综合自动化变电站工程电磁干扰与防护设计

综合自动化变电站工程电磁干扰与防护设计
牛建伟 张爱军 吴若玲 黑龙江省齐哈尔供电局
[摘 要] 随着综合自动化技术在变电站设计中的广泛应用，电磁兼容成为热点问题。本文详细讨论了电磁干扰源及电磁干扰的传输方式，提出了在综合自动化变电站设计中进行抗电磁干扰设计应采取的技术和措施。
[关键词] 变电站 电磁兼容 电磁干扰 屏蔽 滤波 接地

1引言
计算机监控系统、微机保护以及系统通信技术构成了变电站的综合自动化系统。该系统具有运行可靠、占地面积少、设计、运行、维护简单等突出优点。但大量电气、电子设备的广泛应用，形成了复杂的电磁环境。电磁干扰（Elec-tromagnetic Interference—EMI）和电磁敏感度（Electromagnetic Sensitivity—EMS）已成为综合自动化变电站设计过程中必须考虑的问题。如何使变电站内的电气设备既不受外来干扰影响，也不对所处环境和其他设备造成干扰，维持共存的电磁环境、相互兼容，均能正常工作，是变电站设计必须解决的课题。为了保证电气设备在复杂的电磁环境中能够正常工作，同时减少自身对环境产生的电磁污染，许多国家都颁布了电磁兼容性标准，国际电工委员会（IEC）设立的国际无线电干扰特委会（CISPR）于20世纪60年代制定了系列电子、电气设备的电磁干扰限制标准。80年代后，我国参照CISPR标准制定了若干相关国家标准。而今，抗电磁干扰和防护设计已成为变电站设计的重要内容。
2电磁干扰源与电磁干扰的传输方式
电磁干扰是人们早就发现的电磁现象。一些电器、电子设备工作时所产生的电磁波，容易对周围的其他电气、电子设备形成电磁干扰，引发故障或者影响信号的传输。另外，过度的电磁干扰会形成电磁污染，危害人们的身体健康，破坏生态平衡。
电磁污染的来源包括雷电（包括核爆等强电磁脉冲）、静电及所有电气的动作（包括正常及非正常的）过程。如卫星通信、飞机航行的智能化、通信无线塔、超高压输电线路、工厂自动化生产线、电气牵引馈电系统的谐波、大型医疗设备、物理仪器、家用仪器、电动工具、移动电话、遥控仪表、集成模块、印刷电路板等，凡有电磁现象存在的地方都有电磁干扰问题。绝缘物体的相对摩擦也会产生可怕的静电效应。例如，高速飞行器与大气的相对运动、合成材料的缠绕、流体（石油、天然气等）的高速传输、化纤织物与人体的摩擦等，由于静电积聚的隐蔽性和释放过程的突发性，造成的危害程度不亚于谐波和强电磁脉冲。电磁干扰源可分为自然干扰与人为干扰源。自然干扰源如雷电、宇宙辐射、太阳黑子的干扰等；人为干扰源如变配电设备、变频设备、架空输电线、无线电发射台，以及来自工业、科研、医疗射频设备产生的干扰等。变电站内的电磁干扰主要来自高压设备操作、低压交直流回路内电气设备的操作、雷电引起的浪涌电压、电气设备周围的静电场、电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所引起的瞬变过程等。这些电磁干扰进入变电站的综合自动化系统，就可能引起自动化系统工作不正常，甚至损坏某些部件或元器件。
研究电磁干扰的传输方式，对制定抗干扰的措施，消除或抑制干扰具有重要的意义。电磁干扰的传输方式大体分为空间传播的电磁辐射（Radiated）耦合方式与电路传输的传导（Conducted）方式。
电磁辐射干扰是指通过电磁源空间传播到敏感设备的干扰。例如，输电线路电晕产生的无线电干扰或电视干扰即属于辐射型干扰。电磁辐射干扰近场表现为静电感应与电磁感应导致的干扰，远场则为通过辐射电磁波造成的干扰。任一载流导体周围都产生感应电磁场并向外辐射一定强度的电磁波，相当于一段发射天线，处于电磁场中的任一导体则相当一段接收天线，会感生一定电势，导体的这种天线效应是导致电子、电气设备相互产生电磁辐射干扰的根本原因。高压架空输电线及变配电装置，由于开关或导线联接接触不良处的火花放电、金具或导线电晕放电或变压器漏磁等原因，可能产生0.15~30MHz的电磁辐射干扰。当离干扰源一定距离处的电子设备接收的干扰信号强度超过其防护率时，将无法正常工作。
传导干扰是经导线、金属管道、公共接地阻抗等导电路径传播的干扰。只要有连接便可能传导电磁干扰。干扰信号可通过电源回路、负载回路、信号回路及任何引入（出）建筑物的金属管线传入（出）电子、电气设备，使之受到干扰或干扰网络中的其他设备。工程实践表明，影响最大的是电源回路传导的干扰，其中最易导致电子设备故障停运或运行错乱的是脉宽小于1μs的干扰脉冲与瞬变噪声，以及持续时间大于10ns的持续噪声。产生干扰脉冲与瞬变噪声的主要原因有电力负载通断、电容器投入、熔断器熔断、继电器类感性负载切断、雷电等等，多为不规则的正、负脉冲或振荡脉冲，其尖峰电压可达0.1~10Kv，电流可达100A，以断开感性负载情况最严重。持续噪声主要有：持续欠电压与过电压、电压缺口（多为短路或过载时断路器动作引起的0.5s以上的停电）、大容量异步电机启动或雷电引起的扰动，等等。可见电磁干扰问题已成为变电站设计必须考虑解决的问题之一。
3综合自动化变电站工程电磁干扰的防护技术与措施
干扰源的能量通过各种途径以传导或辐射方式耦合至变电站的一次系统和二次回路，表现在电力线、信号线、控制回路和自动化系统上的干扰电压和干扰电流的水平或电场和磁场的水平。因此，电磁兼容是至关重要的问题。按规定的电磁兼容标准进行电磁兼容设计是预防出现电磁干扰的一个基本要求。但电磁环境是千变万化的，要真正达到经济上和技术上的电磁兼容，保证一、二次设备运行的可靠性，必须根据具体情况，灵活运用各种技术和措施。下面是作者根据实际运行情况，并吸收兄弟单位的经验，介绍几种常用的电磁兼容技术措施。
3.1屏蔽措施
3.1.1一次设备与自动化系统输入、输出的连接均采用屏蔽电缆，电缆的屏蔽层两端接地，对电场耦合和磁耦合都有显著的削弱作用。当屏蔽层一点接地时屏蔽层电压为零，可明显减少静电感应(电容耦合)电压；当两点接地时，干扰磁场在屏蔽层中感应电流，该电流产生的磁通与干扰磁通方向相反，互相抵消，因而显著降低磁场耦合感应电压。两端接地可将感应电压降到不接地时感应电压的1%以下；
3.1.2二次设备内，综合自动化系统中的测量和微机保护或自控装置所采用的各类中间互感器的一、二次绕组之间加设屏蔽层，这样可起电场屏蔽作用，防止高频干扰信号通过分布电容进入自动化系统的相应部件；