浅述变电站的电磁兼容设计

摘 要：本文首先对电磁兼容学科做了基本的介绍，然后对变电站的电磁兼容设计问题进行了浅述，分析了变电站中的电磁干扰源，论述了几种工程中常用的变电站的电磁兼容设计方法，重点论述了屏蔽与接地技术的设计与应用。

关键词：电磁兼容 二次设备 电磁抗干扰 屏蔽 接地

1 引 言

20世纪40年代，电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）的概念被提出并形成了一门新兴的学科——电磁兼容。IEEE 学报（Transaction）的“射频干扰（Radio Frequency Interference，RFI）”分册于1964年改名为“电磁兼容”（EMC）分册，可以此作为电磁兼容学科形成的标志。

按GB/T4365，电磁兼容技术的定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作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”。不同的人有不同的见解，如北京交通大学的张林昌老师认为，“电磁兼容是研究在有限的空间、时间、频谱资源条件下，各种用

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电设备（广义的还包括生物体）可以共存，并不致引起降级的一门科学。”，这个定义可能更为深刻地解释了电磁兼容的本质。

电磁兼容的研究范围很宽。目前对其展开的研究包括理论性的与技术性的内容，大致可以分为以下五个方面：（1）电磁骚扰源的研究（2）电磁干扰的传播特性研究（3）干扰接收器的抗干扰性能的研究（4）测试设备、测量方法与统计方法的研究（5）电磁兼容分析、

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预测与电磁兼容设计。

2 变电站里的电磁干扰源

2.1 变电站的电磁兼容设计思路

一般来说，电磁干扰形成途径为：干扰源—耦合通道—电磁敏感设备。要做好电磁兼容，就是要防止电磁干扰的形成，故而一般要从这个途径入手进行电磁兼容的设计。

通常人们都希望能从电磁骚扰源着手，尽可能地消除电磁骚扰源，至少希望能够尽可能多地掌握装置所处环境中的电磁骚扰的情况，达到解决电磁兼容问题的目的，但是，完全通过切断骚扰源以及其与敏感设备的耦合途径以消除被干扰设备的电磁干扰是不可能的，还必须通过对敏感设备进行正确的接地、屏蔽、隔离等措施加以保护，使之不受干扰或者所受到

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的干扰处在允许范围内。

计算机、电子设备在变电站中的广泛使用极大地增强了电力系统的自动化水平，方便了电力系统的运行和维护，但与电磁设备相比，其抗干扰能力又有显著下降。这就使得变电站

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二次回路抗干扰问题变得越来越突出。

实际工程中，强电磁场的产生者主要是一次设备，其辐射的强电磁场是二次设备受到干扰的主要来源。变电站的电磁兼容设计主要是研究以微机、集成电路和电子器件为主要部件的变电站综合自动化系统内部各个子系统。它们属于变电站的二次设备，也是电磁敏感设备，且都为低电平的弱电系统，做好二次设备的电磁兼容工作是变电站的电磁兼容性设计的主要任务。

一个变电站电力系统的一次、二次系统是一个整体，它们既密切相关，又互相影响。干

扰源的能量通过各种途径以传导或辐射方式耦合至变电站的一次系统和二次回路，表现为在

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电力线、信号线、控制回路和自动化系统上的干扰电压和干扰电流水平或电场和磁场水平。

只有综合分析设计，充分考虑一次、二次设备的特性做好变电站的电磁兼容设计，才能维护一个变电站电力系统的正常运行。 2.2 变电站中二次设备的电磁干扰源

变电站中二次设备所受到的电磁干扰主要来源于以下几个方面：高压开关操作、运行中的电力设备、雷电、辐射电磁场、低频骚扰问题、短路电流、二次回路、局部放电、步话机

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和通信设备、静电放电问题等。

总结起来，变电站中二次设备所受到的电磁干扰，按类型可以分为辐射电磁干扰（高、中、低压电网的操作干扰和雷电）、传导干扰（高、中、低压电网的操作干扰）及静电干扰

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（静电放电干扰），如下图所示：

图2 变电站中主要干扰示意图

图中：（1） 闪电冲击干扰（2）高压电网的操作干扰（3）中压电网的操作干扰（4）低压电网的操作干扰（5）外部射频干扰（6）射频干扰（7） 静电放电干扰（8）高频开关电源所产生的干扰

几种类型的电磁干扰简单论述如下： a.辐射干扰

在变电站中高压开关操作伴有电弧重燃，并且由每一次发弧或断弧所激发的过渡过程在高压母线上产生暂态电压和电流，两者均会以辐射的形式在变电所中产生暂态电磁干扰。雷电波也有类似的情况。当雷电发生后，安装在变电所中的避雷针进行保护，此时大的耦合电流通过电缆传入接地网，在导线上产生很大的暂态电流和电压，两者同样会以辐射的形式在变电站中产生暂态电磁干扰。

b.传导干扰 在变电站中，高压母线上的暂态过程会通过暂态电磁场、静电和电磁感应耦合等形式对

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二次电缆产生辐射干扰。

3 变电站中的电磁抗干扰设计

在变电站的实际设计中，通常采用屏蔽、接地、隔离、干扰抑制滤波技术、雷电过电压保护措施、减少强电回路的感应耦合、提高二次设备的抗干扰能力等技术进行二次设备的电

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磁抗干扰设计，本文主要针对隔离、接地技术进行简单的论述。 3.1 隔离技术

采取良好的隔离和接地措施，可以减小干扰传导侵入。一般情况下变电站中行之有效的隔离措施有：

①通过使采集到的模拟量经过设置在自动化系统中的各种交流输入回路中的隔离变压

器进行模拟量的隔离。

②通过光电耦合器隔离或继电器触点进行开关量输入、输出的隔离。

③其他隔离措施，如二次回路布线时，考虑隔离以减少互感耦合；强、弱信号不使用同一根电缆，信号电缆尽可能避开电力电缆；增大与电力电缆的距离，并尽量减少其平行长度；

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二次设备配线注意避免各回路的相互感应等方面。 3.2 屏蔽技术

变电站中的屏蔽主要用以切断电磁干扰的传播途径。

屏蔽方式及主要作用包括（1）静电屏蔽——主要作用是消除容性耦合，适用于防治静电场和恒定磁场的影响；（2）磁屏蔽——其作用是抑制感性耦合，适用于对静态场和低频磁场的屏蔽；（3）电磁屏蔽（辐射电磁场屏蔽）——主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响，其屏蔽的作用是由于金属屏蔽体对入射电磁波的反射损耗和吸收损耗

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而产生的。

工程中常用的的屏蔽措施主要有： 1、一次设备与自动化系统输入、输出的连接采用带有金属外皮（屏蔽层）的控制电缆，电缆的屏蔽层两端接地，对电场耦合和磁耦合都有显著的削弱作用。

2、二次设备内，在综合自动化系统中的测量和微机保护或自控装置所采用的各类中间互感器的一、二次绕组之间加设屏蔽层，这样可起电场屏蔽作用，防止高频干扰信号通过分布电容进入自动化系统的相应部件。

3、机箱或机柜的输入端子上对地接一个耐高压的小电容，可抑制外部高频干扰。由于干扰都是通过端子串入的，当高频干扰到达端子时，通过电容对地短路，避免了高频干扰进入自动化系统内部。

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4、变电站综合自动化系统的机柜和机箱采用铁质材料，本身也是一种屏蔽。 3.3 接地技术

变电站中的接地主要包括一次系统的接地与二次系统的接地。

一次系统的接地主要是防雷和安保为目的，同时也起到了一定程度上抑制二次设备外部的电磁干扰传播的作用。在处理一次系统接地时，应注意以下几点：设备接地线要接在地网导体的交叉处；设备接地处要增加接地网络互连线；避雷器、避雷针接地点应采用两根以上

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的接地线和加密接地网络。

二次设备的系统按地接地方式划分主要有浮地方式和直接接地方式。从接地的作用划分，

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接地可分为工作接地和安全接地。

a.安全接地与工作接地

①安全接地主要作用是避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘降低时，遭受触电危险和保证设备的安全。

安全接地是将设备外壳（包括变电站综合自动化系统的各机柜和机箱外壳）接地，以防电击或静电放电。安全接地的接地网，通常就是一次设备的接地网。接地线要尽量短和可靠，以降低可能出现的瞬变过电压。

②工作接地是为了给电子设备或危机控制系统或保护装置一个电位基准，保证其可靠运行，防止地环流引起的干扰，造成不同接地点有电位差。接地线还可以作为各级电路之间信号传输的返回通路。

从电磁兼容的角度，对工作接地要求是：工作接地网（总线）各点电位应一致；多个电路公用接地线时，其阻抗应尽量小；由多个电子器件组成的系统，各电子器件的工作接地应连在一起，通过一点与安全接地网相连。正确的工作接地，对变电站综合自动化系统的安全

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可靠工作来说关系重大，自动化系统属于低频系统，应尽量采用一点接地。 ③将安全接地与设备的工作接地分开是一种有效的方法。但在实际应用中，要做到真正

的分离很难办到，同时很可能会带来一些不安全因素。对于共用接地装置最主要的是应减少地网中的杂散电流或暂态电流对设备的干扰， 因此，工作接地应只通过一点接到地网上，并尽量缩短接地连接线的长度。对于一个系统内的设备由于距离较远，不能共用一个接地网，

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则它们的工作地之间应通过隔离。

b.浮地方式和直接接地

①二次设备的接地变电站的二次设备尤其是微机保护的系统地普遍采用浮空方式。浮地方式，即系统地不接大地任其悬浮的方式，各电子线路的系统地连通，但与大地绝缘。其主要优点是：若浮地系统对地电阻很大,对地分布电容很小，则由外部共模干扰引起的流过电子线路的干扰电流很小。

但此种情况下，浪涌问题的解决是一个难点。浮地方式不能适应复杂的电磁环境。当发生雷击或静电感应时，在控制回路与金属箱体、柜壳之间产生很高的电位差，可能使绝缘薄弱部分击穿，甚至电弧放电，从而损坏设备。

②直接接地方式一般采用一点接地的原则以减少干扰，因为多点接地会将控制室地网电

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位差引入保护，一点接地可以使保护的地电位和地网电位一起浮动。

5 结束语

变电站的电磁兼容设计进行的主要依据是抑制电磁干扰的传播途径，主要使用的措施包括屏蔽、接地、隔离、干扰抑制技术等。

目前变电站的电磁兼容问题已得取得了高度的发展，目现正在运营的变电站电磁兼容设计工作已经能保证变电站的正常抗干扰能力。但其中依然存在一些问题，进一步向更安全、更经济的方向发展是其今后研究工作的方向。

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