnetic Compatibility in E lectric Pow er SystemWE N Wu 1,J I A Jun 2,RUAN Jiang 2jun 2(1.C ollege of E lectric In formation ,Sanxia Univ.,Y ichang 443002,China ;2.C ollege of E lectric Engineering ,Wuhan Univ.,Wuhan 430072,China )Abstract :Based on the basic concept of electromagnetic com patibility ,the s ources of interference ,manners of transmission and rejection measures in electric power system are analyzed systematically ,and corresponding an 2tidotes are put forward aiming to s ome problems occuring in engineering practice.The future research direction and difficulty of electromagnetic com patibility in electric power system are pointed out.K ey w ords :electric power system ;electromagnetic com patibility ;electromagnetic interference s ources ;coupling way ;anti 2interference 随着电力系统自动化水平的不断提高,电子设备在电力系统中的应用更加广泛,电子设备使用的电子元件从电子管发展到晶体管、集成电路以及大规模和超大规模集成电路,其工作电压也在一级级地降低,由原来的几十伏降低到几伏,信号电压也变得更小,而运行速度却越来越快,这就使得电子设备对外界的干扰变得更加敏感,也就是说,导致其损坏或误动所需要的干扰信号的幅值和能量越来越低.变电站是电力系统中一次和二次设备最集中的场所,继电保护、控制装置等设备通过控制回路、测量回路、通信线以及电缆与一次设备相连,电磁耦合更加紧密,电磁兼容问题也显得更为突出.对控制保护设备及二次回路的干扰主要来自于一次回路、二次回路及设备本身.一方面,二次回路与一次回路的强电设备不可避免地存在各种各样的电磁联系.一次回路的开关操作、雷电以及短路故障和强电磁场都会对二次回路及其设备产生电磁干扰;另一方面,由于二次回路的各种电子设备集中在一起,这些电路的工作信号互为噪声源,使工作区域的电磁环境恶化,影响设备的正常工作.在国内外的一些电力系统中,由于开关操作、雷电和短路电流等原因引起继电保护、控制系统、励磁调节器和汽轮机调速器等的误动和失控事故时有发生.因此,在电力系统中开展电磁兼容方面的研究工作势在必行.1　电力系统的干扰源由于电力系统的一次回路和二次回路存在电磁联系,因此一次回路中发生的任何形式的暂态过程都可能通过不同的耦合途径进入二次设备,形成对二次设备的各种电磁干扰.概括起来,电力系统的干扰源有以下几种:①高压开关操作.主要包括隔离开关操作、断路器操作、投切电容器组以及投切空载变压器、电抗器、电动机等;②雷电.包括感应雷和直击雷,干扰的形式有雷击高压线、雷击接地构架和雷电辐射三种;③系统短路和地电位差.包括操作过电压、雷击高压线和污闪等产生的高频电流的接地和工频接地.工频接地电流入地会引起地电位升高和产生地电位差,对接地的设备产生干扰;高频接地电流则产生强磁场,影响二次回路和设备,是较大的外部噪声源;④二次回路操作.指低压电子设备的相互干扰,这些电子设备在工作时都会向外发射不同强度的电磁能量,因而相互之间会产生干扰;⑤其他干扰.如静电放电(ES D)、高频无线电干扰(对讲机、手机)、高频载波等.高压开关操作是电力系统最主要的干扰源,其次就是雷电和系统短路.此外,由大功率可控硅整流器、可控硅调速器、电力机车和家用电器等产生的电力系统谐波也是干扰源之一.在故障情况下可能引起距离保护和接地保护装置的误动;在非故障情况下,由于变压器空载合闸励磁涌流使CT铁芯饱和而引起二次电流波形畸变,可能使过电流超过整定值而产生误动作[1].2　电磁干扰的传播途径和耦合方式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.传导可分为电导性耦合、电容性耦合和电感性耦合[2].2.1　电导性耦合(直接耦合、共阻抗耦合)当两个不同电路的电流流过公共阻抗时,就会出现共阻抗耦合,其中一个电路的电流将在另一个电路产生干扰电压.在电力系统发生短路故障时,地网接地电阻将产生很高的电压降,地电位升高,这样便会使接在地网上的二次设备上出现很高的电位.接地电阻越大,电导性耦合干扰就越严重.此外,电容式电压互感器(C VT)在操作时会流过很大的暂态充电电流,此电流经大地返回,同时在接地电阻上产生很高的暂态过电压,当互感器的二次电缆接地时,暂态电压将侵入二次回路形成干扰.2.2　电容性耦合(容性耦合、电场耦合)导体之间存在着分布电容,干扰源产生的电压干扰信号会通过分布电容的作用在敏感设备上感应出干扰电压.干扰源电压越大,频率越高,一次回路与二次回路靠得越近,平行线段越长,容性耦合就越严重.2.3　电感性耦合(感性耦合、磁场耦合)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,设一、二次回路间的互感为M12,一次回路的电流为I1,则在二次回路中的感应电压为U n=M12d I1d t=jωM12I1.(1)由上式可见,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(互感M12越大),则感性耦合造成的干扰就越大.2.4　辐射耦合(电磁耦合)辐射耦合是指一次回路产生的电磁干扰辐射的干扰能量通过空间电磁波的形式传播到二次回路中,产生干扰.根据二次回路接地方式的不同可产生共模和差摸两种干扰.电力系统的干扰主要是通过CT、C VT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[3].干扰源对二次回路的耦合途径是相当复杂的,通常情况下都是多种干扰源与多种耦合途径共同存在.3　电磁干扰的抑制措施干扰源、传播途径和敏感设备是干扰形成的三34第18卷第3期文　武等:电力系统电磁兼容问题综述要素,所以要实现电磁兼容,需要从控制干扰源、减小干扰源与敏感设备的耦合和提高敏感设备的抗干扰能力三个方面综合考虑.但在实际的电力系统中,电磁环境已经确定,所以主要应从考虑切断干扰耦合途径和提高设备抗扰度两方面实现电磁兼容.电力系统常用的抑制干扰措施主要有屏蔽、接地、滤波、隔离和限幅等几种.3.1　屏蔽屏蔽技术用于抑制辐射电磁场干扰,将需要屏蔽的区域用一个屏蔽体包围起来,使经过屏蔽体的电磁场被反射和吸收而衰减.屏蔽按起作用机理可以分为三类:电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽.电场屏蔽主要用于消除容性耦合;磁场屏蔽主要用于抑制感性耦合;电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响,但对于低频磁场的干扰其屏蔽效果是非常小的,如果屏蔽接地,则还可以起到静电屏蔽的作用.1)　二次回路低压电子设备的屏蔽.电力系统的大多数电压电子设备布置在一般的箱体中,这些箱体能提供一定程度的屏蔽,但由于电缆的接入会使箱体变得不连续,阻断了涡流的通路,屏蔽效果便因此降低,因此要尽量避免或减小屏蔽体的开缝.当有开缝存在时,为取得良好的屏蔽效果,应采用一些必要的防护措施.如尽量使箱体上开口的最长尺寸小于辐射电磁波波长的1/20;当电缆进入箱体时,屏蔽应采用低于截止频率的波导管来实现;将导电的通筒连接到箱体的内侧;在开缝处用螺丝接合件、接地衬垫或导电圈使整个开缝长度有可靠的电接触.2)　电缆的屏蔽.采用屏蔽电缆对削弱静电耦合和电磁耦合都有明显的效果.为增强屏蔽效果,屏蔽电缆在敷设时应尽可能不要靠近高压母线平行布置,并远离可能产生入地网的高频暂态电流设备,如避雷器、电容式电压互感器和耦合电容器等.同一电缆沟中的电缆要分类布置,不同类型的电缆要保持一定的距离,交、直流回路以及电平不同的回路不能共用一根电缆,且应尽量避免平行走线.二次电缆的走线应尽可能成辐射状,同一回路的电缆芯应该安排在一根电缆内,避免出现环路,有条件时信号传输线可采用对绞线.CT、PT回路的两根二次引线应布置在相同电缆内并各自单独走线,不和其它回路共用一根电缆,控制信号回路、通信及动力回路也应如此.有必要时,也可在电缆沟内沿电缆走向的上方敷设与电缆平行的导线并在两端可靠接地,这样可以起到一定的磁屏蔽和静电屏蔽作用.3.2　接地电力系统的接地可以分为安全接地和工作接地两种,这里将重点介绍后者.1)　安全接地.它为设备的安全接地和防雷安全接地.设备的安全接地是将高压电气及电子设备的外壳、底座等接地,以防高压直接接触外壳或漏电打火使机壳带电而使人触电和发生静电放电.防雷安全接地的目的是把雷电引入大地,从而保护设备和人身安全,使之免遭雷击,同时要求在消除雷击的同时不要影响其它接地系统.2)　工作接地(信号接地).它是将电路及设备的各部分都连接到一个共同的等电位点或等电位面,以便有一个共同的参考电位,使各部分电路执行其正常功能.工作接地可分为浮地、单点接地、多点接地和混合接地四种.①浮地:如图1所示,将电路或设备的信号接地系统与公共地或大地隔离开来,近似于起到隔离变压器的作用,可使公共地中存在的干扰电流不致耦合到信号电路中,如图1所示.它的缺点是由于设备不与大地直接相连,容易产生静电积累现象,甚至引起静电放电和静电击穿,形成危害.除了为防止公共地或附近导体有大干扰电流流动影响信号传输外,一般不采用浮地的接地方式.图1　浮点接地②单点接地:整个系统中只有一个物理点被定义为接地参考点,其它各个需要接地的点都直接接到这一点上.可分为串联单点接地和并联单点接地两种,如图2、3所示,对于较大的系统应用串联单点接地方式,但是此接地方式的缺点是存在共阻抗耦合,单点接地方式只适用于低频(1MH z以下).在高频时,地线间的互感较大,增加了电感耦合,引起电44长沙电力学院学报(自然科学版) 2003年8月磁干扰,所以高频时应采用多点接地方式.图2　并联单点接地图3　串点单点接地③多点接地:系统或设备的各个接地点都直接接到距它最近的平面上.接地平面可以是设备的底板,也可以是贯通整个系统的接地母线.用于抑制频率在10MH z 以上的干扰信号,如图4所示.图4　多点接地④混合接地:在有些设备中,既有高频部分又有低频部分,这时应对低频电路采用单点接地,高频电路采用多点接地.这种接地体系称为混合接地系统.用于抑制频率在1～10MH z 的干扰信号,实用中这种接地方式更为普遍.在实际的电力系统中,典型的由接地问题而导致的事故有[3]:①PT 中性线回路存在两个接地点,当发生区外接地故障时,由于地电位差的影响,造成PT 二次电压的相位和幅值发生改变,零序方向元件判别错误,导致保护误动.②CT 二次回路两点接地,接地故障时工频地电位差在中性线上产生电流,造成流过保护装置的3I 0电流不真实,保护误动.③高频保护中高频电缆屏蔽层在收信机侧没有接地,当输电线路发生接地故障时,产生强干扰信号,使收信机信号中断,高频保护误动.按原电力部颁《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》,PT 、CT 二次回路都应有且只有一个接地点,并在控制室侧可靠接地.屏蔽电缆的芯线在低频时应一点接地,高频时应两点或多点接地,屏蔽层两端应可靠接地,以实现良好的静电屏蔽和磁屏蔽作用.为防止地网中较大的地电位差在两端接地的屏蔽层中引起环流而影响信号传输,可选用双层屏蔽电缆,内屏蔽一端接地,外屏蔽两端接地.3.3　滤波滤波是抑制传导干扰的重要手段,它的功能是由电容和电感在不同频率下呈现出不同的阻抗而实现的.由于电力系统的接地线被很多的设备所共用,任何外部电源产生的干扰电流都可以通过传导耦合进入控制电路,所以对于灵敏的接地导体应配置合适的RF 扼流圈.铁氧体磁珠等吸收装置则可用于外部共模干扰引起的外部场去耦.常用的滤波器件还有旁路电容等.3.4　隔离隔离就是隔断相互干扰的线路,以切断或削弱它们之间的电磁耦合.例如当两个相互连接的设备的地电位相差较大时,应该在中间连线上接入隔离器,常见的隔离方法有光电隔离和变压器隔离.1)　光电隔离.光电隔离是将发光二极管和光敏三极管封装在一个壳内组成光电耦合器,发光二极管两端为信号输入端,光敏三极管的集电极和发射极作为输出端,信号传输由发光二极管在信号电压的控制下发光,传递给光敏三极管完成.由于是靠光传输信号,切断了电路地线间的联系,从而有效地抑制了干扰.但由于输入端和输出端存在杂散电容,光电隔离在高频时抑制干扰的能力将迅速下降.2)　变压器隔离.隔离变压器利用电磁耦合将信号从原边传至副边,将不同的电路隔离开来,使共模电压不能形成回54第18卷第3期文　武等:电力系统电磁兼容问题综述路,从而有效地抑制了共模干扰,如果隔离变压器带多重屏蔽并可靠接地,效果会更好.在一些场合还能防止发生反击.隔离变压器只用于交流电路.[4]3.5　限幅限幅的作用是限制瞬态过电压的峰值在某一安全值以下,使被保护设备不会因为过电压而损坏.常用的限幅器件主要有压敏电阻、硅雪崩二极管和放电管等.4　电力系统二次设备的电磁兼容性试验电磁兼容性试验是电磁兼容工作的一个重要环节.对二次设备进行电磁兼容性试验是考核、改进和提高其电磁兼容性能的有效方法,包括电磁敏感性(抗扰性)试验和电磁发射测试两个方面.试验的目的是:①检验受试设备的抗干扰水平;②检验受试设备的干扰发射值,它必须小于规定的限值;③检验受试设备的各种抗干扰措施和抑制发射措施的有效性.主要试验项目有:阻尼振荡试验、浪涌试验、谐波试验、间谐波试验、快速瞬变试验、静电放电试验、工频磁场试验和辐射电磁场试验等[5].5　电力系统电磁兼容的研究方向和难点国内外对电力系统电磁兼容的研究工作已取得相当大的进展,也得出了一些对实际工程具有指导意义的结论.但有一些问题仍困扰着各国学者,至今尚未得出令人信服的结论.如雷击建筑物和接地构架时电流的分布情况,CT、PT在电磁暂态过程中精确的数学模型以及用于感应干扰计算的数学模型等,这些都有待进一步深入地研究.模型的建立是仿真计算的基础,但也是难点之一,今后要做的工作主要有:1)　电磁干扰源量化分析.对各种干扰源在现场环境下产生的电磁场的强度、频谱特征、干扰电平等进行数值仿真计算.2)　电磁干扰途径场路耦合建模分析.3)　二次系统及其设备的抗干扰能力测试评估.求得干扰源及干扰路径后,计算在路径负载端的干扰量,这要具体考虑负载阻抗和设备机壳屏蔽的具体影响.计算结果是评估二次系统及其设备的干扰敏感度的重要参考依据.借助于计算机进行数值仿真计算并发展电磁兼容预测理论会对整个工作起到事半功倍的效果,但这也是主要的技术难点.因为对各种干扰源、干扰途径分析及敏感度计算等工作涉及到电磁波基本理论、计算数学和计算机软件的灵活应用等学科,还将涉及到屏蔽、接地、滤波、耦合、瞬态抑制等多方面技术,这些都要求进行综合性的而不是孤立的分析计算;而且与简单的模型不同,实际的工程问题比较复杂,解析方法的使用会受到较大的限制,有必要应用有限元、边界元、FDT D等数值计算方法,并借助于软件应用和开发,特别是并行计算技术.参考文献:[1]屠幼萍,何金良,曾嵘.发变电站电磁干扰源对二次系统的传播途径[J].电力建设,2000,(10):16218.[2]杨吟梅.变电站内电磁兼容问题[J].电网技术,1997,21(2):67274.[3]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护典型故障分析[M].北京:中国电力出版社,2000.[4]何金良,曾嵘,屠幼萍.控制发变电站二次系统电磁干扰水平的措施[J].电力建设,2000,(3):10213.[5]姚刚,贺家李,王钢,等.电力系统自动化设备的电磁兼容技术[J].电力系统及其自动化,2000,12(4):53257.[6]韩天行,李秦.继电保护及设备的电磁兼容技术和电磁干扰的抑制方法[J].继电器,2000,28(11):73276.[7]何金良,曾嵘,屠幼萍.作用在发变电站仪器及控制系统上的主要干扰源[J].电力建设,2000,(1):327.[8]王淑凤,卢铁兵,崔翔.电力系统电磁兼容分析方法及数学模型综述[J].电力情报,1998,(4):125.[9]林福昌,姚宗干,蒋政龙.变电所强电设备与弱电线路的电磁兼容问题[J].中国电力,1996,29(1):37240.[10]贺景亮.电力系统电磁兼容[M].北京:水利电力出版社,1993.64长沙电力学院学报(自然科学版) 2003年8月。