电力系统电磁环境问题_邬雄

电力系统电磁环境问题

Problems of Pow er System Electromagnetic Environment

电力部武汉高压研究所(武汉430074) 邬 雄 张文亮

摘 要 介绍了构成电磁环境的一些电磁现象和设备端口概念,提出电磁环境分类的

一种方式并给出了变电站环境可能出现的各种电磁骚扰水平。

Abstract T his paper introduces some elect romagnet ic phenomena exist ing in the environ -

ment and the concept of ports.It gives a way of classif ying environment and also a set of distur -

bance level possibly occurred in a substat ion.

关键词 环境 端口 电磁现象 骚扰水平

Key words environment port electromagnetic phenomena dist urbance level

1 前 言

电力系统的电磁环境是一个值得研究的问题。一则大电流、高电压输变电设施产生的无线电干扰、工频电场、磁场以及其他电效应的电磁现象对环境造成影响,应予控制;再则电力系统广泛采用微电子技术,越来越多的设备对电磁现象的敏感程度增加,要求设备的抗扰性达到一定的水平,但这并非意味着一个给定设备的抗扰性要以所有的现象为背景进行试验,也不应要求所有设备具有相同的抗扰性能。

2 电磁现象

电磁环境是给定区域存在的全部电磁现象,大致可分为三类。即:低频现象,高频现象,静电放电(ESD)现象。低频和高频之间的分界线一般认为是9kHz 。若一种现象有小的过冲而进入另一频率范围,则确定其骚扰类型时,占主要成分的频率范围的分界线可能要稍作移动以保持该现象在所描述的范围之内。

211 低频电磁现象

a)非线性负荷的谐波电流以谐波频率流过网络阻抗并引起相应的电压降落,形成谐波电压。工业负荷(诸如调速装置)、牵引整流器等组成的大型独立电源是电网中产生谐波的重要根源。

b)电压波动来自工业负荷,诸如电弧炉(高压网络)、电焊机(低压网络)、电容器组等大负荷操作,是正常运行范围内网络电压幅值连续或随机重复的相对快的波动(频率为25次/s~1次/min),它使灯光发生闪烁(主要是小功率的白炽灯),而引起生理上的不适。这些快速的波动与正常情况下慢速的变化不同,后者不属电磁兼容问题。

c )电压暂降和短时中断可持续一个半周期到若干s,>1min 时,则是电源中断而非低频电磁兼容问题。这些电压暂降和短时中断有各种各样的原因,比如:高压线路或其他设备在故障时的自动重合闸(100~600ms);操作大负荷,特别是电动机和电容器组。

d)电力系统的频率一般变化小于011Hz,但在网络受到骚扰时频率变化范围可达3%。

e )附近的电缆中流过的低频电流可能在信号电缆和控制电缆中感应形成低频共模电压。耦合阻抗随与邻近电缆的距离以及有效的平行长度而改变。

f)50/60Hz 工频下的磁场是电力线路附近的空间磁场、变压器或其他电力系统设备的杂散场,也将遇到其它频率的场。磁场对信号和控制线路影响比较重要。

g)在高压架空电力线路下和变电站内存在较强的电场。

前5种为传导的低频现象,后2种称为辐射的低频现象。

212 高频电磁现象a)传导的连续波(CW)电压和电流属性参数为:幅值、频率、调制与否和源阻抗。暴露在电#33#1997年12月高电压技术第23卷第4期

磁场中的导体感应出对参考接地的电压,其幅值与导体的长度、在地面上方的高度、由杂散电容和经过其他设备形成的回路,以及其他一些因素有关。当长度大于1/6波长时,场强和感应电压之间的关系一般是线性的。当回路的尺寸接近1/4波长及其倍数时,会出现谐振效应。

b)瞬态的传导现象分单向和振荡两种。如振荡脉冲,频率范围从1kHz (多为电容器操作)到若干MHz (多为本地振荡和开断操作),频率范围高端的峰值电压较高,低端则电压峰值较低;高能冲击(也称浪涌),一般是雷击后由供电网络或电缆传播的雷电波和熔断器动作后的操作波产生的。

c)辐射电磁波也能够耦合到各种电缆线路中,进而传播到系统中,或直接耦合到设备中形成,它们源于辐射骚扰,有时也作为传导骚扰出现。

d)辐射的脉冲骚扰是持续时间[200ms 的辐射骚扰,其极性不变、时间大于它们的脉冲宽度的10倍,表现为非常复杂的波形。由于测量设备带宽的限制,有时只能得到部分地了解。213 静电放电

静电放电(ESD)在一个带电的人或物体接近另一个人或物体时发生。ESD 现象包含ESD 电流和它产生的场两方面。ESD 接收器受电场作用,当发生介质击穿时有一次性质复杂的瞬态放电,产生一个瞬态电磁场。ESD 现象很强地依赖于环境的温度、湿度、周围电介质的性质等。

3 环境分类与设备的位置

全面地描述环境中的电磁现象是困难的,也是不必要的。因为构成环境的电磁现象很多,但并非都具有相同的出现概率和影响作用,所以电磁环境分类,除前述的电磁现象外,主要是按设备安装和工作的位置与骚扰入侵的设备端口进行并用两个参数来规定电磁现象的骚扰情况:骚扰度和骚扰水平。前者是在与感兴趣的环境中所遇到的特定电磁现象相对应的骚扰水平范围内所规定的量化强度(或等级),后者是一个给定的、用特定的方法测量的电磁骚扰的水平。所有的电磁现象均可分为若干个骚扰度,每个骚扰度有相应的骚拓水平,对应于不同的环境。

设备安装的位置千差万别,按照电磁现象的骚扰情况可归纳出若干类,比如居民区位置、商业区位置、重工业区位置以及通信中心等。变电站(或开关站)就属于重工业区一类。下面例举部分电磁现象针对设备端口可能达到的骚扰水平,其中U n 为正常运行电压,n 为谐波次数。

a)外壳端口

¹低频辐射:工频电场,20kV /m;工频磁场30A/m;谐波磁场30/n A/m 。

º高频振荡辐射:9kHz~27M Hz,30V/m;27~1000MHz,10V /m 。

»高频脉冲辐射:雷电波脉冲,100V/(m #ns);GIS 开关开断脉冲,3000V /(m #ns);非GIS 开关开断脉冲,1000V/(m #ns)。

b)交流电源端口

¹谐波:各次谐波的骚扰水平随n 变化。

º低频传导:电压波动[10%U n ;电压暂降[3s,(10~99)%U n ;短时中断<60s,频率变化2%。

»高频传导:连续波(10kHz~150MHz),3v,21mA;单向暂态(雷电波),4kV ;振荡暂态(015~5M Hz),2kV 。

c)直流电源端口

¹低频传导:电压波动[3%U n ;电压暂降[800ms,(10~99)%U n 。

º高频传导:连续波(10kHz~150M Hz),3V,21mA;单向暂态(雷电波),2kV 。

d)控制或信号端口

高频传导:连续波,10V 时70mA (10~150kHz),30V 时210mA (0115~30M Hz),3V 时21mA (30~150M Hz);单向暂态(雷电波),4kV;振荡暂态(015~5MHz),1kV 。

e)接地端口电力系统故障时的低频感应,1000V 。

#34# Dec.1997H IGH VOL T AG E ENG IN EERIN G V ol.23No.4