（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）數(shù)字化繼電保護裝置電磁兼容研究.pdf

s u b j e c t r e s e a r c ho nt h ee m c o fd e t a i lm i c r oc o m p u t e r b a s e dr e l a y p r o t e c t i o n s p e c i a l t y p o w e rs y s t e m a u t o m a t i o n n a m e s uh u i f e n g i n s t r u c t o r y u nb a o j i f uz h o u x i n g a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e s i g n a t u r e r e l a yp r o t e c t i o nd e v i c ei so n eo ft h ei m p o r t a n ts e c o n d a r ye q u i p m e n t so fp o w e rp l a n ta n d s u b s t a t i o n t h ed e g r e eo fr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fp o w e r 鰣da n dt h es a f e t yo ft h eo t h e rp r i m a r ye q u i p m e n t s w h e t h e rm i s o p e r a t i o no rm i s s t r i po c c u r s t op r o t e c t i o nd e v i c eb o ml e a dt os e r i o u sa c c i d e n ta n de c o n o m i cl o s s d i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o n d e v i c ew h i c hi so n ek i n do fd i g i t a le l e c t r o n i ce q u i p m e n th a sh i g h s e n s i t i v i t ya n dg r e a t c a p a b i l i t yo fw e a ks i g n a lr e c e i v i n g b u ta tt h es a m et i m e r e l a yp r o t e c t i o nd e v i c eh a v et h e c u r r e n tt ob ep l a c e dt h el o c a l ea n dd i s t r i b u t i n gi n s t a l l e dd i s p e r s e d l y w h i c hw o r s e n e dt h e e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t t h e r e f o r e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c h a sa r o u s e d m o r ea n dm o r er e c o g n i t i o no ft h er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c ep r o d u c i n gp l a n ta n do p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t d e s i g no ne m c o fd i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c eg e n e r a l l ya d o p t st e s ta n dm o d i f i c a t i o n m e t h o da n ds y s t e mf l o wm e t h o d t e s ta n dm o d i f i c a t i o nm e t h o do n l ym o d i f i e st h ep r o b l e m s w h i c ha r ef o u n di nt h ec o u r s eo f t e s t i n gt h ep r o t o t y p ea tt h ee n do fp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t u n t i lt h ed e s i g ns a t i s f i e st h er e q u e s to fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y t e s ta n dm o d i f i c a t i o n m e t h o dh a v eb e n e f i t so fc o n v e n i e n to p e r a t i o nb u th a v ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hd i f f i c u l t y l o n g p e r i o da n dh i g hc o s t h o w e v e r s y s t e mf l o wm e t h o di n t r o d u c e sc o r r e c ts t r a t e g yo fe m c d e s i g na n dt h ei n h i b i t o r ym e t h o di sa c t u a l i z e da c c u r a t e l y u s i n gs y s t e mf l o wm e t h o d t h e l a t ee m c p r o b l e mi sl i a l ea n de a s yt os o l v es ot h a ts h o r t e n st h er e s e a r c hp e r i o da n dr e d u c e s t h ec o s t h o w e v e r s y s t e mf l o wm e t h o dh a sn om e t h o dt od i s t i n g u i s ht h er e l a t i v ei m p o r t a n t d e g r e ew h i c hc a ni n s u r et h eo u t p u tr a t i om a x i m i z a t i o n t h e r e f o r e i nt h i sp a p e r a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s a h p o fd e c i s i o nt h e o r yh a sb e e ni n t r o d u c e d t h ep r o c e s so ft h ed e s i g n o ne m co fd i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c eh a sb e e no p t i m i z e db yu s i n ga h pw h i c hh a v e c o n f i r m e dt h ep r i o r i t yw e i g h to fs e v e r a li m p o r t a n ts t a g e si nt h ep r o c e s so fe m cd e s i g no ft h e d i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c ea n dp r o v i d e sg u i d a n c ef o rt h ew h o l ed e s i g np r o c e s s i nt h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c es i g n a lw h i c hi n f l u e n c e s t h ed i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c es e r i o u s l yh a v eb e e na n a l y z e da tl a r g ea n dt h ed e s i g n m e t h o da l s oh a sb e e nd e e pa n a l y z e d t h ew e i g h td e t e r m i n a t i o no f e a c hs t a g eo ft h eo fm i c r o c o m p u t e r b a s e dr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e se m cd e s i g nf l o wh a sb e e nc o m p l e t e db yu s i n ga h p w h i c hm a k e sc l e a rt h ei m p o r t a n td e g r e eo ft h ew h o l ed e s i g n se a c hs t a g e o nt h i sb a s i s t h e e m cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dd e s i g nm e t h o dh a v eb e e nu s e di nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m d e v e l o p m e n t o ft h ee q u i p m e n tn a m e dx r 2 0 0 w h i c hi so n ek i n do fs e r i a l i z a t i o np r o d u c t i o n s o fx i a nx i r u ip r o t e c t i o na n dc o n t r o lc o l t d t h i ss e r i a l i z a t i o np r o d u c t i o n so fd i g i t a lr e l a y p r o t e c t i o nd e v i c eh a v ep a s s e dt h en a t i o n a le m ct e s ta n dh a v eb e e nl a u n c h e di n t om a r k e t a n d h a v er e a l i z e dt h er e q u e s to ft h ee m cs u c c e s s f u l l yw h i c hh a v eb e e nr e c e i v i n gf a v o r a b l e e c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s r e l a yp r o t e c t i o n e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c s y s t e mf l o wm e t h o da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s a h p t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西姿料技大學 學位論文獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及 其取得研究成果 盡我所知 除了文巾加以標注和致謝的地方外 論文中不包含 其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得西安科技大學 或其他教育機構(gòu)的學位或證書所使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 學位論文作者簽名 喀日期 卅 學位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明書 本人完全了解學校有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學位期問 論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于西安科技大學 學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或 機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 本人允許論文被查閱和借閱 學?？梢詫⒈緦W 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描 等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文 同時本人保證 畢業(yè)后結(jié)合學位論文研究課 題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學 縱一 i 擲 砷年二月f 日 名簽 j j y教導(dǎo)指 o 1叮 r 吼量岬 謝 眨汛轷秀 h 玎 曠矽 i c 跏嘭 后 名 密 簽 解 者 待 作 文 文 論 論 密 位 保 學 1 緒論 1 緒論 1 1 微機繼電保護的發(fā)展及數(shù)字化變電站技術(shù) 我國從七十年代末開始進行微機繼電保護的研究 1 9 8 4 年首臺微機繼電保護裝置通 過鑒定 并在電力系統(tǒng)中獲得應(yīng)用 從此我國繼電保護技術(shù)進入了微機保護的時代 9 0 年代后廣泛采用單片機做為保護的核心 為繼電保護技術(shù)的發(fā)展提供了極為有利的條 件 隨著電力系統(tǒng) 電子技術(shù) 計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展 繼電保護硬件平臺 技術(shù)得到了更加充分的發(fā)展 采用數(shù)字信號處理器 總線不引出芯片及較先進的網(wǎng)絡(luò)通 信結(jié)構(gòu)技術(shù) 使得我國保護裝置的硬件結(jié)構(gòu)提高到國際先進水平 l 當前 基于數(shù)字信號處理技術(shù)及大規(guī)模集成數(shù)字電路技術(shù)的微機繼電保護裝置 即 數(shù)字化繼電保護裝置己開始廣泛應(yīng)用于我國電力系統(tǒng)中 數(shù)字化繼電保護裝置大都具有 以下特征 采用1 6 位或3 2 位c p u 提高保護系統(tǒng)的性能 采用1 4 1 6 位a d 模數(shù)轉(zhuǎn)換 器提高保護系統(tǒng)的精度 采用高級語言編程 實現(xiàn)軟件標準化 模塊化及軟件工程化 并且盡可能的采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng) 采用液晶等顯示器件實現(xiàn)人機接口 采用以太 網(wǎng)構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò) 增強的系統(tǒng)自檢功能 豐富的系統(tǒng)分析工具 做到程序運行 可視化 等1 2 j 數(shù)字化繼電保護裝置具有較高的可靠性及較好的升級 擴展能力 極大的提高了 電網(wǎng)的安全運行水平 但是 由于數(shù)字化繼電保護裝置高度的網(wǎng)絡(luò)化 智能化 保護 控制 測量和數(shù)據(jù)通信一體化 硬件 軟件設(shè)計越來越復(fù)雜 致使保護裝置對電磁干擾 具有更加明顯的敏感性和脆弱性 制約了其使用和進一步發(fā)展 另一方面 繼電保護技術(shù)的發(fā)展同時也帶動了變電站綜合自動化技術(shù)的發(fā)展 變電 站自動化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支撐下 已逐步實現(xiàn)了由集中式模式向分布式模式的發(fā) 展 光電技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展 常規(guī)電流 電壓互感器 t a t v 將被光電電 流 電壓互感器完全取代 采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代 i e c 6 1 8 5 0 標準體 系的頒布 使變電站信息建模標準化成為可能 二次設(shè)備之間全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信 真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 資源共享 數(shù)字化變電站技術(shù)逐步引領(lǐng)未來變電站自動化系統(tǒng)技術(shù) 發(fā)展的趨勢i j l 系統(tǒng)分層分布化是數(shù)字化變電站的重要特征之一 根據(jù)i e c 6 1 8 5 0 標準的要求 變電 站的一 二次設(shè)備可分為站控層 間隔層和過程層 過程層主要是指變電站內(nèi)的t a t v 以及智能開關(guān)等設(shè)備 間隔層由不同間隔的各種二次自動裝置組成 這些裝置直接 通過局域網(wǎng)或者串行總線與站控層聯(lián)系 間隔層執(zhí)行數(shù)據(jù)的分析 故障處理以及信息的 傳輸功能 其重要性對整個變電站自動化系統(tǒng)來說是不言而喻的 繼電保護裝置是間隔 層的主要設(shè)備 因此 對其可靠性有了更高的要求 西安科技大學碩士學位論文 信息交換網(wǎng)絡(luò)化也是數(shù)字化變電站的一個重要特征 在變電站內(nèi) 過程層與間隔層 間隔層之間 間隔層與變電站層都有大量的數(shù)據(jù)流 電力生產(chǎn)連續(xù)性和重要性決定了站 內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)可靠性是第一位的 我們必須保證通訊的安全性 實時性和同步性 而處于 間隔層的繼電保護裝置 特別是其通訊模塊的抗干擾水平是通訊網(wǎng)絡(luò)可靠的前提 由于通信方式的改變 加上電子開關(guān)裝置等智能化一次設(shè)備的采用 使得傳統(tǒng)控制 功能不斷下放 間隔層保護及測控設(shè)備安裝在現(xiàn)場開關(guān)柜上 或直接下放安裝在開關(guān)場 的保護小間內(nèi) 甚至就地安裝于戶外開關(guān)場現(xiàn)場 這樣 不只是節(jié)省二次電纜 也符合 二次設(shè)備分布式安裝的要求 裝在開關(guān)場的繼電保護裝置 數(shù)據(jù)采集與控制單元和電力 設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)收集處理單元均由微機實現(xiàn) 可以充分體現(xiàn)電力系統(tǒng)的分層分區(qū)控制和盡 可能就地完成任務(wù)的現(xiàn)代化管理原則 這是實現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化和智能化的重要內(nèi)容 是新的技術(shù)方向1 4 變電站綜合自動化技術(shù)的這一發(fā)展趨勢對間隔層設(shè)備的整體綜合可靠性 特別是二 次設(shè)備中的繼電保護裝置的電磁兼容性能提出了更高的要求 保護裝置下放現(xiàn)場預(yù)示著 保護裝置工作的電磁環(huán)境更加惡劣 這對于越來越敏感和脆弱的數(shù)字化繼電保護裝置來 說無疑是雪上加霜 電磁兼容性能已成為數(shù)字化保護裝置進一步發(fā)展的瓶頸 我們迫切 需要具有良好抗干擾能力的數(shù)字化繼電保護裝置以適應(yīng)數(shù)字化變電站的發(fā)展 1 2 本課題研究意義 電工技術(shù)的飛躍發(fā)展 電氣和電子設(shè)備的種類及數(shù)量的增加 以及電能消耗量的加 大 使得不必要的電磁能量也隨之加大 電磁環(huán)境日益復(fù)雜 在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中 如何減少相互間的電磁干擾 使各種設(shè)備正常運轉(zhuǎn) 越來越受到人們的重視 繼電保護 技術(shù)的發(fā)展使繼電保護裝置越來越多的依賴于微電子技術(shù)和計算機技術(shù) 對電磁干擾的 敏感性也越來越強 而數(shù)字化變電站技術(shù)對繼電保護裝置提出了更高的可靠性要求 同 時又使繼電保護裝置工作的電磁環(huán)境更加惡劣 繼電保護裝置所遭受的傳導(dǎo)性騷擾及輻 射性騷擾與以往相比更強 數(shù)字化繼電保護裝置的電磁兼容問題變得更加突出 繼電保 護裝置的電磁兼容水平 可靠性等因素與保護裝置的安全 穩(wěn)定工作密切相關(guān) 因此 只有深入地分析和解決電力系統(tǒng) 變電站和微機保護的電磁兼容問題 才能保證電力系 統(tǒng)的可靠安全運行 傳統(tǒng)的繼電保護裝置生產(chǎn)廠家在進行電磁兼容設(shè)計時 大都通過研發(fā)后期進行測 試 發(fā)現(xiàn)問題后再對產(chǎn)品進行修補的方法 這往往會導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)品不能及時取得認證投 向市場 企業(yè)為了保持競爭性 必須縮短設(shè)計周期 意味著已經(jīng)不再可能執(zhí)行多次產(chǎn)品 樣機加工 測試 再設(shè)計的循環(huán)過程了 如果電磁兼容性問題不能在產(chǎn)品研發(fā)階段就認 真加以解決 那么產(chǎn)品研發(fā)出來之后將可能無法正常工作 企業(yè)將為此付出沉重的代價 總之 開展數(shù)字化繼電保護裝置的電磁兼容研究 為企業(yè)提供合理的電磁兼容設(shè)計 2 1 緒論 i i mi m 方法 不但能提高裝置的可靠性 促進數(shù)字式繼電保護裝置的進一步應(yīng)用和發(fā)展 而且 具有明顯的社會和經(jīng)濟效益 1 3 論文主要工作 本課題是依照西安西瑞保護控制設(shè)備有限責任公司的科研項目 x r 2 0 0 系列數(shù) 字化繼電保護裝置硬件平臺開發(fā)而進行的 本人完成了數(shù)字化繼電保護裝置硬件平臺搭 建及其電磁兼容設(shè)計 并制做了樣機 進行了電磁兼容抗擾度試驗及結(jié)果分析 制定了 繼電保護裝置電磁兼容設(shè)計規(guī)范 具體工作表述如下 1 介紹了繼電保護和變電站自動化技術(shù)的發(fā)展狀況 闡述了繼電保護裝置電磁兼容 設(shè)計的重要性 2 詳細介紹了電磁干擾的相關(guān)理論和變電站電磁環(huán)境 并對影響繼電保護裝置電磁 兼容性能的干擾信號進行了時域和頻域的分析 3 深入研究了產(chǎn)品e m c 設(shè)計方法 將系統(tǒng)流程法應(yīng)用于數(shù)字化繼電保護裝置的開 發(fā) 并應(yīng)用層次分析方法對系統(tǒng)流程法進行了優(yōu)化 確定了數(shù)字化繼電保護裝置e m c 設(shè)計過程中各階段的優(yōu)先權(quán)重 4 將電磁兼容設(shè)計方法的研究結(jié)論應(yīng)用于工程實踐 完成了x r 2 0 0 系列數(shù)字化繼 電保護裝置的電磁兼容設(shè)計 并對設(shè)計流程中各階段的電磁干擾控制技術(shù)進行了具體分 析和闡述 5 進行了電磁兼容抗擾度試驗驗證 詳細的描述了試驗過程 并對試驗結(jié)果進行了 分析 6 制定了數(shù)字化繼電保護裝置電磁兼容設(shè)計的一般準則 3 西安科技大學碩士學位論丈 2 電磁騷擾基本理論 2 1 基本概念 電磁騷擾 e m d e l e c t r om a g n e t i cd i s t u r b a n c e 是任何可能引起裝置 設(shè)備或系統(tǒng)性 能降低或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生作用的電磁現(xiàn)象 所有的電磁騷擾都是由三個基本要素組合而產(chǎn)生的 它們是 電磁騷擾源 對該騷 擾敏感的設(shè)備 將電磁騷擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的媒介 即傳輸通道或耦合途徑 1 電磁騷擾源 指產(chǎn)生電磁騷擾的任何元件 器件 設(shè)備 系統(tǒng)或自然現(xiàn)象 2 耦合途徑 傳輸通道 指電磁騷擾能量傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的通道或媒介 3 敏感設(shè)備 指受到電磁騷擾影響 或者說對電磁騷擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備 電磁兼容一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài) 即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作又互補干擾 達到 兼容 狀態(tài) 換句話說 電磁兼容是指電子線路 設(shè)備 系統(tǒng)互不影響 從電磁角度具有相容性的狀 態(tài) 相容性包括設(shè)備內(nèi)電路模塊之間的相容性 設(shè)備之間的相容性和系統(tǒng)之間的相容 性 國家標準g b t 4 3 6 5 1 9 9 5 電磁兼容術(shù)語 將電磁兼容定義為 設(shè)備或系統(tǒng)在其 電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力 從 上述定義看 電磁兼容應(yīng)包括兩方面的內(nèi)容 一方面指設(shè)備不受干擾的影響 另一方面 指設(shè)備不對周圍的其它設(shè)備形成不能承受的騷擾 為了使工程技術(shù)人員更有目的 更加有效地采取抗干擾的措施和方法 我們將電磁 騷擾進行了分類 電磁騷擾一般如下進行分類 1 按騷擾的來源分 可分為自然騷擾和人為騷擾 人為騷擾又可分為有意的和無意 的兩大類 2 按敏感設(shè)備的封裝而言 可分為內(nèi)部騷擾和外部騷擾 3 按騷擾的性質(zhì)分 可分為連續(xù)和脈沖騷擾 4 按騷擾的作用類型分 可分為電場騷擾 磁場騷擾和電磁場騷擾 5 按騷擾的頻譜分 可分為寬帶和窄帶騷擾 6 按騷擾的傳播方式分 可分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾 7 按騷擾的作用形式分 可分為共模騷擾 差模騷擾和天線模騷擾 8 按騷擾的作用時間分 可分為連續(xù)騷擾 間隙騷擾和瞬變騷擾 2 2 傳播途徑 電磁騷擾由源傳播到受感設(shè)備的途徑有兩類 傳導(dǎo)和輻射 其中傳導(dǎo)騷擾指的是可 4 2 電磁騷擾基本理論 通過電阻 電容或電感等元器件來傳遞的騷擾 輻射騷擾指的是以電磁波的形式傳遞的 騷擾 在不同的情況下 可能是傳導(dǎo)方式起主導(dǎo)作用 也可能是輻射方式起主導(dǎo)作用 甚至在某一情況下 這兩種方式都起作用 2 2 1 傳導(dǎo)騷擾1 5 j 要了解電磁騷擾的傳導(dǎo)傳播方式首先要了解傳輸線的特性 在電路原理圖中傳輸線 僅僅是一對理想的連接導(dǎo)線 但在實際使用中傳輸線具有電阻 電容和電感 尤其在頻 率比較高時這些分布參數(shù)對信號的傳輸有著十分重要的影響 傳輸線的分布電阻 分布 電感 分布電容影響傳輸線中的信號傳輸 如何考慮分布參數(shù)的影響與傳輸線的長度密 切相關(guān) 根據(jù)傳輸線長度與傳輸信號頻率的關(guān)系可把傳輸線分為長線和短線 長線和短 線應(yīng)采取不同的方法處理 當傳輸線長度小于等于1 2 0 信號波長時或者傳輸延遲時間小于等于1 4 數(shù)字信號脈 沖上升時間時傳輸線可視為短線 短線可以用集中參數(shù)等效電路來分析 即把傳輸線看 成是由集中參數(shù)電阻 電感 電容組成的網(wǎng)絡(luò) 其值大小分別等于單位長度上的分布參 數(shù)值乘以傳輸線長度 對于絕大多數(shù)雙絞線 同軸電纜 扁平線 印制電路板軌線等傳 輸線 當頻率小于3 k h z 時 傳輸線環(huán)路中電阻起主要作用 當頻率大于3 k h z 以后電 感起主要作用 電阻可以忽略不計 當傳輸線長度大于等于1 2 0 信號波長時或者傳輸延遲時間大于等于l 4 數(shù)字信號脈 沖上升時間時傳輸線可視為長線 長線要用傳輸線理論來分析 考慮阻抗匹配問題 即 傳輸線兩端的負載阻抗和源阻抗都應(yīng)該和傳輸線特性阻抗相等 否則就要產(chǎn)生反射 騷擾電流在導(dǎo)線上傳輸時有兩種方式 共模方式和差模方式 一對導(dǎo)線上如流過差 模電流則兩條線上的電流大小相等 方向相反 一般有用信號都是差模電流 一對導(dǎo)線 上如流過共模電流則兩條線上的電流方向相同 騷擾在傳輸線上既可以差模方式出現(xiàn) 也可以共模方式出現(xiàn) 傳輸線上的共模電流噪聲只有變成差模噪聲后才能對設(shè)備產(chǎn)生干 擾 因為有用信號都是差模形式的 這種轉(zhuǎn)換是由電路的阻抗是否平衡來決定的 2 2 2 輻射騷擾 輻射方式是指電磁騷擾的耦合是通過接收電磁波輻射的形式進行的 在這種方式 下 敏感設(shè)備處于輻射源的近場區(qū)和遠場區(qū)的表現(xiàn)將會有很大的不同 為此 我們應(yīng)該 首先認識輻射現(xiàn)象的特征 當電荷 電流隨時間變化時 在其周圍就會產(chǎn)生電磁波 在 電磁波向外傳播的過程當中 會有部分能量輸送出去 這種現(xiàn)象稱為電磁能的輻射 研究輻射現(xiàn)象 一般以天線作為輻射源 天線可看作是由許多單元偶極子組成的 單元偶極子是一種基本的輻射單元 所謂單元偶極子是一段長度遠小于波長的直線電流 元 線上電流是均勻的 且相位也相同 設(shè)該直線電流源i d 沿z 軸放置 如圖2 1 所 5 西安科技大學碩士學位論文 示 6 1 y 圖2 1 單兀偶極子的電場和磁場向量圖 根據(jù)電磁場的理論 可計算出距離單元偶極子的中心為 處的磁場強度為 姒吖 i d e j k 4 n r j 七 牛n 口 2 1 電場強度為 腳卜 篆2 等h 扣口 眨2 死c o r r 姚歸一j 羆孚卜 7 j k 珈n 口 3 4 徹sr r r j 式中 扣2 卜相位常數(shù) 卜電磁波波長 卜 角頻率 卜真空的介電常數(shù) 仔細研究式 2 1 和式 2 2 以及式 2 3 可以發(fā)現(xiàn) 在靠近單元偶極子的近場區(qū)域 k r l 即r 1 即r a 2 n 此時e 和h 都與e 一 成正比 且彼此 同相 此外他們還在空間相互垂直 波阻抗z o 3 7 7 f 2 為一常數(shù) 此時表現(xiàn)為電磁場 2 2 3 傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的界定 由上述幾個公式還可以得到單元偶極子向外輻射的總功率為 2 電磁騷擾基本理論 p 墮f 掣l 2 4 3 l 元 從式2 4 可以看出 所有交流電流都向四周空間輻射能量 輻射的功率與波長九的 平方成反比 隨著頻率的增高 波長將減小 則交流電流輻射的功率增大 由此可見 只有高頻才能輻射出足夠大的能量 7 1 這也可以看作 當相對頻率比較低時 電磁干擾 以傳導(dǎo)為主 當頻率比較高時則以輻射為主 一般認為當頻率為9 k h z 以下時 電磁干 擾以傳導(dǎo)為主 當干擾頻率在1 g h z 以上時 電磁干擾以輻射為主 當頻率介于9 k h z 與1 g h z 之問時 電磁干擾是傳導(dǎo)和輻射的綜合 引 2 3 耦合方式 與電磁騷擾的傳播方式相對應(yīng) 電磁騷擾的耦合方式也可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦 合 前者通過電阻 電容或電感來進行耦合 后者以電磁波的形式進行耦合 在實際工 程中 電磁騷擾的耦合和傳輸很少以單一的基本耦合形態(tài)發(fā)生 而是多種基本耦合形態(tài) 的組合 表現(xiàn)為綜合性的典型耦合模式 這些典型的耦合模式在實際工程分析中通常作 為一種固定的工程模式直接用于分析更復(fù)雜的電磁騷擾問題 2 3 1 傳導(dǎo)耦合 8 傳導(dǎo)耦合的方式主要表現(xiàn)以下三種 圖2 2 公共阻抗耦合不恿圖圖2 3 減小公共阻抗的方法 1 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是指騷擾源和敏感設(shè)備之間通過它們所擁有的公共 阻抗來傳遞騷擾的一種方式 如圖2 2 所示 當s y s t e m a 中流過噪聲電流f 時 在公共 阻抗上產(chǎn)生的噪聲電壓為v c o l a 屯z 品歷 顯然 以n 中包含這一部分騷擾電壓 當設(shè)備或元器件共用電源線造成公共阻抗耦合干擾時 稱為共電源阻抗干擾 當共 用地線造成干擾時稱為共地線阻抗干擾 回流電流在地線阻抗上的壓降是產(chǎn)生共地線阻 抗干擾的根本原因 減小公共阻抗耦合干擾的方法是盡量減小兩回路的公共阻抗 如圖 2 3 所示 對于共電源阻抗干擾可以在設(shè)備和器件的供電點處加接濾波器或加去耦電容 器 給設(shè)備和器件提供一個高頻噪聲通道 不讓它傳導(dǎo)到電源中去 7 西安科技大學碩士學位論文 a b c 圖2 4 電容性耦合和電感性耦合示意圖 2 電容性耦合 如圖2 4 a 所示 兩閉合回路若距離比較近 即使二者之間沒有直 接的阻抗連接 由于二者之間電容 如圖2 4 b 所示 的存在 一個回路上的電壓也會通 過電容向另一個回路傳遞 若前者的電壓包含噪聲分量 則后者的回路中必然包含噪聲 分量 從而實現(xiàn)了電磁騷擾的耦合 圖2 4 中 兩回路間的電容的計算方法是 c 芒 1 0 圳 f 1 2l n d 2 1 2 r o r 緲2 2 5 式中 i i r l 4 線與2 4 線問近似長度 d l r l 4 線與2 4 線間距離 m l 一1 4 線半徑 刪r 2 4 線半徑 由此可得由電容耦合到回路2 的電壓為 致 墾墜 2 6 r 2 x c 式中 酪一兩回路間的互容抗 3 電感性耦合 與電容性耦合相似 雖然兩回路間沒有直接的阻抗聯(lián)系 但通 過互感抗 如圖2 4 c 它們之間也可以進行電磁騷擾的耦合 兩回路間的互感的計算 公式是 m 魯 等 a o j 裂a o 甏 旺7 4 萬l1 2 2 d 厶 1 式中 曠 自由空間的導(dǎo)磁率 p o 4 兀x 1 0 7 h m a t o l l 線在接地平面上方的高度 a o l 2 4 線在接地平面上方的高度 由此可得到通過電感耦合到回路2 上的電壓為 8 2 電磁騷擾基本理論 心 m 魯 2 8 l 以上就是傳導(dǎo)耦合的幾種基本形式 值得一提的是 這里給出的公式比較簡單 在 實際的工作中 問題要復(fù)雜的多 但總可以近似地簡化為上述的形式去分析 2 3 2 輻射耦合 輻射耦合分為近場耦合和遠場耦合 當設(shè)備處于距輻射源r 2 2 n 的區(qū)域時 可以認為設(shè)備處于輻射源的遠場區(qū)內(nèi) 即遠場耦合 在這個區(qū)域 干擾的耦合以天線的形式進行 2 4 電磁干擾控制技術(shù) 電磁兼容問題雖然錯綜復(fù)雜 但是由電磁干擾三要素知道處理電磁兼容問題時不外 乎就是消除或減弱騷擾源的影響 切斷耦合途徑 降低敏感設(shè)備的敏感度三個方面 而 具體的電磁干擾控制技術(shù)大體可分為如下六類 9 1 傳輸通道抑制 具體方法有濾波 屏蔽 搭接 接地 合理布線 濾波是將信號頻譜劃分為有用頻率分量和騷擾頻率分量 剔除和抑制騷擾頻率分 量 切斷騷擾信號沿信號線或電源線傳播的路徑 借助濾波器可明顯地減小傳導(dǎo)干擾電 壓 因此恰當?shù)卦O(shè)計 選擇和正確地使用濾波器對抑制干擾非常重要 屏蔽是利用屏蔽體 具有特定性能的材料 阻止或衰減電磁干擾能量的傳輸 屏蔽不 僅對輻射干擾具有良好的抑制效果 而且對靜電干擾以及干擾的電容性耦合 電感性耦 合均具有明顯的抑制作用 因此屏蔽是抑制電磁干擾的重要技術(shù) 接地是電子設(shè)備工作所必需的技術(shù)措施 接地有安全接地和信號接地 事實證明接 地設(shè)計對各種干擾的影響很大 因此在電磁兼容領(lǐng)域中 接地技術(shù)至關(guān)重要 其中包括 接地點的選擇 電路組合接地設(shè)計和抑制接地干擾措施的合理應(yīng)用等 搭接是指導(dǎo)體間的低阻抗連接 只有具有良好的搭接才能使電路完成其設(shè)計功能 使干擾的各種抑制措施得以發(fā)揮作用 不良搭接將向電路引入各種電磁干擾 搭接技術(shù) 必須保證搭連的有效性 穩(wěn)定性及長久性 布線是印刷電路板電磁兼容設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 2 空間分離 包括地點位置控制 自然地形隔離 方位角控制 電場矢量方向控制 等 空間分離是通過加大騷擾源和敏感設(shè)備之間的空間距離 使騷擾電磁場到達敏感設(shè) 9 西安科技大學碩士學位論文 備時其強度已衰減到低于敏感設(shè)備敏感度門限 從而達到抑制電磁干擾的目的 由電磁 場理論可知 在近區(qū)感應(yīng)場中 場強分布按1 礦衰減 遠區(qū)輻射場的場強分布按1 彥減 小 因此 空間分離實質(zhì)上是利用干擾源的電磁場特性有效地抑制電磁干擾 空間分離 的典型應(yīng)用在電磁兼容性工程中經(jīng)常遇到 例如在設(shè)備 系統(tǒng)布線中 限制平行線纜的 最小間距 以便減少串擾 p c b 設(shè)計中 規(guī)定引線條間的最小間距 空間分離也包括在 空間有限的情況下 對騷擾源輻射方向的方位調(diào)整 騷擾源電場矢量與磁場矢量的空間 取向控制 3 時間分隔 包括時間共同準則 雷達脈沖同步 主動時間分隔 被動時間分隔 當騷擾源非常強不易采用其它方法可靠抑制時 通常采用時間分隔的方法 使有用信號 在騷擾信號停止發(fā)射的時間傳輸 或者當強騷擾信號發(fā)射時 使易受騷擾的敏感設(shè)備短 時關(guān)閉 避免遭受損害 人們把這種方法稱為時間分隔控制或時間回避控制 4 頻譜管理 包括頻譜規(guī)劃 劃分 制定標準規(guī)范 頻率管制等 5 電氣隔離 具體方法有變壓器隔離 光電隔離 繼電器隔離 d c d c 變化等 電氣隔離是避免電路中傳導(dǎo)干擾的可靠方法 同時還能使用有用信號正常耦合傳輸 常 見的電氣隔離耦合原理有機械耦合 電磁耦合 光電耦合等 機械耦合是采用電氣一機 械的方法 例如在繼電器中將線圈回路和觸頭控制回路隔離開來 產(chǎn)生兩個電路參數(shù)不 相關(guān)聯(lián)的回路 實現(xiàn)了電氣隔離 然而控制指令卻能通過繼電器的動作從一個回路傳遞 到另一個回路中去 電磁耦合是采用電磁感應(yīng)原理 典型應(yīng)用是變壓器 變壓器是電源 中抑制傳導(dǎo)干擾的基本方法 光電耦合是采用半導(dǎo)體光電耦合器件實現(xiàn)電氣隔離的方 法 d c d c 變換器是應(yīng)用逆變原理將直流電壓變換成高頻交流電壓 再經(jīng)過整理濾波 處理 得到所需要的直流電壓 6 其它技術(shù) 除了上述技術(shù) 控制干擾還有許多其它技術(shù) 如對消與限幅 還有功 率控制技術(shù) 自適應(yīng)技術(shù) 數(shù)字化技術(shù)等還在不斷發(fā)展的新技術(shù) 2 5 小結(jié) 掌握電磁干擾的基本理論 是進行抗干擾設(shè)計的基礎(chǔ) 本章詳細介紹了電磁干擾基 本概念 傳播途徑和耦合方式以及電磁干擾控制技術(shù) 為以后分析數(shù)字化繼電保護裝置 電磁兼容性能和進行數(shù)字化繼電保護裝置電磁兼容設(shè)計打下了基礎(chǔ) l o 3 繼電保護裝置的電磁兼容技術(shù) 3 繼電保護裝置的電磁兼容技術(shù) 3 1 繼電保護裝置工作的電磁環(huán)境及其影響 3 1 1 變電站的電磁環(huán)境 電磁環(huán)境指的是變電站中的高電壓 大電流在其周圍空間形成的電場或磁場通過感 應(yīng)對附近的人或設(shè)備產(chǎn)生的影響 使其對地帶上電壓或流過電流 當這種感應(yīng)電壓或電 流達到某一數(shù)值時 對人來講即會造成電擊事故 對設(shè)備而言則會形成干擾 因此 分 析探討變電站的電磁環(huán)境對保證數(shù)字化繼電保護裝置的電磁兼容水平和提高數(shù)字化繼 電保護裝置的抗干擾能力具有實際意義 數(shù)字化繼電保護裝置主要安置于變電站內(nèi) 變電站是一個具有高強度電磁場環(huán)境的 特殊地域 其中既有高電壓 大電流的一次強電設(shè)備 又有像繼電保護裝置這樣低電壓 小電流的二次弱電設(shè)備 一次強電設(shè)備產(chǎn)生的強烈的電磁干擾對繼電保護裝置的正常工 作構(gòu)成極大的威脅 此外供電系統(tǒng)中的騷擾 大氣騷擾等都會對保護裝置產(chǎn)生影響 隨 著輸電電壓的提高 當開關(guān)操作或發(fā)生故障時 在空間會產(chǎn)生更強的電磁場 而且 s f 6 開關(guān)和g i s g a s i n s u l a t e ds u b s t a t i o n 系統(tǒng)的使用也越來越普遍 由于s f 6 氣體的去游離能 力極強 因此 當開關(guān)操作時 母線上會出現(xiàn)頻率極高的快速暫態(tài)過電壓 向空間輻射 上升沿極陡的脈沖電磁場 成為頻帶很寬的更強烈的干擾源 l o 具體來說 變電站內(nèi)的 電磁干擾源的起因主要包括 1 高壓隔離開關(guān)和斷路器的操作引起的含有多種頻率分量的衰減振蕩波 2 雷電干擾 3 系統(tǒng)短路故障 4 操作小電感負載 如二次回路繼電器接點跳動產(chǎn)生的快速瞬變脈沖群 5 i 頻電磁場 6 靜電放電 7 無線電發(fā)射機等產(chǎn)生的高頻場 8 電壓波動 電源頻率變化等所產(chǎn)生的一些低頻騷擾 9 絕緣擊穿或火花間隙放電而引起的頻率較高的電磁輻射 3 1 2 干擾途徑 數(shù)字式繼電保護裝置安裝于變電站二次回路中 各個端口都和二次電纜相連 一次 回路中騷擾電壓作用于二次回路并和二次回路本身中的騷擾電壓一起通過各種耦合方 西安科技大學碩士學位論文 式進入保護裝置內(nèi)部 一次回路中的騷擾電壓主要通過以下途徑作用于二次回路 如圖3 1 所示 l l j 1 一次設(shè)備和二次設(shè)備之間的容性耦合 包括一次母線和二次電纜間的容性耦合及 互感器一次繞組和二次繞組之間的容性耦合 2 一次回路和二次回路間的感性耦合 包括一次母線和二次電纜以及互感器一次繞 組和二次繞組之間的感性耦合 3 地電位差 一種共阻抗耦合 在一次系統(tǒng)發(fā)生接地短路或避雷器動作時 都會有 大的電流流入變電站的接地網(wǎng) 使得接地網(wǎng)中電流流入點和其他地方的電位不同 這一 電位差也將對二次回路產(chǎn)生干擾 負載 一 3 一 l 一容性耦合2 一感性耦合3 一共阻抗耦合 圖3 1 一次回路對二次回路干擾途徑示意圖 上述變電站中的各種干擾及其傳播途徑的研究目前大都集中在機理研究 定性探討 和標準制定上 也有人做了一些現(xiàn)場測量工作 但是定量的和精確的干擾產(chǎn)生模型和傳 播途徑模型還尚未能建立起來 因此這方面的工作有待進一步的深入和完掣1 2 3 1 3 電磁干擾對數(shù)字化繼電保護裝置的影響 數(shù)字化繼電保護裝置是以微處理器為核心的自動控制系統(tǒng) 各種干擾通過傳導(dǎo) 電 場感應(yīng) 磁場感應(yīng)或電磁場耦合等方式進入微機保護裝置 在裝置中的主要表現(xiàn)形態(tài)為 共模干擾和差模干擾兩種 干擾對保護裝置的影響 主要表現(xiàn)以下四個方面i j f 1 p c 指針出錯 在裝置程序的運行期間 如果干擾信號改變了控制程序流向的標 志字 也將會改變程序的執(zhí)行順序 從而使微機的程序跑飛 出現(xiàn)c p u 不斷復(fù)位 程序 出錯等問題 2 運算或邏輯出錯 在保護裝置運行時 r a m 中存放了大量實時數(shù)據(jù) 由于r a m 的抗干擾能力差 在強電磁干擾作用下 r a m 中的部分數(shù)據(jù)可能會發(fā)生變化 此外 讀 寫數(shù)據(jù)時 數(shù)據(jù)和地址總線也可能在干擾信號的作用下發(fā)生讀寫錯誤或?qū)?shù)據(jù)傳送到錯 1 2 3 繼電保護裝置的電磁兼容技術(shù) 誤的地址中 3 采樣誤差 干擾信號進入模擬采樣通道 從而影響數(shù)據(jù)采樣的精度 進而影響到 繼電保護裝置的正確工作 發(fā)生誤動等 4 毀壞元件 直擊雷或浪涌等在短時間內(nèi)釋放出巨大的能量 將會破壞數(shù)字化繼電 保護裝置的各種敏感器件 3 2 幾種電磁干擾特性分析 變電站電磁噪聲種類繁多 其時域 頻域特性都比較復(fù)雜 下面就比較典型的幾種 騷擾進行詳盡分析 3 2 1 電快速瞬變脈沖群干擾 圖3 2 為典型的斷路器操作控制回路接線原理圖 從圖中可以看出直流操作回路中具 有大電感的線圈 如斷路器的跳合閘線圈 電磁式繼電器的工作線圈等 由于繼電器接 點跳動或斷路器輔助觸點開合 以及斷開感性負載時 觸點間將產(chǎn)生不希望的所謂間隙 電弧現(xiàn)象 引起電快速瞬變脈沖群干擾 電快速瞬變脈沖群干擾電壓上升快 持續(xù)時間 短 能量低 重復(fù)頻率高 對于微機保護裝置的各個端口都有很大的影響 其抗擾度試 驗是微機保護裝置最難通過的一項電磁兼容試驗 我們很有必要對其發(fā)生機理進行深入 研究 圖3 2 斷路器操作控制回路原理圖 以跳閘回路為例 當斷路器跳閘后 由斷路器的輔助觸點d l 斷開跳閘線i 翌t q q h 的 較大電流 跳閘線圈t q 中儲存的能量釋放 此電流不能突變 而跳閘線圈兩端不允許 并聯(lián)二極管等元件 所以線圈兩端和斷路器輔助觸點間都將產(chǎn)生幾千伏的過電壓 造成 不希望的所謂間熄電弧現(xiàn)象 引發(fā)電快速瞬變 其電路模型如圖3 3 所示 1 4 1 3 西安科技大學碩士學位論文 圖3 3 電感負荷的間隙電弧產(chǎn)生的電路模型 圖3 4 觸點斷開感性負載放電示意圖 當斷路器輔助觸點k 斷開時 電感中的電流不能突變 于是 此電流流向雜散電容 c 給電容器反向充電 提高斷路器輔助觸點間的電壓u 當u 升高到其絕緣的擊穿電壓 時 發(fā)生一短電弧 輔助觸點間電壓降低n u a 空氣中u a 1 2 v 隨后 電弧熄滅 電容 又開始重新充電 達到輔助觸點間的擊穿電壓時 又發(fā)生電弧 由于觸點間的距離增大 故擊穿電壓也增大 于是在觸點間引起一連串包括上升 當電容充電時 和很快下降 當斷 路器輔助觸點擊穿時 的電壓 這一現(xiàn)象稱做間隙電弧 最后 開始時儲存的能量耗盡 電容上電壓降到零 15 1 放電過程如圖3 4 所示 16 1 在這個過程中 就產(chǎn)生了一系列的尖 銳的脈沖群 對于操作交流接觸器和高壓斷路器產(chǎn)生電快速瞬變脈沖群干擾 其機理類 似上述分析 快速瞬變脈沖群的單個脈沖波形是雙指數(shù)衰減脈沖 對于5 5 0 n s 波形 可以用下式 表示 一三一上 v t a 砟 1 e1 e 3 1 其中 坎f 是e f t 電壓 炸是開路峰值電壓 a 是標準e f t 波形的補償系數(shù)1 2 7 r l 3 5 n s r 2 5 5 6 n s 為波前系數(shù)和波長系數(shù) 電快速瞬變脈沖群試驗裝置設(shè)計就是模擬 這個數(shù)學表達式 實際上檢驗試驗裝置時 只要波形輻值正確 上升時間為5 n s 持續(xù) 時間為5 0 n s 即可 其波形如圖3 5 所示 1 7 圖3 6 為使用上海三基電子工業(yè)有限公司的 n s 6 1 0 0 0 4 a 型群脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的波形 e q c q o 圖3 5 電快速瞬變單脈沖波形圖圖3 6 群脈沖發(fā)生器發(fā)出的單個波形 1 4 3 繼電保護裝置的電磁兼容技術(shù) 快速瞬變脈沖群騷擾的周期為3 0 0 m s 如圖3 7 a 所示 1 8 在3 0 0 m s 時間內(nèi) 僅有 1 5 m s 間隔存在脈沖群 其余2 8 5 m s 時間沒有脈沖 每串脈沖群的 占空比 為1 2 0 瞬變干擾試驗一般要持續(xù)1 分鐘 這樣共有l(wèi)x 6 0 x10 0 0 3 0 0 2 0 0 串脈沖群 對于5 k h z 的瞬變干擾 1 分鐘時間間隔內(nèi) 共含2 0 0 x 1 5 x 5 1 5 0 0 0 個脈沖 單個脈沖的重復(fù)周期 為1 5 0 0 0 0 0 0 0 2 s 0 2 m s 2 0 0 p s 參看圖3 7 b 而單個脈沖的有效寬度是2 1 t s 則 占 空比 為1 1 0 0 快速瞬變騷擾的單個脈沖的能量為4 m j 快速瞬變脈沖群的能量在幾 十到幾百r r d 一重復(fù)周期一 1 f f 一 砂 b 圖3 7 電快速瞬變脈沖群 在頻域內(nèi) 電快速瞬變可用幅值密度函數(shù)的包絡(luò)線來表征 我們可以通過分析單個 脈沖的頻譜分布來代替分析整個脈沖序列 使分析簡化 1 9 我們對式3 1 進行拉普拉斯 變換得 以d 刊啊贏s i 高1 0 2 l f j if l f 整理式3 2 得 h d 刊啊兀瓦可矗 麗麗 3 令s j c o 取忙1 k v 將a 1 1 它帶入式3 3 通過m a t l a b 編程 可以得n i v 0 c o i 的對數(shù)幅頻特性 如圖3 8 圖3 8 快速瞬變單脈沖幅頻特性 1 5 西安科