供热行业热力站内电气设备电磁干扰屏蔽、隔离防范措施概述 [复制链接]

本文针对供热行业热力站内的电磁干扰现象，结合电磁干扰产生的机理和对信息系统产生干扰的途径，分析热力站电气设备在正常运行环境下电磁干扰产生的原因，提出降低站内电磁强度的屏蔽、隔离措施和提高设备抗干扰能力的方案。

1前言

随着现代化城市建设及人民生活水平的不断提高，对供热的效果要求更加严格，对系统运行的经济性、安全性和可靠性的要求也越来越高，诸如交流电动机变频调速技术、以计算机控制和网络技术、现代通讯技术、现代测控技术相结合的远程自动化控制技术在供热系统中不断应用。图一是典型间供热力站的自动化系统。

很多情况下由于热力站机房建筑面积的限制，设备布置比较紧密，强、弱电设备和线缆交错布置，导致电磁环境恶化。所谓电磁环境，就是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。自动化系统内部各个子系统都为低电平的弱电系统，它们在电磁干扰极其严重的场所，很容易受到这些电磁的干扰而不能正常工作，影响自动化系统运行的稳定性，使其不能发挥自身作用，甚至影响供热系统的安全和经济运行。所以，提高热力站电磁兼容能力，防范电磁干扰，有着非常重要的意义。

2热力站内电磁干扰来源、传输途径和信号模式

2.1电磁干扰的来源

热力站的电磁干扰存在外部干扰和内部干扰两个方面，外部干扰包括了变频器等电气设备及其电缆等向周围空间辐射电磁波。内部干扰是由自动化系统的结构和生产工艺等决定的。当前，变频器在供热系统中的广泛应用使之成为热力站中主要的、较强能量干扰源。变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。如果电源侧电抗充分小、换流重叠角可以忽略，那么n次高次谐波电流为基波电流的1/n。在逆变输出回路中，输出电流信号是由PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2-3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达20kHz。当然，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。使变频器电源和负荷侧都存在着强大的电磁干扰源。不论是内部还是外部干扰，它们都具有相同的物理特性，消除和抑制的措施基本是相同的。

2.2电磁干扰的传输途径

电磁干扰按传输途径可分为两大类：传导干扰和辐射干扰。传导干扰是通过干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗进行传播的，辐射干扰是通过电磁波进行传播的。两者之间会相互转换，辐射干扰经过导线可转换成传导干扰，传导干扰又可通过导线形成辐射干扰。

热力站动力系统和自动化控制系统在同一电源和接地系统条件下时，电磁干扰会通过电源和接地传导侵入控制系统;运行中的变频器、电力电线缆都会向空间释放电磁波，这些电磁波以不同形式为弱电设备所接收，对其形成干扰。

2.3电磁干扰的信号模式

电磁干扰信号按其出现的方式，可分成两种模式：差模干扰和共模干扰。以串联的方式出现在信号源回路之中的干扰信号称为差模干扰，

主要是由线路传输的互感耦合所致。而共模干扰则是由网络对地电位发生变化而引起的干扰，共模干扰有时也称为对地干扰，它是造成自动化装置等弱电系统不能正常工作的主要原因。

3热力站内的电磁兼容

根据国际电工委员会标准IEC对电磁兼容(EMC)的定义：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。热力站自动化系统以微机、集成电路和电子元件为主要部件，配合以温度、压力、流量测量设备和阀门驱动装置，属于电磁敏感设备，而大功率变频装置等在有限空间会产生较强电磁干扰。解决其电磁兼容的途径，在不能避免变频器这一较强干扰源的情况下，主要应当从屏蔽干扰源和提高抗电磁干扰的能力入手。

4热力站抗电磁干扰的措施

按电磁兼容的原理和标准进行设计、依照相关规范进行施工是预防出现电磁干扰的一个基本要求。变频器造成的电压畸变率与电源系统短路容量直接相关，当系统短路容量小，系统电压受变频器影响畸变程度大，谐波含量就会高。当变频器容量大于电源变压器容量的10%，且输出线路长度大于100m时，就应当注意电磁干扰，采取必要措施加以防范。设计阶段就应对此加以重视，在可能产生较大电磁干扰的站增加改善电磁环境的措施，避免出现电磁干扰后的排查、整改。但热力站内电磁环境复杂多变，要真正达到经济上和技术上的电磁兼容，保证自动化控制设备运行的可靠性，必须根据具体情况，灵活运用各种技术和措施。

消除或抑制电磁干扰可针对电磁干扰的三要素来进行。电磁干扰三要素：干扰源、传播途径和电磁敏感设备。我们可在系统的硬件和软件方面采取一些必要的措施，以期消除或抑制电磁干扰。下面就硬件方面分析一下热力站自动化系统的抗电磁干扰措施。

4.1屏蔽和隔离

针对变频器谐波的电磁辐射，在设备布置上应使变频器集中安装的马达控制中心柜(MCC)和电磁敏感设备如远程控制单元柜(RTU)、仪表等保持一定的距离，使到达这些设备的由变频器释放到空间的干扰能量尽可能地得到衰减。在电缆通道的布置上，应考虑强、弱电隔离，以减少互感耦合，避免干扰由互感耦合侵入。具体做法可根据热力站内设备布置情况，采用动力电缆钢制电缆桥架架空敷设，信号电缆塑料线槽沿墙敷设的方式。动力电缆应主要考虑减少长度，控制电缆应考虑远离干扰源，尽量增大与电力电缆的距离，尽可能减少平行布设长度，避免动力电缆通道和控制电缆通道的混用，强、弱信号不应使用同一根电缆。为屏蔽低频电磁辐射，热力站MCC和RTU柜体及动力电缆桥架应采用低碳钢板制作，柜体结构以连续的焊接为好，尽量减小以至消除缝隙，散热孔须覆盖金属网，并且金属网与柜体的结合须为焊接。柜门与柜体结合面处应有导电橡胶的衬垫或者金属弹片系统，保证柜门与柜体良好的电气接触。电缆进出柜体的孔洞也要由导电橡胶的密封垫填充。为避免缝隙保证屏蔽效果电缆桥架宜采用槽式。电缆桥架安装直接进入MCC柜，保证电缆不外露。电缆出桥架后穿钢制电缆保护管，电缆管与桥架焊接，电缆桥架终端也要做钢板封堵。

变频器电源侧和负荷侧动力电缆应选用带有屏蔽或铠装的动力电缆，如有条件最好选用变频器专用电缆，可以较好地屏蔽谐波的干扰。信号电缆宜选用分屏的计算机电缆。在设计时，多芯电缆为增加屏蔽效果，可以考虑留有一条备用芯作为屏蔽芯，施工中将其一端接地，可以增强信号回路的抗干扰能力。

热力站的自动化控制系统所采集的模拟量和开关量，其信号源及在电缆传输过程中也许会受到干扰，如果进入计算机控制系统，会造成更为严重的影响。因此，在信号送入控制系统前应采取必要的隔离。在各个过程环路中可以选用PLC或控制器的隔离卡件，也可以用信号隔离器来实现。

4.2接地

在这里，接地在具有安全意义的同时，对弱电信号回路的电磁兼容也会有重要影响。如果接地合适，可以减少站内的高频瞬变电压幅值，特别是减少电路中各点的瞬变电位差，减低电气系统中的瞬变电位升高。这对控制设备的电磁兼容很有好处。

对于TN-C供电系统，电源进户后PEN线应做重复接地，接地后工作地N线和保护地PE线分开使用，站内不得再汇合;电源为TN-S系统，为减小接地电阻、增强抗干扰能力，电源进户后保护地PE还应做重复接地。因此，新建站应考虑安装独立的接地网。当然，也可以利用建筑物内的水管、采暖和空调管道等金属管道、条件许可的建筑物金属构件等自然接地体。由于接地网接地电阻越小实现成本会越高，结合用电安全和计算机场地通用规范的要求，热力站接地网接地电阻宜定为4Ω比较合适，但是要避免接入防雷装置的引下线或与其并行。

在工程实践中，热力站有必要完善等电位接地系统，等电位连接来源于用电安全和防雷，但是对于减小干扰保护控制系统设备也会起到重要作用。根据相关规范和热力站的实际情况，可采用以下等电位接地方案：设置站内总等电位联接(MEB)和MCC、RTU柜内设置等电位联接端子。MEB导体采用截面积不小于50mm2热镀锌扁钢或扁铜制作，环绕热力站墙壁一周或直接引至电气设备集中安装的地点，路径应尽量接近MCC、RTU等电气装置，使这些装置接地线尽量的短。MEB应有不少于两点与接地网(体)的连接。

在MCC、RTU柜内，本柜内电气元件外壳、电缆屏蔽层和通过电缆引入的现场设备的接地点统一接入等

电位联接端子。MCC、RTU内设备以及现场电气、仪表等元件的所有金属组件在安装时应保证除等电位连接点外，还应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘(>10kV1.2/50μs)。现场检测元件接地电线可单独敷设或利用单独的电缆线芯。这样，接地线与信号线在线槽内平行敷设有利于避免产生感应环路，增强防抗干扰能力。装置内等电位联接端子统一就近接至MEB导体。可靠的接地为计算机控制系统提供一个等电位基准点，可减少高频信号的偏离。

由于一般热力站面积不会很大，接地回路长度有限，采用这种单点接地的等电位连接网络，可以有效避免低频电流进入，又可使高频信号也能得到一个低阻抗网络，对高低频电磁场都会起到衰减的作用，从而在干扰源邻近区使初始磁场减弱、又可使敏感设备得到屏蔽。

4.3自动化系统电源的抗干扰

电磁干扰可能进入自动化控制系统的一个重要途径是通过微机电源。热力站多数为单电源接入，自动化系统与动力系统共用电源，控制系统电源与干扰源的联系紧密，容易受到传导和辐射干扰侵袭，因此来自电源的干扰很容易引起死机，必须采用比其它回路更多抗电磁干扰措施。

实践中，多采用微机电源地线和机壳不连接，它的优点是：由于干扰造成的流过电源的浪涌电流可大大减少，从而增加了抗共模干扰的能力，可明显地提高系统的安全性和可靠性。而缺点是：在电磁干扰下，对地电压降在微机电源和机壳之间浮动，如果微机系统中某一关键部分对机壳的耦合电容较大，则可能引起逻辑判断出错。针对电源地线与机壳不连接的缺点，我们可采用一些方法来尽量减少微机电源地线对机壳的耦合：①尽量减少地线长度，在允许的情况下加粗线径;②自动化系统的印刷电路板周围都用电源线封闭起来;③印刷电路板上的要害部分不要走线过长，特别是不要引至面板。

5结束语

随着供热事业的不断发展，将会对热网的自动化功能和性能提出更高的要求。选用绿色环保的变频装置、选用经过严格电磁兼容测试的自动化设备，以及设备开发企业不断应用新技术、使用新型的抗电磁干扰材料、提高电子元件自身的抗电磁干扰能力，对提高自动化控制系统的稳定性都具有十分重要的意义。

文章出自: 世科网