探讨电力通信的电磁兼容问题

前言

在电力系统中，随着电压的升高，容量的增大，电力网本身就是一个很大的干扰源。由于近代技术的发展，电子技术逐步渗透到经典的电气设备中。同时伴随着信息技术和自动控制技术的发展，电力网对通信和自动化控制系统等二次设备的依赖性也越来越大，这些设备又是一个受干扰的对象。因此，电力网的建设和运行必须考虑电磁兼容问题。

电磁兼容的基本概念

电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。
　　
电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化，它可能引起设备或系统降级或损害，但不一定会形成后果。电磁骚扰仅仅是一种自然现象。电磁干扰则是由电磁骚扰引起设备、传输通道或系统性能下降的后果。
　　
电磁兼容( Electromagnetic Compatibility - EMC)：指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，而且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
　　
EMC 包括两个方面的含义，即设备或系统产生的电磁发射，不致影响其他设备或系统的功能；而本设备或系统的抗干扰能力，又足以使本设备或系统的功能不受其他干扰的影响。
　　
电磁干扰的发生是由干扰源、传播途径和干扰受体三部分组成的。通常称作干扰的三要素。下面结合电力系统谈谈这几方面的因素。

电力系统的电磁骚扰源

电力系统电磁骚扰源主要来自以下方面：

(1) 高压输电线路

高压输电线路可能对周围事物造成干扰的因素主要包括：
　　
1) 电晕放电：由于导体表面的电位梯度过大，当湿度和气压发生变化时，引起向空气中放电而产生的高频电磁噪声。其频谱在30 MHz 以下。
　　
2) 火花放电：由于线路上局部的绝缘被破坏、绝缘子污秽；金属部件接触不良等而产生的火花放电。其频谱范围可高达百MHz ，其幅度可能远大于电晕放电。

3) 工频磁场：其强度主要取决于导线的载流量。但随距离增大而很快衰减。
　　
4) 地电流：对于交流三相系统不平衡的中线或直流输电线路以地作为回路的情况以及发生事故时，地电流有时颇为可观。若处理不当，会造成地电位急剧上升，从而干扰或损坏设备。
　　
(2) 大功率的整流用户

电力机车以及冶炼、电解工业等大功率的整流用户，由于整流会产生大量对弱电设备和通信线路干扰的高频谐波。
　　
(3) 电力电子系统

电力电子系统在高电压、大电流以及高频化系统的应用愈来愈广，如直流输电的交直流变换系统；有源功率因数补偿电路；变频调整系统；开关电源装置等。
　　
(4) 通信信息设备和工业自动控制系统
　　
随着通信设备、嵌入式微机以及计算机、信息设备等设备在电力中的大量应用，如变电站内的通信、自动化和继电保护等系统。一方面，它们处在电力的高压大电流电磁场的环境下，很容易受到各种电磁干扰；另一方面，它们又是骚扰源，如变电站中无线通信设备的不当使用会造成继电保护设备的误动。

电磁干扰传播方式和途径

电磁干扰的传播方式有传导、耦合和辐射。一般有下列几种传播途径：
　　
(1) 辐射耦合：当干扰源的频率很高时，就会引起电磁场的辐射。这种骚扰，对于电子信号控制系统，影响较大。
　　
(2) 容性耦合：电容耦合是通过两导体之间分布电容传递的，最为典型的是高压输电线与通信线平行接近的情况。这种耦合只发生在二者之间电气距离较近的场合，随着距离的增加，其影响将逐渐减小。
　　
(3) 感性耦合：当干扰源的电流很大，电流在空间产生交变磁场，这个磁场在被干扰回路中产生感应电动势，使被干扰线中产生电磁干扰。
必须指出感性耦合的互感，随着干扰源回路与被干扰回路之间距离增加而减小得非常缓慢，所以电磁感应的干扰源可以影响到距本身较远的电子系统。
　　
(4) 阻性耦合：大地是天然的接地体，其中充满着各种频率的杂散电流。而许多电子和电气设备都与大地连接。因此，杂散电流就会沿着接地线进入电子设备或电气设备传播电磁噪声，形成电磁干扰。

当中性点接地变电站发生单相接地时，强大的短路电流会引起变电站地电位升高。此时，只要电子设备和电气设备接地，就给这些大地中的杂散电噪声(电位差)提供了侵入的通道，特别是高频干扰噪声，更容易四处传播。
　　
减少电磁干扰的主要措施

减少电磁干扰的方法则是针对干扰的三要素，从抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高干扰受体的抗干扰能力出发，采取各种措施，主要有屏蔽、滤波和接地。
　　
(1) 屏蔽

屏蔽是利用屏蔽材料阻止或减少电磁能量在空间传输造成干扰影响的一种措施。通过屏蔽，干扰的能量能得到有效的削减。它可以广泛应用于减小干扰三要素的各个方面。屏蔽效果与屏蔽材料的电导率、磁导率、屏蔽体的结构、干扰源距离、干扰场的性质(电场或磁场)
以及频率等因素有关。
　　
对于磁场屏蔽，穿过屏蔽材料的衰耗起主要作用，它与材料的特性、厚度直接相关，铁磁材料的屏蔽效果较好。
　　
(2) 滤波

滤波是在频域上处理电磁兼容问题的手段。通过滤波，可以抑制传导电磁骚扰。滤波器按其处理信号的类别，可以分为信号选择滤波器与电磁骚扰抑制滤波器两类。信号选择滤波器主要作用是，选出我们所需频率的信号。
　　
电磁骚扰抑制滤波器，就是在该滤波器内通过有用的频率信号。而高过和/ 或低于这些频率的信号予以抑制或阻塞。常见的有电源线滤波器、信号线控制滤波器等低通滤波器。
　　
(3) 接地

接地的概念比较广泛，它既是抗干扰的措施，也是安全的重要措施。正确的接地既能抑制外部电磁干扰的影响，又能防止电子电气设备向外部发射电磁波；而错误的接地常常会引入非常严重的干扰，甚至会使电子电气设备无法正常工作。
　　
狭义上讲，接地就是将设备与大地连接，将干扰电流导入地中(前述屏蔽、滤波都必需良好接地，若不接地，就不起作用，也就谈不上屏蔽和滤波) 。广义上讲，接地包含设备中建立基准电位的概念，是电路系统中的等电位点或等电位面。
　　
接地的主要目的是：

1) 与大地之间建立低阻抗通路，使大电流(如雷击电流) 等直接流入大地，不影响电路、设备的正常工作和人身的安全；
　　
2) 建立设备的外壳与零电位之间的低阻抗，当设备存在漏电流时，不致危及人身安全；
　　
3) 防止静电电荷的积累；
　　
4) 在电路中或设备内建立一个公共的等电位点(或面) ，以便有一个共同的参考电位；
　　
5) 电路(直流、低频或高频电流) 都需要经过地线形成回路。良好的接地设计可使流过地线的各个电流互不影响，或其影响可被抑制。
　　
(4) 其他措施

抗干扰除了上述屏蔽、滤波、接地等主要措施外，还有：隔离，用来防止初级回路对地间的干扰信号传递至次级回路；均压，均衡使用面积内各点之间的电位差；合理布线，除所有的连接线(信号线、电源线及接地线等) 均带屏蔽层外，还应将逻辑信号线通道和接地线间环路面积缩到最小，以降低感性耦合的磁通量；平行敷设导线应注意导线几何空间的对称度，以减小对电磁干扰的敏感度等。
　　
电力通信设备的抗干扰措施

电力系统中的通信设备(其实包含所有的电子设备) ，特别是变电站内的设备，处在一个十分恶劣的电磁环境中，所有的带电设备均是干扰(骚扰)源，任何一根载流的导线就是一个辐射源。因此更应该考虑抗干扰措施。
　　
(1) 设备的电磁兼容性要求

设备是电磁骚扰的源又是受体，其本身的电磁兼容性是最重要的因素。根据兼容性定义，它包含两方面内容，就是如何提高设备的抗扰度和防止电磁泄漏。
　　
对于使用者来说，则要注意在设备的选型时，一定要关心设备的电磁兼容性能。
　　
目前与EMC 有关的国际组织很多，最主要的是IEC。IEC 中和EMC 关系密切的是TC - 77 和CIS2PR。TC - 77主要研究低压网络中电气设备之间的电磁兼容性的有关标准及法规。CISPR是为了研究防止广播接收、通信等受电气设备的干扰而设立的机构，主要研究统一的测试方法，并对各种电气设备提出电磁干扰限值的建议。国内的很多标准都是参照他们的标准制定的。
　　
在通信设备选购时，包括通信用开关电源和不间断电源(UPS) ，要把电磁兼容性指标作为一个必不可少的指标，注意采用满足上述标准的设备。
　　
(2) 设备的抗干扰措施

设备选定之后，如何在当前的环境中正确地安装和使用则是下一个需要解决的问题。
　　
设备的抗干扰措施，首先要考虑屏蔽。重要的通信机房本身应有屏蔽层，以减少空中辐射耦合的骚扰；其次是采用直流开关电源和UPS，以隔离电源传来的交流干扰信号。从实际的观点出发，最重要的是接地问题。
　　
目前，通信设备采用的接地方式：

1) 单点接地

单点接地是将各个设备的“地”共同汇结于一块汇流板或一根汇流母线上，再由接地引线与地网连接。单点接地可以使所有设备都以一点作为参考点，有稳定的电位，可以消除因地网电位差而导致各种环流对设备造成的干扰。
　　
2) 多点接地

多点接地是将系统中的各个接地点直接接到距它最近的地网导体上，如图2所示。多点接地系统比较简单，可减少接地引线上可能出现的高频驻波现象。但多点接地会使设备之间出现地线回路、地网电位差，从而可能产生环流对设备造成干扰。
　　
3) 共用接地

共用接地指变电站内的通信系统接地与站内的接地网联接在一起。其主要特点是有同一的基准电位。一旦电网发生故障时，地电位同时升高，不会在设备上造成较大的电位差，有利于人身及设备的安全。共地式的主要问题是在正常或事故情况下，电力系统各种强电扰动地电流的影响。

4) 分开接地

分开接地是指除防雷保护和变电站共用一个地网外，通信等电子设备的接地全部联接到专门敷设的接地网上。这种接地方式，由于弱电与强电的接地完全分开，可以较好地解决电导耦合的干扰。但在信号线联接上应注意，在电网故障时电位引击和低电位引入问题。专门接地有两种敷设方式：一种是在离变电站主接地网较远的地方敷设接地网，用高压绝缘电线把计算机房内接地母线与专门接地网联结起来。其主要问题是低电位引入。这种接地方式对变电站改建时比较适用。另一种是在变电站主接地网内敷设，其边线离主接地网边缘大于5 m。这种方式接地电阻值很难达到理想水平，优点是故障时，接地网与主网的电位差不大，可以大大减少两者之间的干扰。对于新建变电站，可以考虑采用。
　　
(3) 联接线的抗干扰措施

联接线连接设备、用户和电源，是通信系统不可缺少的组成部分。叠加在它上面的电磁干扰信号，将直接传导至设备内部，造成对正常工作的各种干扰甚至损坏设备。
　　
联接线的抗干扰措施主要采用屏蔽、接地和隔离以及合理的布线等。注意以下几个方面的问题：

1) 采用双绞线电缆

对于通信专业，双绞线电缆是最常用的电缆。对于其他专业，则不尽然。而变电站内，通信设备到其他专业专用设备的电缆往往由其他专业负责设计并施工，则常常忽略这个问题。引起设备工作不正常。事实上，双绞线电缆利用线对的绞合改善两根导线对干扰源的平衡度，减小静电耦合和电磁感应在导线间产生的电磁干扰。是良好的二次信号电缆。

2) 电缆外皮和备用芯的接地

电缆外皮接地的作用大家都知道，但备用芯的接地常常忽略。实验证明，在变电站内，塑料电缆的备用芯接地可将感应电压降至30 %～40 %左右。
　　
3) 不同电平信号的电缆分开

电缆中一个芯线的暂态信号可以通过芯线间的电容或电感耦合到另一根芯线上。此时，无论是将电缆外皮或备用芯线接地都不能有效地削弱这种干扰。有效的方法是将不同类别电路的导线，分别置于不同的电缆中。
　　
4) 尽量利用电缆沟

位于地面以下的电缆沟一般接近接地网的导体或在电缆沟内有接地导线，是天然的屏蔽场所。通信电缆应尽可能在电缆沟内走线。
　　
5) 通信(二次) 电缆的走向

变电站内的电磁场分布十分复杂，因此通信电缆在变电站内的走向要成辐射状，避免形成环路。
　　
6) 通信(二次) 电缆的位置

变电站内的高压母线是强干扰源，暂态电流的入地点如避雷器、避雷针的接地点有较大的高频暂态电流通过，将引起接地点附近的地电位升高。所以，通信电缆布放应尽可能远离上述地点，并尽量减少和母线的平行长度。
　　
7) 采用信号隔离

对于无法采用上述措施或采用之后仍有较大干扰；或者传输的信号十分重要(如继电保护信号) ，对抗干扰能力要求很高，可以采用隔离设备进行隔离。常用的隔离设备是隔离变压器。对于弱电信号，可采用光电隔离，隔离效果更好。
　　
结束语

电磁兼容问题是一个非常复杂的问题，本文就电力通信中存在的电磁兼容问题和应采取的措施进行简要的叙述和分析。