水电厂电磁干扰强度计算方法分析

水电厂电磁干扰强度计算方法分析
水电厂内本身存在着很多种电磁场，比如雷电过电压电磁场、静电场、高频电磁场、工频磁场等等，它是一个复杂的干扰源。

为了计算机监控系统的正常运行，在水电厂的设计之初，必须认真考虑其抗干扰的问题，才能满足相关标准规范和各种设备抗电磁干扰的能力，才能保证水电厂投产后计算机监控设备的可靠运行。

标签：水电厂；计算机监控系统；电磁干扰
引言
目前，计算机系统在工业控制领域的应用范围随着计算机技术的快速发展也明显扩大，特别是在水电站的应用范围越来越广，而计算机系统的抗电磁干扰能力是影响整个电力系统正常、可靠运行的关键。

水电站的一次设备布置的地理位置会对水电厂的各种自动控制设备产生明显的影响，很大一部分自动控制设备处于母线等一次强电设备所产生的电磁场干扰中，所以，必须提高水电厂计算机监控系统的可靠性才能满足运行条件的要求；首先要在工程设计、安装施工中切实考虑并多方配合，另一方面要求硬件供应厂家提高设备的抗干扰能力。

因此，不管计算机监控系统的技术有多先进，如若不能妥善处理电磁干扰问题，也不能保证计算机监控系统的安全可靠运行，也就更谈不上保证电力系统的安全、可靠运行。

1 工频稳态磁场干扰强度的计算
各个发电机经出口母线与升压变压器直接相连，把电能输馈入电力网络。

水电站中都存在不同的电压等级，因为同一条线路两端传输的功率相同，由于发电机出口母线的电压较低，所以电流很大。

发电机出口母线的电压一般不会变化很大，随着发电机额定功率的增大，其额定电流却增大很多。

磁场强度正比于电流，当电流较大时，母线附近会产生很大的工频磁场干扰。

各种大型发电机的出口母线一般采用封闭母线，即带有金属外壳，其金属外壳直接接地。

因为存在电磁感应，轴向电势出现在其外壳中，短路时，该电势的有效值在可达，对人身会造成危害。

金属外壳有两种，其一是不连式外壳，其每一相母线具有独立金属外壳，并且其两端做成邻段绝缘并接地；其二是三相全连式母线，把母线金属外壳沿长度用铝板分段焊接并接地。

工业现场普遍存在着临近效应。

所谓临近效应是：其它相导体处于一载流导体附近时，其它相导体就会受到该载流导体的交变磁场的感应而产生涡流，并且其它相导体产生的涡流会改变载流导体的电流分布。

频率，导线间距、电导率、磁导率，与導体的截面形状以及导体直径（或截面尺寸）是影响邻近效应的大小主要因数。

所以，封闭母线不可避免的要考虑邻近效应。

电磁感应问题考虑邻近效应时，它必须满足以下物理关系：①欧姆定律；②电磁感应定律；③安培环路定律。

由于多导体存在时，电磁感应是十分复杂的，很难一次算出整个系统的感应电流的分布。

因此逐次逼近法是工程计算中一般采用的方法，它在忽略其它导体的存在的前提下，首先把所有电流源分别作用在每一根导体上所感应出来的电流分布求出，然后将得到的各导体电流的分布作为新的电流源，修正一次其在除该导体自身外其它每一根导体上所感应出来的电流分布。

然后重复此过程，直到达到工程需要。

最后可以得到这样的结论：每一次所感应的涡流总比上一次感应出来的要小。

当计算次数趋近于无穷时，就会逼近一种稳定状态，即新感应的涡流收敛为零。

也就是说：一根导体中的电流分布与该导体所在的整个场内的总电流（包括载流电流源）相“适应”，即满足欧姆定律、电磁感应定律和安培环路定律。

可得出以下结论：
（1）敞露式母线额定状态下运行时，机房的最大磁场强度有可能会超过国际规定的80A/m的容许值。

由此可见，对一些采用敞露式母线的电站，其单机容量虽然小一些，但如机组距离大电流回路较近，场强仍有可能超过标准容许值，并且裸露母线短路的机率也比封闭大，要注意进行环境场强的演算或实测。

（2）不连式封闭母线，外壳只有涡流作用，对壳外磁场的削弱作用并不大，因而也不满足环境的要求。

（3）全连式分相封闭母线主要靠外壳环流还有涡流的联合作用，使壳外磁场大大削弱，正常运行和短路情况的磁场均低于标准规定的容许值。

2 短路暂态与高频磁场干扰强度计算
离相封闭母线的外壳在短路工况下会受到母线磁场强度的影响，当是全连式外壳时，不仅会在外壳中产生涡流，而且涡流会在各个绝缘段中来回流动而产生环流。

当属于不连式时，就会在全连段中产生相间环流和涡流。

短路电流分为交流分量和直流分量两分部分，因而涡流分也为两个部分，即分别由短路电流的交流分量和直流分量产生。

其中，由交流分量感应产生的涡流和环流与交流稳态时相似，但是会随母线电流的变化而变化；而直流分量不同，对应的时间常数Ta 的变化率比工频慢很多，因此它的电磁感应强度也会小很多，因为外壳电阻的作用，很大程度上限制了涡流和环流。

可得出以下结论：
（1）采用全连式分相封闭母线结构的电站，由于壳外磁场大为削弱，正常和短路情况下的磁场强度通常不会超过标准规定的容许值，一般不必考虑机房的磁屏蔽措施。

但在运行中必须注意，因为壳外磁场的减小主要依靠环流的作用，因此封闭母线各段之间以及端板的连接必须良好以保证环流畅通。

（2）低频磁屏蔽效能随屏蔽体的体积增大而减小，由于计算机场所的体积
都比较大，要得到较好的屏蔽效果，就要采用很厚的钢板，致使投资巨大，施工也很困难。

（3）对于采用计算机监控的大中型水电厂，特别是采用敞露式母线结构的电厂，在设计阶段就应对有关场所的环境磁场进行分析，如果不满足环境场强的要求，应采取相应的措施，如机组远离大电流母线回路，敞露式母线改为封闭母线或者对部分设备有针对性地采用局部的磁屏蔽措施等。

（4）目前，计算机监控系统的显示部件CRT的抗工频磁场干扰的性能很差，要研究采取有效的屏蔽措施以提高其抗干扰能力。

（5）水电厂电磁干扰及其抑制方法
从干扰源产生的机理来看，水电厂的电磁干扰大致分为：人为干扰、自然干扰、内部干扰和外部干扰。

厂房内的干扰通常来自以下几个方面：a.系统内部干扰：主要由厂房的内部元器件及线路间的相互电磁辐射产生；b.系统外引线干扰：主要通过信号线和电源的传输引入，也称为传输干扰；c.来自空间的辐射干扰：可由雷电、无线电、雷达、通信等产生，由于外部自由空间的电磁辐射干扰分布极为复杂，它可以通过计算机内部的电路耦合感应产生干扰，还可以通过辐射计算机外围设备及通信网络，由外围设备和通信线路的感应引入干扰。

辐射干扰与电磁场的频率、大小并且和现场设备布置有关，需要采取一定措施防止其进入系统，一般通过计算机的局部屏蔽、设置电缆等方法。

抑制电磁干扰可以从两方面进行，即消除干扰源和切断耦合通道，常用的抑制措施有隔离、屏蔽、平衡、接地等。

针对各水电厂设备布置情况和受干扰程度，通常采用一种方法或其中几种方法结合在一起进行电磁干扰抑制。

3 结束语
目前，计算机技术有着快速发展，其在工业控制应用领域也明显拓宽，计算机监控系统在水电厂的应用越来越广泛，该系统的抗电磁干扰能力是关系到整个电力系统可靠、正常运行的关键。

空间环境布置会对水电厂的控制设备产生影响，大多的控制设备处在大电流线路和强电设备所形成的恶劣的电磁场环境中。

故需要提高水电厂计算机监控系统的可靠性，另一方面则要在工程设计、安装施工中切实考虑并多方配合，一方面要求硬件供应厂家提高设备的抗干扰能力，否则如不能处理好电磁干扰问题，即使技术先进的监控系统也不能保证其安全可靠运行。

作者简介：李孝正（1978- ），硕士，研究方向：水电厂电磁干扰。