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；

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3.1.3相箱或机柜的输入端子上对地接一耐高压的小电容，可抑制外部高频干扰。由于干扰都是通过端子串入的，当高频干扰到达端子时，通过电容对地短路，避免了高频干扰进入自动化系统内部；
3.1.4变电站综合自动化系统的机柜和机箱所采用的铁质材料，本身也是一种屏蔽。
3.2减少强电回路的感应耦合
为了减少变电站综合自动化系统以外由一次设备带来的感应耦合，可采用以下方法：
3.2.1控制电缆尽可能离开高压母线和暂态电流的入地点，并尽可能减少平行长度。高压母线往往是强烈的干扰源，因此，增加控制电缆和高压母线间的距离，是减少电磁耦合的有效措施。避雷器和避雷针的接地点、电容式电压互感器、耦合电容器等是高频暂态电流的人地点。控制电缆要尽可能离开它们，以便减少感应耦合；
3.2.2电流互感器回路的A、B、C相线和中性线应在同一根电缆内，避免出现环路；
3.2.3电流和电压互感器的二次交流回路电缆，从高压设备引出至监控和保护安装处时，应尽量靠近接地体，减少进入这些回路的高频瞬变漏磁通。
3.3接地和减少共阻抗耦合
接地是变电站一、二次设备电磁兼容的重要措施之一，也是变电站综合自动化系统抑制干扰的主要方法。在变电站设计和施工时过程中，如果能把接地和屏蔽很好地结合起来，则可以解决大部分干扰问题。
3.3.1综合自动化系统的地线种类
在变电站综合自动化系统中，大致有如下5种接地线：
1)微机电源地线和数字地线(即逻辑地)，这种地是微机直流电源和逻辑开关网络和零电位；
2)模拟地线，这是A/D转换器和前置放大器或比较器的零电位；
3)信号地线，通常为传感器的接地线；
4)噪声地线，继电器、电动机等噪声接地线；
5)屏蔽地线，即壳接地。
3.3.2微机电源接地(0V)和数字接地的处理
电磁干扰可能进入综合自动化系统弱电部分的主要途径是通过微机电源。因为电源与干扰源的联系比较紧密，同时电源线直接连接至各部分，包括CPU部分，因此来自电源的干扰很容易引起死机。对于处理微机电源的地线问题，一般采用浮地和共地、一点共地和多点共地等几种接线方式：
1)微机电源采用浮地的方法。微机电源地和数字地采用浮动地方法是指微机电源的零线不与机壳相连。这种方法必须尽量减少电源线同机壳之间的分布电容；
2)微机电源地与机壳共地。电源地与机壳共地存在的主要问题是：电源零线与机壳接地线间总有一定的阻抗，很难避免浪涌电流流过电源线对微机系统造成干扰的情况，而且这种干扰容易造成微机系统工作紊乱，甚至死机；
3)一点接地和多点接地的问题。对微机电源地或数字地的接地方式，一般认为：高频电路(10MHz以上)宜采用多点接地；而低频电路(1MHz以下)常采用一点接地。因为在低频电路中，布线和元件的电感并不是什么大的问题，但是接地电路若形成环路，则对干扰影响大，采用一点接地，对避免地线形成环流有利，变电站综合自动化系统属低频系统，应尽量采用一点接地.
3.3.3数字地和模拟地的处理
由于A/D转换器的数字地通常和电源地是共地连接，实践证明：数字地上电平的跳跃会造成很大的尖峰干扰，会影响A/D转换器的模拟地电子的波动，影响转换结果的精度。为了解决此问题，对数字地和模拟地间的关系有如下处理方式：
1)数字地和模拟地共地.
2)模拟地浮空的接线方式。其特点是将模拟地和信号地连在一起然后浮空，不与数字地连在一起；
3)模拟地和数字地通过一对反相二极管相连接，这种接线方式使模拟地和数字地有所隔离，而又保证了模拟地对数字地的电位漂移被二极管所箝制，其连接方法如图3所示，这种连接方式对保证A/D转换精度比插件较为有利。
以上介绍了三种模拟地的处理方法，至于采用哪一种方式最佳，要结合系统的实际情况，通过反复调试、试验最终确定。
3.3.4噪声地的处理
对于继电器或电动机等回路的噪声地采用独立接地的方式，不要与模拟地和数字地合接在一起。
以上介绍了变电站综合自动化系统的几种接地方式，在实际应用中，并不是简单地采用某一种接地方式即可消除电磁干扰，而往往是根据地线的分流的原则，综合运用上述几种接地方式。地线分流的原则是：强、弱信号分开；信号、噪声分开；连线则是模、数分开。
3.4隔离措施
采取良好的隔离和接地措施，可以减小干扰传导侵入。在变电站综合自动化系统中行之有效的隔离措施有以下几种。
3.4.1模拟量的隔离
变电站的监控系统、微机保护装置以及其他自动装置所采集的模拟量，大多数都来自一次系统的电压互感器和电流互感器，它们均处于强电回路中，不能直接输入至自动化系统，必须经过设置在自动化系统各种交流输入回路中的隔离变压器(常称小电压互感器TV和小电流互感器TA)隔离，这些隔离变压器一、二次之间必须有屏蔽层，而且屏蔽层必须可靠接地，才能起到比较好的屏蔽效果。
3.4.2开关量输入、输出的隔离
变电站综合自动化系统开关量的输入，主要是断路器、隔离开关的辅助触点和主变压器分头位置等。开关量的输出，大多数也是对断路器、隔离开关和主变压器分接开关的控制。这些断路器和隔离开关都处于强电回路中，如果与自动化系统直接相连，必然会引入较强的电磁干扰。因此，要通过光电耦合器隔离或继电器触点隔离，这样会取得比较好的效果。
3.4.3其他隔离措施
二次回路布线时，应考虑隔离，减少互感耦合，避免干扰由互感耦合侵入。
1)强、弱信号电缆的隔离，强、弱信号不应使用同一根电缆；信号电缆应尽可能避开电力电缆；尽量增大与电力电缆的距离，并尽量减少其平行长度；
2)二次设备配线时，应注意避免各回路的相互感应；
3)印刷电路板上的布线要注意避免互相感应。
3.5滤波
滤波是抑制自动化系统模拟量输入通道传导干扰的主要手段之一。模拟量输入通道受到的干扰(也称常态干扰)和共模干扰(也称共态干扰)两种。对于串人信号回路的差模干扰，采用滤波的方法可以有效地滤波。因此，各模拟量输入回路都需要先经过一个滤波器，以防止频率混迭。滤波器能很好地吸收差模浪涌。
如果差模干扰信号Unm的频率比被测信号Us的频率高，则采用低通滤波器来抑制高频差模干扰；若Unm的频率比Us的频率低，则采用高通滤波器；若干扰信号Unm的频率落在Us频率的两侧，则采用带通滤波器。
3.6计算机供电电源的抗干扰措施
变电站综合自动化系统中，微机电源的供电系统大致分两类：①大多数微机保护子系统或自动装置等均采用直流220V供电，其电源取自站内直流屏；②大多数综合自动化系统的监控机或管理机或其他用途的微机系统，其供电电源常采用交流220V，一般取自站用变压器，这种情况下，电网的冲击，电压和频率的波动都将直接影响到微机系统运行的可靠性和稳定性，甚至由于电网的冲击，会造成死机，而电源线是计算机的重要干扰途径。因此，对计算机交流供电系统采取必要的抗干扰措施是至关重要的，下述重点介绍交流供电系统的抗干扰措施。
3.6.1采用隔离变压器隔离
在微机电源的输入侧，安装隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向计算机供电，这是很有效的抗干扰措施。隔离变压器的变比可取1：l，在一次和二次，采用双屏蔽技术，一次屏蔽层(用漆包线或铜线等非导磁材料绕一层，但电气上不能短路)接中线，以隔离来自电网或站用变的干扰；二次屏蔽层与微机或机柜共地。
3.6.2采用电源滤波器
电网中常有高频干扰，在计算机电源的输入侧安装电源滤波器，可以滤去交流电源输人的高频干扰和电源高次谐波。目前市面上有专卖的电源滤波器可以选用，它实质上是由R、L、C元器件组成。
安装电源滤波器时需注意：①滤波器的输入、输出端引线必须分开走线；②滤波器安装在机柜内，其接地线要用粗线与机箱(或机柜)的保护接地相连。

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3.6.3采用不问断电源UPS
通过UPS电源向微机系统供电，可有效地抑制电网低频常态干扰。选用UPS电源时，要注意选用在线式，输出为正弦波的，这样，当供电电源突然掉电时，UPS可直接向微机供电，从而保证计算机的安全连续运行。
3.6.4采用氧化锌压敏电阻
氧化锌压敏电阻安装在交流电源输入端，其作用是吸收交流供电网络的过电压。电压的选择可由下式计算Ur=(2~2.5)Uac式中，Uac为交流电压的有效值。通流容量是按过电压能量来确定的。即：压敏电阻通流容量>线路过电压能量。
变电站抗电磁干扰设计的基本步骤
按照电磁干扰规律及建设工程程序，抗电磁干扰设计可分为五个步骤：①调查建筑附近及本工程建筑内已经存在及将要安装使用的人为干扰源的数量与性能数据；②调查了解本工程建筑附近及建筑内安装使用的电子、电气设备数量与性能参数；③了解①及②项中设备及线（管）路之间可能存在的干扰传播方式与途径；④根据①～③项的调查了解资料，各专业协调配合，合理确定变电站的选址及内部配置方案，在此基础上，结合设备及线（管）布置，进行屏蔽、滤波、接地及布线设计；⑤施工图设计及施工、安装、调试过程中，电气专业与土建等各专业必须密切配合。抗电磁干扰设计效果如何，要根据竣工后的测试结果才能评定。实践证明，在设计阶段可供选择的解决电磁干扰问题的技术手段较多而所需费用较少；待到设备制造完毕、安装就绪或建筑工程落成投入使用后，才发现电磁干扰严重，届时再来补救，则其难度与费用就会大大增加。
5结束语
随着我国经济的快速发展，国家对电网的投资在“十一五”期间将达到1.2万亿，因此电网改造及新建工程越来越多，电磁干扰问题也将越来越突出。由此可见，在工程设计阶段进行抗电磁干扰设计乃是解决电磁干扰、防患于未然的必要举措。

参考文献
1 高攸刚，电磁兼容总论，北京：北京邮电大学出版社，2001
2 蔡仁钢，电磁兼容原理设计和预测技术，北京：北京航空天大学出版社，1997
3 吴忠智，工业与民用建筑电磁兼容设计，北京：中国建筑出版社，1993

综合自动化变电站工程电磁干扰与防护设计
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