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电力系统二次设备的电磁兼容问题Electromagnetic Compatibility of Secondary Equipmentsin Electric Power System电力自动化研究院何彬(南京 210003)【摘要】论述了电力系统二次设备的电磁兼容问题;提出了需要进行的工作。结合近年来我国二次设备所出现的电磁干扰情况,重点介绍了一些主要干扰的来源、成因和特性,以及相关的二次设备抗扰试验国家标准。【关键词】电磁兼容二次设备标准Abstract This paper describes the importance ofelectromagnetic compatibility of secondary equipmentin electric power system.Main works in this field arepointed out.In the light of troubles arising from elec-tromagnetic interference in China in recent years,em-phasis is given to introducing the origin,build-upmechanism and characteristics of some major interfer-ence and related national standards on the immunitytest of secondary equipments.Key wordselectromagnetic compatibilitysecondaryequipmentsstandard1电力系统的电磁兼容问题随着电气和电子技术的发展,电磁兼容已成为世界各国普遍关注的问题。对电气和电子设备来说,电磁兼容(EMC)的含义是:电气和电子设备或系统在它们所处的电磁环境中,能不因干扰而降低其工作性能;它们自身发射的电磁能量也不足以恶化环境和影响其他设备或系统的正常工作,彼此之间互不干扰,在共同的电磁环境下,完成各自功能的共存状态。电力系统本身就是一个强大的干扰源。在正常和异常运行状态下都很容易产生或出现各种电磁干扰,例如开关操作、短路故障等产生的暂态过程;高电压、大电流设备周围的电场和磁场;射频电磁辐射;雷电;人体与物体的静电放电;供电网的电压波动、电压突降和中断、谐波;以及电子设备的工作信号和噪声等。随着电力工业的发展和新技术的采用,电力系统不仅是一个极强的干扰源,它也是一个极易受干扰的敏感者。以微电子技术与计算机技术为基础的二次弱电设备,如继电保护、自动装置、远动和通信装置等在电力系统中广泛使用,它们的灵敏度高、信息量大、分布面广,很容易受到干扰。在我国电力系统中,由于开关操作、雷电、辐射电磁场、工频磁场等原因所引起的干扰事件都屡有发生,其结果造成保护装置误动,自动化设备不能正常工作,甚至造成元件或设备的损坏。正是由于上述特点,特别是二次回路的弱电设备受一次系统高压设备与设施的影响很大,电力系统如果不妥善解决其电磁兼容问题,势必对安全可靠生产构成严重威胁。从电力系统的发展趋势来看,电网的扩大,电压等级的提高,结构紧凑的气体绝缘开关电器(GIS)的采用,综合自动化技术的实施,不但使干扰源更为强烈,有些电子设备还会放置到变电站的高压开关场内和更靠近高压电力设备的地方,电磁兼容问题将更加突出。电磁干扰能量可以通过多种途径从干扰源耦合到受干扰的设备或系统上,归纳起来可以分为传导和辐射两大类。传导是指干扰源和受干扰设备间通过互连的导线、互感及静电电容等而起的耦合作用;辐射则是指干扰源通过空间电磁波的作用对被干扰对象产生干扰。图 1 例举的是一台自动化装置可能与外界发生联系的各种端口的示意图。通过这些端口,既可能从外界将干扰引入装置,也可能将装置发射的电磁能量散播到外界,构成对其它设备或系统的干扰。图 1自动化设备或系统的端口示例461998 年第 4 期中国电力第 31 卷2电磁兼容工作的内容“电磁兼容”是以研究和解决电磁干扰而迅速发展起来的一个技术领域。电磁兼容的基本任务是协调干扰发射者和干扰敏感者之间的关系,使其“兼容”。从电力系统的要求来看,电磁兼容有以下的主要技术内容:(1)电磁干扰现象的研究:包括产生原因、机理、干扰特征、传播方式、对敏感设备的耦合途径等。(2)电磁兼容性测试和模拟技术的研究:包括现场实测、试验室模拟试验、设备的抗干扰试验、设备的电磁发射测试等。(3)电磁兼容性设计研究:研究各种抑制干扰的措施。就电力系统而言,包括一次系统和二次回路设计施工中的措施、二次设备的抗干扰措施等。(4)电磁兼容性规范、标准的研究:包括电磁环境的评估,设备的电磁发射标准和抗干扰标准,一、二次回路及设备的安装施工、设计规范、导则等。解决电磁兼容问题的关键环节是干扰源、耦合途径和敏感设备。对电力系统来说,应该从一次系统、二次回路和敏感的电子设备 3 个方面同时着手。无论在技术上或实践上,电磁兼容都是一个非常综合性的工作。它要求电子设备的研制、一次系统和二次回路的工程设计、安装施工和运行、维护,各方面的共同努力和相互协调,才能完善地解决问题。另一方面,要做好电磁兼容的基础工作,通过试验研究制订出各项技术标准、规范、导则和措施,把 EMC工作放在科学的基础上。3电力系统二次设备的电磁兼容性试验3.1试验目的对二次弱电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最有效方法。与电磁兼容的含义相对应,电磁兼容试验包括电磁敏感性(抗扰性)试验和电磁发射测试两个方面。电磁兼容性试验的目的是:(1)检验被试设备的抗扰性水平;(2)检验被试设备的干扰发射值,它必须小于规定的限值;(3)检验被试设备的各种抗干扰措施和抑制发射措施的有效性。先进的工业化国家从设备研制到工程应用的各个阶段,都按电磁兼容标准对设备进行考核试验,严格控制其电磁兼容质量。欧洲共同体还以法令的形式贯彻执行 EMC 标准,没有 EMC 试验合格标志的产品不准进入共同体市场。EMC 性能在国际上已成为产品质量指标的一个重要部分。3.2有关电力系统二次设备的 EMC 国标为了做好 EMC 的基础工作,电力部近年来以等同采用国际标准(IEC 标准)的形式,按对口专业建立了相应的 EMC 试验标准(国家标准),共有 5项(见表 1)。表 1二次设备的EMC试验标准名称国 标 编 号备注静态继电器及保护装置的电气干扰试验GB 616285标准的修订版本正在报批中量度继电器和保护装置的快速瞬变干扰试验GBT 14598.101996量度继电器和保护装置的辐射电磁场干扰试验GBT 14598.91995量度继电器和保护装置的静电放电干扰试验报批中远动设备及系统工作条件电源和电磁兼容性报批中注:以上第 14 项为继电保护的单项试验标准;第 5 项远动标准是综合性试验标准,它包括低频扰动、传导性瞬变和高频干扰、静电放电、磁场敏感度、辐射电磁场干扰和电磁发射等几方面的试验和测试项目。3.3重点试验项目根据电力系统二次设备历年来在运行中所发生的干扰事件情况,以及国际上有关产品的主要 EMC技术指标,以下的抗扰性试验应为重点试验项目。3.3.1阻尼振荡波试验阻尼振荡波是高压隔离开关和断路器操作时,所产生的暂态过程中最有代表性的波形。操作时由于触头间电弧的熄灭和复燃,在被断开或充电的母线(短引线)上,因电压突变而引起波前陡峭的暂态波。此暂态波在传播过程中,因电路特性阻抗不匹配而引起反射,形成高频阻尼振荡波。图 2 显示在一个变电站内实测的用隔离开关断开和闭合空载长母线时,母线电压变化的一段过程,图中电压波上的阶梯状缺口就是电弧复燃时的电压阶跃变化。加快录波速度将阶跃部分展开,就可以看到状如图 3的高频率阻尼振荡波。在这样高频率下,一次母线上的暂态过程可以暂态电磁场的形式向周围空间辐射能量;或通过静电和电磁感应耦合到二次和低压线路;还可以通过连接到母线上的设备(如CT、PT、CVT 或载波耦合设备等)直接耦合到二次设备。47第 31 卷电力系统二次设备的电磁兼容问题1998 年第 4 期图 2用隔离开关开、合空载母线时的母线电压波形-电源电压;空载母线电压;1开;2合图 3阻尼振荡波形T1上升时间(75 ns);T 振荡周期(100kHz时 10?s;1MHz时 1?s)由于隔离开关操作过程时间较长,电弧频繁复燃,从宏观看,整个暂态过程由非常多的单个脉冲组成,形成一连串的脉冲群(图 4)。从微观看,每个脉冲都是一个衰减振荡波。从图 2 可见,在开断过程初期,电压阶跃即脉冲幅值较小,复燃率(脉冲重复率)高,随着触头间距离的加大,电压阶跃幅值增大,复燃率降低,到临近断开时,每工频半周只复燃一次,脉冲幅值达到最大,合闸操作时暂态过程与断开时正好相反,但规律是一样的,即断口大,脉冲幅值高,重复率低;断口小时,脉冲幅值小,重复率高。图 4用隔离开关断开母线时的母线电流暂态(暂态过程中段)1微观脉冲;2宏观脉冲群根据国外在不同电压等级变电站的实测资料统计,用隔离开关操作时,暂态过程有以下特性(见表 2)。国标中阻尼振荡波试验的主要参数如下:脉冲群持续时间2.0 s脉冲重复率40次/s(100 kHz 时)400 次/s(1 MHz 时)振荡波(脉冲)频率100 kHz1 MHz振荡波衰减率第 36 周峰值衰减至50%试验电压幅值分 0.25,0.5,1.0,2.5(第一个波,kV)kV(峰值)数级试验电压波形见图 3。表 2隔离开关操作时的暂态过程特性项目空气绝缘变电站GIS 变电站脉冲群持续时间40 ms2.0 s0.2 0.3 s脉冲总数1 00010 000100脉冲幅值变化60 dB20 dB脉冲重复率40120 Hz2.4120 Hz单个脉冲持续时间1015?s10?s主导频率100 kHz10 MHz10 MHz100 MHz3.3.2浪涌试验雷电是自然界发生的、强烈的电磁暂态过程,典型的雷电波是单向浪涌波。在 EMC 试验中,浪涌试验主要是模拟雷电干扰。变电站可能直接遭受雷击,而更多的情况是线路遭受直击雷或感应雷,雷电波沿线路入侵变电站,通过一、二次系统间的各种耦合途径或接地网进入二次回路。如果受影响的设备阻抗很高,则设备承受的是电压脉冲;如果受影响的设备阻抗很低,则设备承受电流脉冲。浪涌电压试验(冲击耐压试验)是考核设备绝缘的一个重要试验项目。浪涌电压对设备的干扰和绝缘效应,是雷电暂态过程对设备造成影响的两个方面,故浪涌干扰试验波形和绝缘冲击耐压试验的波形是一致的。我国在高压绝缘试验标准中,取雷电压波形为1.2/50?s。电子设备抗扰试验时,要求被试设备既能承受规定的浪涌电压(被试品在未被击穿时),又能承受规定的浪涌电流(被试品发生击穿时),浪涌干扰发生器要能起到浪涌电压发生器和浪涌电流发生器的双重作用。图 5 表示浪涌电压试验的波形。试验电压分为0.5,1.0,2.0,4.0 kV(峰值)数级。3.3.3快速瞬变试验二次设备中常见的一种干扰电压,是断开低压直流电路中的小电感负载时(例如机电式继电器、接触器等),所引起的暂态电压,即快速瞬变电压。这种干扰电压的特征是上升时间快和高幅值、高频率。当断开触点时,电感负载中的电流企图继续流通,在电感负载的两端(即触点间)产生高电压,并引起电弧481998 年第 4 期中国电力第 31 卷图 5浪涌电压试验的波形复燃。在电弧复燃和熄灭这一连续不断的过程中,一连串的电压脉冲迭加到与被断开的电感负载相连接的电源上,并耦合至其它电路,开始时是脉冲电压幅值低、频率高,随着触点间间隙的增大,脉冲电压越来越高,但脉冲频率则下降,到临近断开时脉冲电压达到最高幅值。实测表明,脉冲电压可高达数千伏,频率为 0.11 MHz。快速瞬变干扰试验就是用脉冲组来模拟这种暂态过程。图 6显示断开电感性负载时的暂态过程。快速瞬变干扰试验的波形见图 7。其中图 7(a)示脉冲组的分布;图 7(b)示单个脉冲波形。脉冲波形为 5/50 ns;每组脉冲持续时间为 15 ms;脉冲组的周期时间为 300 ms;脉冲重复率为 5 或2.5 kHz。试验电压分 0.25,0.5,1.0,2,4 kV(峰值)数级。图 6断开电感负载的暂态过程1复燃;2电压恢复图 7快速瞬变脉冲组波形3.3.4辐射电磁场试验射频辐射干扰的来源有很多方面,例如:无线电台、电视台、移动式无线电收发信机,以及各种工业电磁辐射源。事实表明,在电力系统中,对讲机是影响二次电子设备正常工作的主要射频辐射干扰源。由于工作人员往往要在二次设备附近使用对讲机,其辐射电磁场强度足以对二次设备构成严重威胁。电磁场强度的单位为 V/m。在远场区(d?/2?,?为无线电波波长)辐射场强值可按下式估算:E=kdP(V/m)式中,P 为对讲机功率(W);d 为对讲机与场强计算点的距离(m);k 为系数,与天线长度对波长的比值有关,对讲机天线长度一般是?/4,k 值可取 3.0。在我国电力系统内使用的对讲机,其工作频率主要分 布在 140 470 MHz 之间(少 数达 900MHz),功率多为 35 W,如果按 470 MHz,5 W 对讲机计算,在距离 0.20 m 处场强为 34 V/m。国标中,对射频辐射干扰试验场强的规定列于表 3。表 3射频辐射干扰试验场强试验频率范围等级试验值/Vm-1801 000 M Hz 的连续波1123310430显然在近距离使用对讲机时,实际场强会超过试验标准中的试验值。因此,对讲机距二次设备的使用距离还要有所限制。例如,美国标准中规定的试验场强值为 35 V/m,要求对讲机与运行中的设备(继电保护设备)的最小距离为 0.15 m。3.3.5静电放电试验介电常数不同的两种绝缘物相互摩擦时,由于摩擦处原子热运动的加强,电子束缚力较弱,物质的电子从原子中挣脱出来转移到另一物质上,结果使失去电子的物质带正电,而获得电子的物质则带负电,这种现象称之为摩擦起电或静电充电。这种电荷释放时称为静电放电。静电放电对设备的影响,可能是由于带静电的人接触设备而直接放电,也可能是由于人对邻近物体或邻近物体间放电所引起。人在地毯上行走,鞋底与地间的摩擦,人穿化纤衣服时的纤维间摩擦或衣服与座椅摩擦都可能使人体带电。带电的人接触电子设备时(如键盘、按钮、外壳等)就可能对设备放电,放电时的电磁能量,通过各种途径耦合到设备内部的电路,有可能使设备工作失灵、出错甚至损坏。一般二次设备的外壳都是直接接地,静电放电电流由外壳直接通向大地,由于接地通路的49第 31 卷电力系统二次设备的电磁兼容问题1998 年第 4 期电感很低,放电电流的波头很陡(上升时间为 0.71 ns),带有数十纳秒的阻尼波尾。图 8 显示在电阻性负载时放电电流的典型波形。放电电流有两个峰值是人对设备放电时实际的情况。人体带电时相当于人体等值电容被充电,另外,人体与设备之间有杂散电容。人手触摩设备时,此杂散电容先行放电,因为杂散电容直接跨越放电点,其放电不受人体等值电阻所限制,故放电电流为一个波头很陡的高尖峰脉冲,后面较平缓的波才是人体等值电容放电。第一个高尖峰脉冲对敏感设备的影响不可忽视。标准中规定静电放电干扰试验电压列于表 4。表 4静电放电干扰试验电压值等级接触放电电压/kV12243648图 8静电放电电流波形3.3.6工频磁场试验工频磁场干扰来源于载流导线及运行中的电力设备。工频磁场干扰可分为正常运行情况下的干扰和短路故障时的干扰,前者强度较弱,但因为是持续出现的,故对设备的影响并不能忽视。近年来,我国在许多电力工程建设中发现了强工频磁场对计算机监控系统中显示器的干扰,使画面扭曲和抖动。我国在几个水电站正常运行时实测到计算机房中的工频干扰磁场强度列于表 5。国外在发电机出口母线下方实测强度达 160240 A/m。在工程设计上,虽然可以采取一些措施来降低工频干扰磁场强度,例如增加电子设备与大电流源间的距离或者采取屏蔽措施(如封闭式母线、机房的低频磁屏蔽等)。但是一些电子设备对工频磁场非常敏感,如 CRT 这样的基于磁偏原理工作的器件,对 13 A/m 强度的工频磁场已很敏感,不可能完全依赖降低环境工频磁场强度的措施来解决干扰问题。表 5工频干扰磁场强度实测值电站磁场强度/Am-1A30.7B67.0C47.6D90.4国标中规定的对二次设备工频磁场的试验标准列于表 6(表中斜线上方为连续试验值;下方为短时13.0 s)试验值。表 6工频磁场强度试验标准级别工频磁场强度试验值/Am-113/-210/-330/3004100/1 0004结束语当今的电力系统既是一个强大的干扰源,它的二次电子设备又是极易受干扰的敏感者,因此电力系统的电磁兼容问题非常突出。电磁兼容工作有诸多方面,对二次设备进行电磁兼容性考核试验是一项很重要的工作。本文结合我国情况简要地阐述了有关的主要抗扰试验项目。解决电力系统的电磁兼容问题,不但对安全可靠运行提供强有力的保证,也是国际工程招标和对外贸易的现实需要。当前,电磁兼容工作是电力系统的一个薄弱环节,需要各方面的高度重视和关注。收稿日期:1997-09-20(责任编辑郭晓)(上接第 18 页)7参考文献1徐旭常.燃烧理论与燃烧设备.北京:机械工业出版社,19902辛国华.浓淡燃烧技术的应用研究.动力工程,1994;(5)3胡荫平,辛国华.浓淡燃烧器.中国,实用新型专利,9320427241994-01-264周云龙,辛国华.200 M W 机组电站锅炉调峰低负荷水动力可靠性的研究.东北电力技术,1995;(10)5冯俊凯.锅炉原理及计算(第二版).北京:科学出版社,1992收稿日期:1997-08-07(责任编辑孙家振)501998 年第 4 期中国电力第 31 卷