探討電力通信的電磁兼容問題

前言

在電力系統(tǒng)中，隨著電壓的升高，容量的增大，電力網(wǎng)本身就是一個很大的干擾源。由于近代技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)逐步滲透到經(jīng)典的電氣設(shè)備中。同時伴隨著信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，電力網(wǎng)對通信和自動化控制系統(tǒng)等二次設(shè)備的依賴性也越來越大，這些設(shè)備又是一個受干擾的對象。因此，電力網(wǎng)的建設(shè)和運行必須考慮電磁兼容問題。

電磁兼容的基本概念

電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。
　　
電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號或傳播媒介自身的變化，它可能引起設(shè)備或系統(tǒng)降級或損害，但不一定會形成后果。電磁騷擾僅僅是一種自然現(xiàn)象。電磁干擾則是由電磁騷擾引起設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能下降的后果。
　　
電磁兼容( Electromagnetic Compatibility - EMC)：指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，而且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。
　　
EMC 包括兩個方面的含義，即設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁發(fā)射，不致影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的功能；而本設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力，又足以使本設(shè)備或系統(tǒng)的功能不受其他干擾的影響。
　　
電磁干擾的發(fā)生是由干擾源、傳播途徑和干擾受體三部分組成的。通常稱作干擾的三要素。下面結(jié)合電力系統(tǒng)談?wù)勥@幾方面的因素。

電力系統(tǒng)的電磁騷擾源

電力系統(tǒng)電磁騷擾源主要來自以下方面：

(1) 高壓輸電線路

高壓輸電線路可能對周圍事物造成干擾的因素主要包括：
　　
1) 電暈放電：由于導(dǎo)體表面的電位梯度過大，當(dāng)濕度和氣壓發(fā)生變化時，引起向空氣中放電而產(chǎn)生的高頻電磁噪聲。其頻譜在30 MHz 以下。
　　
2) 火花放電：由于線路上局部的絕緣被破壞、絕緣子污穢；金屬部件接觸不良等而產(chǎn)生的火花放電。其頻譜范圍可高達(dá)百MHz ，其幅度可能遠(yuǎn)大于電暈放電。

3) 工頻磁場：其強(qiáng)度主要取決于導(dǎo)線的載流量。但隨距離增大而很快衰減。
　　
4) 地電流：對于交流三相系統(tǒng)不平衡的中線或直流輸電線路以地作為回路的情況以及發(fā)生事故時，地電流有時頗為可觀。若處理不當(dāng)，會造成地電位急劇上升，從而干擾或損壞設(shè)備。
　　
(2) 大功率的整流用戶

電力機(jī)車以及冶煉、電解工業(yè)等大功率的整流用戶，由于整流會產(chǎn)生大量對弱電設(shè)備和通信線路干擾的高頻諧波。
　　
(3) 電力電子系統(tǒng)

電力電子系統(tǒng)在高電壓、大電流以及高頻化系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣，如直流輸電的交直流變換系統(tǒng)；有源功率因數(shù)補(bǔ)償電路；變頻調(diào)整系統(tǒng)；開關(guān)電源裝置等。
　　
(4) 通信信息設(shè)備和工業(yè)自動控制系統(tǒng)
　　
隨著通信設(shè)備、嵌入式微機(jī)以及計算機(jī)、信息設(shè)備等設(shè)備在電力中的大量應(yīng)用，如變電站內(nèi)的通信、自動化和繼電保護(hù)等系統(tǒng)。一方面，它們處在電力的高壓大電流電磁場的環(huán)境下，很容易受到各種電磁干擾；另一方面，它們又是騷擾源，如變電站中無線通信設(shè)備的不當(dāng)使用會造成繼電保護(hù)設(shè)備的誤動。

電磁干擾傳播方式和途徑

電磁干擾的傳播方式有傳導(dǎo)、耦合和輻射。一般有下列幾種傳播途徑：
　　
(1) 輻射耦合：當(dāng)干擾源的頻率很高時，就會引起電磁場的輻射。這種騷擾，對于電子信號控制系統(tǒng)，影響較大。
　　
(2) 容性耦合：電容耦合是通過兩導(dǎo)體之間分布電容傳遞的，最為典型的是高壓輸電線與通信線平行接近的情況。這種耦合只發(fā)生在二者之間電氣距離較近的場合，隨著距離的增加，其影響將逐漸減小。
　　
(3) 感性耦合：當(dāng)干擾源的電流很大，電流在空間產(chǎn)生交變磁場，這個磁場在被干擾回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使被干擾線中產(chǎn)生電磁干擾。
必須指出感性耦合的互感，隨著干擾源回路與被干擾回路之間距離增加而減小得非常緩慢，所以電磁感應(yīng)的干擾源可以影響到距本身較遠(yuǎn)的電子系統(tǒng)。
　　
(4) 阻性耦合：大地是天然的接地體，其中充滿著各種頻率的雜散電流。而許多電子和電氣設(shè)備都與大地連接。因此，雜散電流就會沿著接地線進(jìn)入電子設(shè)備或電氣設(shè)備傳播電磁噪聲，形成電磁干擾。

當(dāng)中性點接地變電站發(fā)生單相接地時，強(qiáng)大的短路電流會引起變電站地電位升高。此時，只要電子設(shè)備和電氣設(shè)備接地，就給這些大地中的雜散電噪聲(電位差)提供了侵入的通道，特別是高頻干擾噪聲，更容易四處傳播。
　　
減少電磁干擾的主要措施

減少電磁干擾的方法則是針對干擾的三要素，從抑制干擾源，切斷干擾傳播途徑，提高干擾受體的抗干擾能力出發(fā)，采取各種措施，主要有屏蔽、濾波和接地。
　　
(1) 屏蔽

屏蔽是利用屏蔽材料阻止或減少電磁能量在空間傳輸造成干擾影響的一種措施。通過屏蔽，干擾的能量能得到有效的削減。它可以廣泛應(yīng)用于減小干擾三要素的各個方面。屏蔽效果與屏蔽材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、屏蔽體的結(jié)構(gòu)、干擾源距離、干擾場的性質(zhì)(電場或磁場)
以及頻率等因素有關(guān)。
　　
對于磁場屏蔽，穿過屏蔽材料的衰耗起主要作用，它與材料的特性、厚度直接相關(guān)，鐵磁材料的屏蔽效果較好。
　　
(2) 濾波

濾波是在頻域上處理電磁兼容問題的手段。通過濾波，可以抑制傳導(dǎo)電磁騷擾。濾波器按其處理信號的類別，可以分為信號選擇濾波器與電磁騷擾抑制濾波器兩類。信號選擇濾波器主要作用是，選出我們所需頻率的信號。
　　
電磁騷擾抑制濾波器，就是在該濾波器內(nèi)通過有用的頻率信號。而高過和/ 或低于這些頻率的信號予以抑制或阻塞。常見的有電源線濾波器、信號線控制濾波器等低通濾波器。
　　
(3) 接地

接地的概念比較廣泛，它既是抗干擾的措施，也是安全的重要措施。正確的接地既能抑制外部電磁干擾的影響，又能防止電子電氣設(shè)備向外部發(fā)射電磁波；而錯誤的接地常常會引入非常嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)闺娮与姎庠O(shè)備無法正常工作。
　　
狹義上講，接地就是將設(shè)備與大地連接，將干擾電流導(dǎo)入地中(前述屏蔽、濾波都必需良好接地，若不接地，就不起作用，也就談不上屏蔽和濾波) 。廣義上講，接地包含設(shè)備中建立基準(zhǔn)電位的概念，是電路系統(tǒng)中的等電位點或等電位面。
　　
接地的主要目的是：

1) 與大地之間建立低阻抗通路，使大電流(如雷擊電流) 等直接流入大地，不影響電路、設(shè)備的正常工作和人身的安全；
　　
2) 建立設(shè)備的外殼與零電位之間的低阻抗，當(dāng)設(shè)備存在漏電流時，不致危及人身安全；
　　
3) 防止靜電電荷的積累；
　　
4) 在電路中或設(shè)備內(nèi)建立一個公共的等電位點(或面) ，以便有一個共同的參考電位；
　　
5) 電路(直流、低頻或高頻電流) 都需要經(jīng)過地線形成回路。良好的接地設(shè)計可使流過地線的各個電流互不影響，或其影響可被抑制。
　　
(4) 其他措施

抗干擾除了上述屏蔽、濾波、接地等主要措施外，還有：隔離，用來防止初級回路對地間的干擾信號傳遞至次級回路；均壓，均衡使用面積內(nèi)各點之間的電位差；合理布線，除所有的連接線(信號線、電源線及接地線等) 均帶屏蔽層外，還應(yīng)將邏輯信號線通道和接地線間環(huán)路面積縮到最小，以降低感性耦合的磁通量；平行敷設(shè)導(dǎo)線應(yīng)注意導(dǎo)線幾何空間的對稱度，以減小對電磁干擾的敏感度等。
　　
電力通信設(shè)備的抗干擾措施

電力系統(tǒng)中的通信設(shè)備(其實包含所有的電子設(shè)備) ，特別是變電站內(nèi)的設(shè)備，處在一個十分惡劣的電磁環(huán)境中，所有的帶電設(shè)備均是干擾(騷擾)源，任何一根載流的導(dǎo)線就是一個輻射源。因此更應(yīng)該考慮抗干擾措施。
　　
(1) 設(shè)備的電磁兼容性要求

設(shè)備是電磁騷擾的源又是受體，其本身的電磁兼容性是最重要的因素。根據(jù)兼容性定義，它包含兩方面內(nèi)容，就是如何提高設(shè)備的抗擾度和防止電磁泄漏。
　　
對于使用者來說，則要注意在設(shè)備的選型時，一定要關(guān)心設(shè)備的電磁兼容性能。
　　
目前與EMC 有關(guān)的國際組織很多，最主要的是IEC。IEC 中和EMC 關(guān)系密切的是TC - 77 和CIS2PR。TC - 77主要研究低壓網(wǎng)絡(luò)中電氣設(shè)備之間的電磁兼容性的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)。CISPR是為了研究防止廣播接收、通信等受電氣設(shè)備的干擾而設(shè)立的機(jī)構(gòu)，主要研究統(tǒng)一的測試方法，并對各種電氣設(shè)備提出電磁干擾限值的建議。國內(nèi)的很多標(biāo)準(zhǔn)都是參照他們的標(biāo)準(zhǔn)制定的。
　　
在通信設(shè)備選購時，包括通信用開關(guān)電源和不間斷電源(UPS) ，要把電磁兼容性指標(biāo)作為一個必不可少的指標(biāo)，注意采用滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。
　　
(2) 設(shè)備的抗干擾措施

設(shè)備選定之后，如何在當(dāng)前的環(huán)境中正確地安裝和使用則是下一個需要解決的問題。
　　
設(shè)備的抗干擾措施，首先要考慮屏蔽。重要的通信機(jī)房本身應(yīng)有屏蔽層，以減少空中輻射耦合的騷擾；其次是采用直流開關(guān)電源和UPS，以隔離電源傳來的交流干擾信號。從實際的觀點出發(fā)，最重要的是接地問題。
　　
目前，通信設(shè)備采用的接地方式：

1) 單點接地

單點接地是將各個設(shè)備的“地”共同匯結(jié)于一塊匯流板或一根匯流母線上，再由接地引線與地網(wǎng)連接。單點接地可以使所有設(shè)備都以一點作為參考點，有穩(wěn)定的電位，可以消除因地網(wǎng)電位差而導(dǎo)致各種環(huán)流對設(shè)備造成的干擾。
　　
2) 多點接地

多點接地是將系統(tǒng)中的各個接地點直接接到距它最近的地網(wǎng)導(dǎo)體上，如圖2所示。多點接地系統(tǒng)比較簡單，可減少接地引線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象。但多點接地會使設(shè)備之間出現(xiàn)地線回路、地網(wǎng)電位差，從而可能產(chǎn)生環(huán)流對設(shè)備造成干擾。
　　
3) 共用接地

共用接地指變電站內(nèi)的通信系統(tǒng)接地與站內(nèi)的接地網(wǎng)聯(lián)接在一起。其主要特點是有同一的基準(zhǔn)電位。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障時，地電位同時升高，不會在設(shè)備上造成較大的電位差，有利于人身及設(shè)備的安全。共地式的主要問題是在正?；蚴鹿是闆r下，電力系統(tǒng)各種強(qiáng)電擾動地電流的影響。

4) 分開接地

分開接地是指除防雷保護(hù)和變電站共用一個地網(wǎng)外，通信等電子設(shè)備的接地全部聯(lián)接到專門敷設(shè)的接地網(wǎng)上。這種接地方式，由于弱電與強(qiáng)電的接地完全分開，可以較好地解決電導(dǎo)耦合的干擾。但在信號線聯(lián)接上應(yīng)注意，在電網(wǎng)故障時電位引擊和低電位引入問題。專門接地有兩種敷設(shè)方式：一種是在離變電站主接地網(wǎng)較遠(yuǎn)的地方敷設(shè)接地網(wǎng)，用高壓絕緣電線把計算機(jī)房內(nèi)接地母線與專門接地網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來。其主要問題是低電位引入。這種接地方式對變電站改建時比較適用。另一種是在變電站主接地網(wǎng)內(nèi)敷設(shè)，其邊線離主接地網(wǎng)邊緣大于5 m。這種方式接地電阻值很難達(dá)到理想水平，優(yōu)點是故障時，接地網(wǎng)與主網(wǎng)的電位差不大，可以大大減少兩者之間的干擾。對于新建變電站，可以考慮采用。
　　
(3) 聯(lián)接線的抗干擾措施

聯(lián)接線連接設(shè)備、用戶和電源，是通信系統(tǒng)不可缺少的組成部分。疊加在它上面的電磁干擾信號，將直接傳導(dǎo)至設(shè)備內(nèi)部，造成對正常工作的各種干擾甚至損壞設(shè)備。
　　
聯(lián)接線的抗干擾措施主要采用屏蔽、接地和隔離以及合理的布線等。注意以下幾個方面的問題：

1) 采用雙絞線電纜

對于通信專業(yè)，雙絞線電纜是最常用的電纜。對于其他專業(yè)，則不盡然。而變電站內(nèi)，通信設(shè)備到其他專業(yè)專用設(shè)備的電纜往往由其他專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計并施工，則常常忽略這個問題。引起設(shè)備工作不正常。事實上，雙絞線電纜利用線對的絞合改善兩根導(dǎo)線對干擾源的平衡度，減小靜電耦合和電磁感應(yīng)在導(dǎo)線間產(chǎn)生的電磁干擾。是良好的二次信號電纜。

2) 電纜外皮和備用芯的接地

電纜外皮接地的作用大家都知道，但備用芯的接地常常忽略。實驗證明，在變電站內(nèi)，塑料電纜的備用芯接地可將感應(yīng)電壓降至30 %～40 %左右。
　　
3) 不同電平信號的電纜分開

電纜中一個芯線的暫態(tài)信號可以通過芯線間的電容或電感耦合到另一根芯線上。此時，無論是將電纜外皮或備用芯線接地都不能有效地削弱這種干擾。有效的方法是將不同類別電路的導(dǎo)線，分別置于不同的電纜中。
　　
4) 盡量利用電纜溝

位于地面以下的電纜溝一般接近接地網(wǎng)的導(dǎo)體或在電纜溝內(nèi)有接地導(dǎo)線，是天然的屏蔽場所。通信電纜應(yīng)盡可能在電纜溝內(nèi)走線。
　　
5) 通信(二次) 電纜的走向

變電站內(nèi)的電磁場分布十分復(fù)雜，因此通信電纜在變電站內(nèi)的走向要成輻射狀，避免形成環(huán)路。
　　
6) 通信(二次) 電纜的位置

變電站內(nèi)的高壓母線是強(qiáng)干擾源，暫態(tài)電流的入地點如避雷器、避雷針的接地點有較大的高頻暫態(tài)電流通過，將引起接地點附近的地電位升高。所以，通信電纜布放應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離上述地點，并盡量減少和母線的平行長度。
　　
7) 采用信號隔離

對于無法采用上述措施或采用之后仍有較大干擾；或者傳輸?shù)男盘柺种匾?如繼電保護(hù)信號) ，對抗干擾能力要求很高，可以采用隔離設(shè)備進(jìn)行隔離。常用的隔離設(shè)備是隔離變壓器。對于弱電信號，可采用光電隔離，隔離效果更好。
　　
結(jié)束語

電磁兼容問題是一個非常復(fù)雜的問題，本文就電力通信中存在的電磁兼容問題和應(yīng)采取的措施進(jìn)行簡要的敘述和分析。