控制发变电站二次系统电磁干扰水平的措施

1、应用研究控制发变电站二次系统电磁干扰水平的措施Measures to C ontrol Electromagnetic Interference Levels ofSecondary Systems in P ower Plants and Substations何金良曾嵘(清华大学, 北京市,100084 (, 摘要需要采用综合防护措施。提高一次系统和二次设、隔断干扰的传播途径、对二。减小干扰技术应基于所遇到的干扰的类型进行优化。关键词电磁干扰综合防护电磁干扰等通过各种途径在发变电站产生的暂态干扰会通过各种耦合方式在二次系统内产生相应的干扰电压。二次系统中的设备属于弱电设备, 特别是对电子和

2、微电子装置, 其耐压水平和抗干扰能力都比较弱, 如不采取措施, 可能会影响电力系统的安全可靠运行。发变电站二次系统的电磁干扰防护是一项系统工程, 需要采用屏蔽、接地、隔离、保护等综合防护措施1。提高一次系统和二次设备之间的电磁兼容性, 即减小二次系统设备的干扰电压需要采取以下措施:(1 削弱干扰源产生的电磁干扰的幅值及出现的概率;(2 隔断干扰的传播途径;(3 对二次电缆采取完善的抗干扰措施; (4 提高二次设备的抗干扰能力。1抑制二次系统电磁干扰的基本措施1. 1抑制二次系统设备的入口处引入的干扰采用隔离变压器可以将出现的干扰电压经隔离变压器的屏蔽层及杂散电容而接地短路, 有效地抑制共模干扰

3、。或采用光电耦合元件也能将干扰隔离。另外采用滤波电路及非线性电阻组成的浪涌吸收装置, 能有效地抑制共模和差模干扰。1. 2抑制终端设备引入的干扰对于抗干扰能力较弱的二次设备应进行有效的屏蔽保护, 将设备放在屏蔽箱内或放入屏蔽室内。另外应采取合适的接地技术。1. 3抑制传输电缆引入的干扰二次电缆引入的干扰是二次系统中的最主要的干扰来源。现在二次电缆一般都采用屏蔽电缆, 已经将二次电缆引入的干扰降低了许多。降低二次电缆引入的干扰的方法还有:(1 将二次电缆远离干扰源;(2 采用屏蔽性能更好的屏蔽电缆或采用多层屏蔽电缆;(3 针对干扰电压及电缆传输信号的不同, 二次电缆屏蔽层采用不同的接地方式;(4

4、 在相当严重的干扰地区可以采用光缆。2抑制干扰源2. 1抑制螺线管继电器线圈产生的干扰与磁线圈并联一个二极管是抑制直流电路中暂态的最简单的方法, 它能防止通过线圈的电压超过电源供给的电压。应选择合适的具有高的反向过电压和高的正向过电流特性的二极管。与二极管串联一个等于螺线管电阻值的电阻能显著减小断开时延和消除二极管故障时出现的短路, 如图1所示。另外也可以采用暂态吸收器件和金属氧化物非线性电阻。采取这些措施后, 如果仍可能出现一些高频脉冲, 螺线管应采用R -C 滤波。如果是由于螺线管的引线过长引起触头火花放电, 可以在触发触头处采用二次滤波。可以布置通过继电器触头的收稿日期:1999-10-

5、1501电力建设2000年第3期 图1二极管和串联电阻组成的暂态抑制电路背靠背的二极管, 这种措施不仅能抑制干扰, 也能防止触头的损坏。2. 2可控硅整流器、频。发射。2. 3输入信号干扰的抑制在电子电路板上布置合适的滤波电路是经常采用的方法, 它能使电子电路具有本征的暂态抵抗能力。如果这种方法不合适, 则应采用外部滤波。R -C 滤波、齐纳二极管以及非线性电阻可以推荐用于螺线管电路, 但必须使引线长度最短。3控制电缆的定位和隔离3. 1控制电缆路线控制电缆布置是影响冲击电压水平的一个重要因素。将控制电缆的干扰控制在最小水平的技术包括:(1 提供控制电缆辐射状的路径。防止设备间由于电缆的返回导

6、体而构成回路。所有电源和返回导体应包括在一个公共电缆中, 以避免由于大的磁通回路而引起大的电磁感应。即CT 的2根二次引线应布置在相同电缆中, 正负直流引线也应布置在相同电缆,PT 二次引线的三相和中性线同样应布置在相同电缆。如果电源和返回信号线是分离线, 则它们应尽可能在相同的导线路径上靠近布置, 以使回路最小, 减小感应干扰的可能性。如果可能, 将2根线扭在一起能进一步减小感应干扰。(2 将控制电缆与汇流排和电源线成直角布置, 以使耦合的电缆长度最短, 因为电源线存在初始的暂态电流。如果这不可能做到, 与并联母线分开的距离应尽可能大。(3 控制室布置在中间, 以使控制电缆最短。(4 控制线

7、和电源线间的距离尽可能大。二者应靠近导电的箱体或参考接地板装置。(5 布置电缆时应避免偶然构成的回路。3. 2几何位置分开工作在不同电压(有时是不同能量水平 的电路应在几何位置上分开布置。例如, 低能量的逻辑信号应不与高能量控制信号布置在相同的电缆中。与这种情况相似, 直流电池和交流控制电源电路也不应布置在相同电缆, 同的电缆中。地, 2, 在大多数应用场合, 要300450mm 的范围。这个间距对于减小发变电站长电缆间的干扰具有很好的效果。4二次系统的屏蔽4. 1屏蔽效应屏蔽用于保护系统、电路或元件免受外部电磁干扰。对于不同的干扰源频率, 应采用不同的屏蔽方法。对于电缆, 可以采用金属管道、

8、铜编制带、铜带或铝聚酯薄膜。对于元件, 可以采用导电的外壳。对于直流或低频电场, 静电屏蔽可以通过将灵敏元件布置在高导电性的材料中来实现, 一般将高导电性的材料接地, 它能维持等电位。对于直流或低频磁场的屏蔽, 屏蔽材料应将外部干扰磁通从被屏蔽空间转移, 材料应具有低磁阻。磁阻与屏蔽的导磁率和截面积成反比。因此磁屏蔽应具有高的导磁率和大的截面积。由于磁性材料的导磁率不是常数, 取决于屏蔽材料的磁通密度, 因此屏蔽的有效性决定于材料的磁通密度。如果磁通密度太高, 将导致磁屏蔽饱和, 则屏蔽无效。有效的磁场屏蔽很难同时具有很好的静电屏蔽, 二者是相互矛盾的。当高频电磁场出现在导电屏蔽上时, 部分电

9、磁波被屏蔽材料反射。没有反射的部分将穿透通过屏蔽材料。但通过屏蔽材料时, 一部分电磁波将衰减。因此施加在被屏蔽电路、元件或系统上的电磁场将大大地低于实际的外部电磁场。屏蔽层衰减电磁场的效果与材料的屏蔽效应有关。测量屏蔽效应的标准单位是dB 。屏蔽效应低于20dB 时, 只能起到一定的减小电磁场的作用;2080dB 时, 能将电磁场衰减到正常接收范围; 在80120dB 时, 大于平均屏蔽效果。通常高于120dB 的屏蔽效应很难达到。屏蔽引起的场的损耗是屏蔽材料的导磁率、导112000年第3期电力建设电率和厚度、干扰的频率、E MI 与屏蔽的距离的函数,5060H z 时, 任何厚度的非磁材料都

10、不具有屏蔽电磁场的作用。4. 2电子设备的屏蔽当导线没有连接到电路接地参考点上的金属屏蔽时, 静电耦合是相当严重的。感应电压的幅值取决于干扰源导体和信号电路导体间的距离。电场耦合随频率和间距的增加而增加, 当被屏蔽电路具有高阻抗时, 以静电耦合为主, 静电耦合大于磁场耦合。, 。任何, 并提供电磁场耦合进出箱体的可能性。耦合效应取决于孔和缝相对于干扰波长的尺寸。任何外壳的开口能提供某些频率下的高效率的耦合通道。随着开口尺寸的增加, 耦合效应也增加。开口大于l /20时(l 为波长 , 电磁能量可以自由通过小孔, 没有任何衰减。因此应避免尺寸大于l /20的开口。由于大多数E MI 耦合问题具有

11、很宽的频带, 波长应取最高干扰频率对应的值。当一个箱体存在开口时, 应采取如下保护措施来降低耦合危害:(1 保证箱体上开口的最长尺寸小于l /20, 大于l /20的开口应采取附加防护措施。(2 当电缆穿入箱体时, 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, 如图2所示。由于波导管的截止频率f c 是2倍波导管最大宽度W 的函数, 即f c =g (2W , 因此导电通筒的长度至少应是电缆穿孔宽度的4倍, 即T /W 4。(3 密封在塑料或其他非导电箱体中的电子系统应采用导电箱体来提供屏蔽。最常用的方法是在箱体内侧喷涂上一层含有导电金属离子的涂层。(4 用于仪表或显示

12、器的开口, 应采用特殊制作的屏蔽窗以保持相同导电屏障的连续性。比较典型的方法是在窗口上施加一层透光的导电层, 或在窗口内部布置精细编制的网屏蔽。(5 箱体开缝的处理:所有导电的栅网表面应没有涂层、阳极化处理、氧化物、油脂等; 开缝的2个表面应重叠; 在长度不超过l /20的间缝, 沿整个开缝长度应有可靠的电接触, 可采用通过开缝的螺丝接合件、接地垫、接触条或导电垫圈来实现 。图2电缆的屏蔽对于大多数多芯电缆, 只能采用一个总屏蔽或单根的屏蔽导体对中的一种,2个措施同时采用时,单位长度的电容将明显增加。例如, 数字信号一般只使用一个总屏蔽。如果连接信号导体的磁通也连接电缆屏蔽, 则能达到理想的屏

13、蔽导体的作用。屏蔽效果是外部磁场在屏蔽中建立的涡流的结果。不管是否屏蔽接地, 涡流产生的磁场与干扰磁场相反而抵消。电缆屏蔽可以看作连接控制电路箱体的屏障元件, 分为金属管道、铜编织带、铜带或铝聚酯薄膜等形式。因为电缆屏蔽是防止内部电路免受外部干扰的屏障的一部分, 因此电缆屏蔽与箱体的连接应具有连续性。屏蔽是否接地, 都应该闭合使内部电路免受外部宽带干扰, 如图3所示。通常为了减小通过电容形成接地回路的可能性, 单根的屏蔽导体或导体对应将其屏蔽在最大电容点接地, 最大电容点一般是信号源处 。图3闭合EMI 屏障的实际结构图5接地这里只讨论与屏蔽有关的接地问题。合适的接地技术有助于消除内部和外部的

14、干扰。一般来说, 交流接地导体不应穿透设备外壳。当交流接地导体穿透设备外壳时, 将作为E MI 的通道有效传播E MI , 使箱体的屏蔽效果为0dB , 屏蔽失效。不管是否接地, E MI 屏障的重要特征是闭合。不合适的接地不仅不能解决问题, 而且还将引起更21电力建设2000年第3期多的E MI 控制问题。电缆屏蔽作为这方面的一个主要例子, 由于接地电缆屏蔽的意图将导致破坏这个E MI 屏障。6滤波滤波器的范围很广, 从简单的电容、铁氧体磁珠到复杂的带通滤波。滤波器的布置主要决定于需要被滤除的干扰的特征。由于不同的滤波器布置将影响信号参数, 如数字和逻辑信号的脉冲上升时间和波形, 当采用滤波

15、时, 应考虑正反两方面的影响。滤应考虑下列要求:(1 保证设备内未滤波的电源线部分尽可能短, 滤波应优化布置在箱体隔板上, 以防止高频时输入和输出的寄生电容耦合;(2 避免由于滤波引线靠近输入的未滤波引线引起的已滤波和未滤波引线间的再耦合;(3 避免电源引线和信号逻辑电缆间的耦合。干扰源与设备接地有关。由于接地线被很多设备共用, 任何外部源产生的干扰电流都能通过传导耦合而进入控制电路。对于灵敏设备应采用分开的设备接地导体, 或接地导体采用合适的RF 扼流圈。如铁氧体磁珠等吸收装置可用于由于外部共模干扰引起的外部场的去耦。很多高频暂态可以在电路进入处采用0. 1F 的电容将每个控制导体旁路到信号

16、地, 以阻止其进入控制室。为了使这种方式有效, 应使旁路电容的引线尽可能短。如果这种方法导致信号线传输信号的时延, 则应进行仔细评估。为了使滤波有效, 应考虑信号频率与干扰频率不同。7其他干扰抑制技术7. 1隔离变压器隔离变压器用于平衡信号电路。如果在线对的两端安装隔离变压器, 线对将使终端设备与低频地电位隔离。隔离变压器只能用于交流电路。7. 2中和变压器中和变压器起消除低频地电位差的作用。所有引入的控制电缆应通过中和变压器, 通过二次绕组隔离。原边与二次侧的绕组数相同, 通过发变电站地电位升带电, 一端连接到电站地, 另一端连接到不受电站故障电流影响的足够远的地。因此, 等于地电位升的电压

17、感应在控制电路, 而输入电缆和控制电路之间不存在地电位升。中和变压器具有适合交流和直流2种电路的优点。7. 3差分放大器差分放大器用于减小共模干扰, 即使大多数集成电路的差分放大器的共模耐受能力只有几V , 通kV 的共。. , 因为即使在一个频, 但在另一频率范围内却增加了干扰。改变电路阻抗以减小原边感性或容性源感应的干扰也应注意与增加信噪比相同的问题。7. 5采用光缆采用光缆可以免受危害标准载流控制电缆的干扰源的影响。光缆的输入和输出连接电路对E MI 很敏感。7. 6冲击抑制冲击抑制可以采用冲击避雷器、二极管、压电晶体滤波器、电容或火花放电间隙, 应尽可能靠近设备终端。8按耦合机理分类的减小干扰技术按耦合机理分类的减小干扰技术, 可分为减小共阻抗耦合、减小容性耦合、减小感性耦合、减小辐射耦合等。应当注意, 在实际应用中, 减小干扰技术应基于所遇到的干扰的类型进行优化。由以上4种耦合方式中的任1种可产生共模干扰, 它经常转换为差模干扰, 它是控制电路中最频繁的故障源。可以采用如下几种技术来减小共模干扰:(1 采用平衡传感器和相同信号线