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【摘要】首先介绍了干扰的定义、危害、形成、特点以及削弱电磁干扰的重要性,之后对一些电力系统中常用的抑制电磁干扰的方法做了简单分析,重点介绍了接地、屏蔽和隔离三种方法,最后结合电力系统的发展提出了一些看法和新的要求。
【关键词】电磁干扰 接地 屏蔽 隔离
1 干扰
在实际环境中,由于存在着因自然因素或人为因素而产生的电磁能量,如果电子设备在该环境中工作,这些能量就会通过一定的途径进入电路,产生电子设备正常工作所不需要的信号;当然电子设备内部也会产生影响自身正常工作的信号,这类信号统称为电噪声(简称噪声),这些影响电子电路正常工作的噪声即为电磁干扰,简称干扰。
随着电力行业的不断发展,人们生活水平和工业水平的不断提高,对电能质量的要求也逐渐提高。加之近些年来计算机技术的飞速发展,电力系统自动化水平的不断提高,测量技术的逐步精细,对电网造成影响的因素也越来越被我们重视。现在,电磁干扰、谐波、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。
一般情况下,形成电磁干扰的要素有3个:①向外发送干扰的源——噪声源;②传播电磁干扰的途径——噪声的耦合和辐射;③承受电磁干扰的客体——受扰设备。它们的关系如图1所示。
电磁干扰有频率高、幅度大、前沿陡的特点,所以电磁干扰可以顺利通过各种分布电容或分布电感耦合到电子设备中。而在电网中,高压断路器和隔离开关拉合闸产生的电弧、空载母线或线路的投入;并联电容器组、串补电容器和并联电抗器的操作;直流回路的操作;雷击、短路故障、电晕、绝缘子的闪络;控制装置、保护装置、保护装置动作等都将产生干扰,称之为干扰源。
电子电路对干扰很敏感,而干扰是客观存在的,很难完全消除,但它对电力系统的危害极大,可能会引起测量不准、计算机分析因误差而导致误操作、继电保护装置的误动或拒动,严重时甚至会危及电网的正常运行和安全可靠。虽然如此但我们可以通过具体研究及有效的装置将电磁干扰降低到不影响电子设备的正常工作。
2 接地
在电子设备中,正确接地是防止和抑制干扰的重要措施之一。接地的目的就是为了消除各电路电流流经一个公共地线阻抗产生的噪声电压以及避免形成回路。
接地有一点接地、串联接地、多点接地等方式。电子设备中,并不是简单地采用某一种方式的接地,而往往是综合运用下述几种接地方式。
(1)一点接地是将各个电路的地线接在一个点上的接地方式。如图2所示,每一个电路单元都有单独的接地线,各个电路单元在接地线的电阻分量中产生的干扰电压不会干扰其他单元的工作状态。这种方式不适用于高频电路系统,因为工作在高频时高频信号会通过分布电感和分布电容相互间产生干扰。
(2)串联接地是将各电路的地线按顺序接在一条公共地线上的接地方式,如图3所示。串联接地时,各段地线的地电位相差是很大的,因此,电路相互间容易产生干扰。为减小电路间的相互耦合,在使用串联接地时应注意尽量缩短各电路的接地地线,以降低过长的接地线产生的地线干扰,并尽可能加粗地线的直径。
一点接地和串联接地统称为单点接地,它能够消除公共阻抗耦合和低频地环路。每一个电路模块都单独地接到一个单点地上,每一个子单元在同一点与机架相连,地线上其它部分的电流不会耦合进电路。单点接地有一种改进方式,即将具有类似特性的电路连接在一起,然后将每一个公共点连接到单点地,如图4所示。
(3)多点接地是将各电路用最短的导线接到离它最近的镀银地线排上的方式。这种接地方式的地线阻抗极低,在数字系统中常被采用,也适用于高频电路系统。如图5所示。
3 屏蔽
利用金属板、金属网以及金属盒等把电磁场限制在一定范围的空间内,或将电磁场削弱到一定数量级的措施,称为屏蔽。
目前,电磁屏蔽作为抗电磁干扰的主要措施之一,它对保证电子设备在复杂的电磁环境中正常工作,提高电子设备的工作可靠性有着十分重要的意义。电磁屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。常用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散;或用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。图6为电磁屏蔽示意图。
4 隔离
在测控电路系统中,尽管从各方面加以注意,但由于分布参数无法完全控制,常常会形成寄生环路引起的电磁耦合干扰。为此,在有些情况下要采取隔离措施,以切断可能形成的回路,提高电路系统的抗干扰性能。
正常情况下,对输入装置的交流量应通过隔离后才能引入装置。采用隔离法可使两个电子电路系统或同一个电子电路系统的两部分电路互相独立、不成回路,这样,便切断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。常用的隔离方法有:用光电耦合器件隔离、用继电器隔离、用变压器隔离等。
5 滤波和去耦
在电子设备中,有相当一部分噪声是来自直流电源的。如供电电网某一处跳闸或某一处接通或断开大功率负荷等,都会造成电网电压的波动,这时,在电源线上形成了圈套的噪声电压,它通过电子设备的电源和地线而影响电路的正常工作。因此,必须采用滤波和去耦的方法来削弱外部噪声的干扰。
为了抑制来自电网的高频噪声,常在直流电源变压器的初级的前面接入线路滤波器,并且将线路滤波器置于屏蔽罩内,这样就能极大地削弱来自电网的高频噪声。
而对很多其他干扰,光使用滤波的方法是不够的,还可以配合去耦电路来使用,这里就不详细说明了。
6 结束语
以上我们只是简单地列举一些常用的抑制电磁干扰的措施,还有很多其他的方法也可以有效地抑制电磁干扰如脉冲吸收技术、回避和疏导技术等。电力系统不可能只单一地使用一种方式来削弱电磁干扰,并且用几种方法的削弱效果比用仅仅只用一种的效果要好,这就要求我们能熟练地掌握几种方法的原理和特点,积累实践经验,尽可能地保障电力系统的安全稳定运行。
近些年来,随着电力系统的不断发展,电磁干扰复杂性的提高,在积极研究各种方法减小电磁干扰的同时我们也应该着力考虑如何能提高设备的电磁兼容能力。这也为我们新一代电气人提出了新的要求。我们只有不断求知,不断探索,不断进步才能为我们将来能有个更加精密稳定灵敏的测量控制系统。
【关键词】电磁干扰 接地 屏蔽 隔离
1 干扰
在实际环境中,由于存在着因自然因素或人为因素而产生的电磁能量,如果电子设备在该环境中工作,这些能量就会通过一定的途径进入电路,产生电子设备正常工作所不需要的信号;当然电子设备内部也会产生影响自身正常工作的信号,这类信号统称为电噪声(简称噪声),这些影响电子电路正常工作的噪声即为电磁干扰,简称干扰。
随着电力行业的不断发展,人们生活水平和工业水平的不断提高,对电能质量的要求也逐渐提高。加之近些年来计算机技术的飞速发展,电力系统自动化水平的不断提高,测量技术的逐步精细,对电网造成影响的因素也越来越被我们重视。现在,电磁干扰、谐波、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。
一般情况下,形成电磁干扰的要素有3个:①向外发送干扰的源——噪声源;②传播电磁干扰的途径——噪声的耦合和辐射;③承受电磁干扰的客体——受扰设备。它们的关系如图1所示。
电磁干扰有频率高、幅度大、前沿陡的特点,所以电磁干扰可以顺利通过各种分布电容或分布电感耦合到电子设备中。而在电网中,高压断路器和隔离开关拉合闸产生的电弧、空载母线或线路的投入;并联电容器组、串补电容器和并联电抗器的操作;直流回路的操作;雷击、短路故障、电晕、绝缘子的闪络;控制装置、保护装置、保护装置动作等都将产生干扰,称之为干扰源。
电子电路对干扰很敏感,而干扰是客观存在的,很难完全消除,但它对电力系统的危害极大,可能会引起测量不准、计算机分析因误差而导致误操作、继电保护装置的误动或拒动,严重时甚至会危及电网的正常运行和安全可靠。虽然如此但我们可以通过具体研究及有效的装置将电磁干扰降低到不影响电子设备的正常工作。
2 接地
在电子设备中,正确接地是防止和抑制干扰的重要措施之一。接地的目的就是为了消除各电路电流流经一个公共地线阻抗产生的噪声电压以及避免形成回路。
接地有一点接地、串联接地、多点接地等方式。电子设备中,并不是简单地采用某一种方式的接地,而往往是综合运用下述几种接地方式。
(1)一点接地是将各个电路的地线接在一个点上的接地方式。如图2所示,每一个电路单元都有单独的接地线,各个电路单元在接地线的电阻分量中产生的干扰电压不会干扰其他单元的工作状态。这种方式不适用于高频电路系统,因为工作在高频时高频信号会通过分布电感和分布电容相互间产生干扰。
(2)串联接地是将各电路的地线按顺序接在一条公共地线上的接地方式,如图3所示。串联接地时,各段地线的地电位相差是很大的,因此,电路相互间容易产生干扰。为减小电路间的相互耦合,在使用串联接地时应注意尽量缩短各电路的接地地线,以降低过长的接地线产生的地线干扰,并尽可能加粗地线的直径。
一点接地和串联接地统称为单点接地,它能够消除公共阻抗耦合和低频地环路。每一个电路模块都单独地接到一个单点地上,每一个子单元在同一点与机架相连,地线上其它部分的电流不会耦合进电路。单点接地有一种改进方式,即将具有类似特性的电路连接在一起,然后将每一个公共点连接到单点地,如图4所示。
(3)多点接地是将各电路用最短的导线接到离它最近的镀银地线排上的方式。这种接地方式的地线阻抗极低,在数字系统中常被采用,也适用于高频电路系统。如图5所示。
3 屏蔽
利用金属板、金属网以及金属盒等把电磁场限制在一定范围的空间内,或将电磁场削弱到一定数量级的措施,称为屏蔽。
目前,电磁屏蔽作为抗电磁干扰的主要措施之一,它对保证电子设备在复杂的电磁环境中正常工作,提高电子设备的工作可靠性有着十分重要的意义。电磁屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。常用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散;或用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。图6为电磁屏蔽示意图。
4 隔离
在测控电路系统中,尽管从各方面加以注意,但由于分布参数无法完全控制,常常会形成寄生环路引起的电磁耦合干扰。为此,在有些情况下要采取隔离措施,以切断可能形成的回路,提高电路系统的抗干扰性能。
正常情况下,对输入装置的交流量应通过隔离后才能引入装置。采用隔离法可使两个电子电路系统或同一个电子电路系统的两部分电路互相独立、不成回路,这样,便切断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。常用的隔离方法有:用光电耦合器件隔离、用继电器隔离、用变压器隔离等。
5 滤波和去耦
在电子设备中,有相当一部分噪声是来自直流电源的。如供电电网某一处跳闸或某一处接通或断开大功率负荷等,都会造成电网电压的波动,这时,在电源线上形成了圈套的噪声电压,它通过电子设备的电源和地线而影响电路的正常工作。因此,必须采用滤波和去耦的方法来削弱外部噪声的干扰。
为了抑制来自电网的高频噪声,常在直流电源变压器的初级的前面接入线路滤波器,并且将线路滤波器置于屏蔽罩内,这样就能极大地削弱来自电网的高频噪声。
而对很多其他干扰,光使用滤波的方法是不够的,还可以配合去耦电路来使用,这里就不详细说明了。
6 结束语
以上我们只是简单地列举一些常用的抑制电磁干扰的措施,还有很多其他的方法也可以有效地抑制电磁干扰如脉冲吸收技术、回避和疏导技术等。电力系统不可能只单一地使用一种方式来削弱电磁干扰,并且用几种方法的削弱效果比用仅仅只用一种的效果要好,这就要求我们能熟练地掌握几种方法的原理和特点,积累实践经验,尽可能地保障电力系统的安全稳定运行。
近些年来,随着电力系统的不断发展,电磁干扰复杂性的提高,在积极研究各种方法减小电磁干扰的同时我们也应该着力考虑如何能提高设备的电磁兼容能力。这也为我们新一代电气人提出了新的要求。我们只有不断求知,不断探索,不断进步才能为我们将来能有个更加精密稳定灵敏的测量控制系统。