EMC环境友好的西门子低压配电系统

 
1 电磁干扰的一般处理方法

   　　1.1 概述
   　　自动化系统或监控系统通常为低压配电系统中的子系统，负责这类子系统的工程技术人员非常关心emc（电磁兼容性）或emi（电磁干扰），因为不友好的emc环境常使他们的系统或系统中电子设备出现故障，甚至损坏，如：自动化系统停机;
   　　传动系统烧设备;
   　　数据网络故障;
   　　电脑和服务器损坏;
   　　打印机失灵;
   　　局域网络数据传输率降低甚至停顿;
   　　报警系统误报警;
   　　金属管路和接地线严重腐蚀。
   　　在安装和调试自动化系统或监控系统时，通常从三方面着手：即找出干扰源，即干扰来自系统本身或外部其他原因；采取措施，隔离或切断传播干扰的途径（也称耦合机理）；提高系统和设备自身抗电磁干扰的能力。见图1。
   
   　　在寻找干扰源时，常用示波器观测干扰信号的波形。当发现信号线或控制线的直流电平上叠加谐波，50hz或150hz的交流干扰电平时，这些干扰信号多半来自于配电系统本身。如不从配电系统本身考虑，采用如图1中的推荐的（如接地，屏蔽，滤波等）措施很难消除这些干扰信号。在分析配电系统如何消除这类电磁干扰信号前，有必要先对电磁干扰的传播途径或耦合机理作简要的说明。
   　　（1） 电位耦合
   　　两个或两个以上线路通过一个公共阻抗连接在一起时，就会产生电位耦合机理。该公共阻抗可以是电源内阻，电源接头，零电位导线，保护地线（pe线），或与接地系统相关的设施。分析图2中的电位耦合原理图，强电线路a与信号线路b有一个公共阻抗zk，两个线路的电流ia和ib在公共阻抗zk上产生电压降uxab。该电压降是线路a和线路b的干扰源。一个线路（或多个）多点接地后会形成环路，电压降是形成环电流的根源。
   
   　　（2）电容耦合
   　　具不同电位的两根导线间可能会产生电容耦合。分析图2中电容耦合原理图，两根导线间电位差就是电场，导线间存在的分布电容就是阻抗，所以线路1与线路2会流通电流，并在线路2中产生干扰电压u2。耦合电容值取决于导线敷设的条件。实际施工时，应避免两线平行敷设，信号线贴近地走。静电放电等属电容耦合机理。
   
   
   　　（3）感应耦合
   　　两个或两个以上的线路在周围产生的磁通相互交联时，就会产生感应耦合。分析图2中电感耦合原理图，一个磁路的磁通变化会在另一线路的导线环路中（相当于一线圈绕组）感应干扰电压。这也说明为什么一个很简单的线路也会受到干扰。该瞬态磁场可能是由如雷电，操作过电压或静电放电等现象引起；另外一个线路中的电流变化也会在另一个线路中感应电压。该感应电压主要取决于电流的变化率和互感系数mk。而mk取决于磁场强度以及磁场的导磁率。
   　　（4）电磁线耦合
   　　两根或两根个以上的长线之间同时存在电和磁干扰时，则会发生电磁线干扰现象。所谓长线是指干扰脉冲的上升沿时间远小于该脉冲通过该线的时间。
   　　这些长线中的电流和电压相互有关联的，并非毫不相干。可用微分分析方法计算产生的干扰电磁场。
   　　（5）辐射耦合
   　　一个线路的电磁场可产生的电磁波，以光速传播作用于另一个线路的现象称辐射耦合。当离干扰源距离很近时，我们主要处理的是来自电位耦合，感应耦合或电容耦合的干扰;当离干扰源距离很远时，我们主要处理的来自辐射耦合的干扰。
   2 低压配电线路对周围电子设备的干扰
   
   　　低压配电线路本身是一个大电场，电源设备的容量越大，电能越足，可向固定负载，移动负载和电动机等用电设备提供的电流也越大。低压电场（电压）通过电容耦合（分布电容）会在临近的其他线路中产生干扰的电压和电流；配电线路中电流在它的周围产生磁场，交变磁场可在环型线路中感应电势；配电线路中的电流也会产生电磁波，产生辐射干扰，以光速传播干扰距离较远的线路。配电线路在周围产生的磁场其磁通密度达1μtesla时，可使14/15英寸的lcd屏幕图像闪烁；而0.5μtesla的磁通密度足以使17/21英寸lcd屏幕（或crt监视器屏幕）的图像闪烁。德国曾把配电线路作为干扰源，lcd显示屏幕作为电磁干扰的受害者，研究两者之间的相互关系，即配电线路的工况与敷线方式对显示屏幕的干扰距离之间的关系。图3是通过试验得出的结果。其中纵坐标为线路在空间产生的磁通密度，横坐标为线路对屏幕的干扰距离。分析该试验例子可说明：
   　　（1） 三相电流不平衡时，干扰距离增大，干扰距离与三相电流的不平衡度有关。
   　　（2） 三相电流平衡工况下，电流越大，干扰距离越远。
   　　（3） 三相电流平衡工况下，三相导线按e方式布线，干扰距离最短。
   　　该试验是基于低压三相三线制的供电方式，有其一定的局限性。
   3 低压配电系统中性线的负荷工况
   　　中性线配出的三相电源称三相四线制系统，满足了额定电压为220v大量的单相负荷的电能需求。对三相四线制系统来说，如三相负荷平衡又无谐波电流的活，则流过中性线的电流的向量和为零。目前，在公共建筑物，高层住宅和办公大楼中均配有大量的计算机，电子信息设备；电子娱乐设备，变频空调，调光器，以及电子节能灯等器件已深入到每家每户。这类设备通过整流器，从正弦电压波形的电网中吸取非正弦波形的电流，非正弦电流在线路上的电压降又造成正弦电压波形的失真。非正弦波电流含有大量的高次谐波分量，其中主要的是3次谐波分量。由于三相电源中接入大量的单相负载，事实上很难做到三相负荷电流平衡。三相负荷不平衡指的是接入三相电源的各相的功率不平衡，各相负载的功率因素不平衡以及各相负载产生的谐波电流不平衡。此时，中性线流过的电流为三相不平衡负荷（基波50hz）电流的向量和，三次谐波（三倍频次）电流的算术和，以及其他高次谐波电流的向量和，详见图4。正是由于上述原因，n线上会出现过电流（或过载）现象。因此设计低压配电系统时，很多场合不再减少n线截面，把n线的截面等同于相线截面。也正是由于n线上的不平衡电流和谐波电流，造成系统严重的电磁干扰（emi）现象。
   
   4 接地系统与emi
   
   　　低压配电系统中的带电（流通电流的）导线是指电源相线（l1，l2，l3），n线（中性线）；pe线（保护地线）仅在电气系统（或其中的设备）故障时，才流通故障电流，实质上也是带电导线。低压配电系统有三种接地制式，详见图5。配电系统不同的接地制式可用两个字母表示并加以区分：
   　　第一个字母表示电源设备接地的条件， 其中：
   　　t= 电力变压器低压绕组中性点直接接地；
   　　i= 电力变压器低压绕组中性点对地绝缘或通过阻抗接地。
   　　第二个字母表示电气设备（装置）外露导体的接地的条件，其中：
   　　t= 电气设备（装置）外露导电体接地，该接地点远离于变压器低压绕组中性点的接地点。
   　　n= 电气设备（装置）外露导电体部分与变压器低压绕组中性点（系统地）连接。
   　　对tn系统， 还用第三个字母来说明n线与pe线的关系；其中：
   　　tn-c:n线与pe线合并为一根线，即pen线（4根线）。
   　　tn-s:n与pe两根导线，与三根相线一起配出（5根线）
   　　tn-c-s：近电源侧为tnc （4根线），配出后把pen线分成2根线后成为tn-s。
   　　低压配电系统的接地制式（系统）决定了系统本身的线路保护技术和措施，也决定了系统本身的电磁兼容性。依据实际经验，低压tn-s系统具有最好的性价比，因为正常工况下，pe线上无剩余电流，大地中无杂散电流。当发生三相（或单相）短路故障时，短路电流通过线缆（而不是大地）返回电源，优化了电磁兼容性，由于故障电流大，可用简单的线路保护电器（如熔断器或断路器）切断故障。
   
   5 单电源系统tn接地制式与emc
   　　20-30年前，挂接在tnc配电系统上的电子设备很少，谐波问题不严重，emc的问题不太突出。三相负载平衡的情况下，n线上基本上无电流。然而，目前的低压配电系统的负载性质与以往有很大的不同。大功率的单相负载多了，带整流电源的电子设备多了，很多负载具有很高的3次谐波分量和高次谐波分量。因此三相负荷很难平衡，如前面已分析的那样：n线上除了不平衡负载电流外，还有叠加的3次（以及三倍频）谐波电流和其他高次谐波电流分量，n线上的电流很大，并在n线上产生电压降。图6.a为tn-c接地制式，其特征是pe线与n线合二为一成pen线。为了防止人身接触电击事故的发生，接在配电系统中的电气设备的外壳都是接地的。而电子设备除金属外壳接地外，电子设备之间用带屏蔽的通信线连接，其屏蔽层也是接地的，因而出现了多点接地的现象。
   
   　　正常工况下，电源提供设备的负荷电流il由pen线返回电源，通过pen线返回电源的电流包含50hz的三相基波不平衡电流，三相叠加的150hz电流，以及其他的高次谐波电流，并在pen线上产生电压降。该电压降作为干扰源（电场），以pen线为公共阻抗，形成电位耦合的干扰方式，导致在通信线屏蔽层上产生寄生电流ist。该寄生电流又可通过电耦合或磁的耦合途径在一些敏感的设备上感应干扰电压和电流。
   　　该干扰源也会通过设备的接地点在建筑物中产生杂散电流，产生强磁场，在建筑物的金属结构中产生火花，腐蚀金属管路。因此该系统emi或emc性能差的根源是由n线上的一部分电流流向大地（和屏蔽层）造成的。
   
   　　图6b tn-s系统
   　　图6b是tns系统，n线与pe线是分开的。正常工况下，尽管n线有三相不平衡电流，也有谐波电流，但pe线上没有电流，不存在驱动杂散电流或寄生电流的电场， pe线和大地是干净的，消除了由金属结构物产生的电磁干扰和辐射干扰，因而emc性能友好。此时配电线路的干扰源仅是配电线路本身，与大地无关。只有故障时，pe线才出现故障电流，并导致emc性能短时劣化。但线路保护电器会在规定的时间内切断故障，因而，不友好的emc环境是短暂的。
   6 多电源系统的tn-s接地制式
   　　多电源系统由正常供电电源和备用（安全）供电电源组成。通常，正常供电电源由两台或两台以上电源变压器并联或母线分段的方式组成（简称gps）；安全电源一般采用发电机组（简称sps），gps通过atse（双电源自动切换装置）与sps联络；对于数据中心或计算中心，通信等系统和设备，有的还需ups作为不停电电源，以避免电源故障造成巨大的经济损失。前面分析的是单台电源变压器的tns系统，具有友好的emc性能，因为在正常工况下消除了大地中的杂散电流。设计多台电源设备的配电系统时，只有从系统上消除或避免n线上的负荷电流向大地（pe线）分流的问题，才能实现具有emc友好的环境。
   
   　　图7是国内常采用的布置方式，两台变压器分别就近接地，即一组电源两点（或多点）接地。两台变压器通过母联开关联络，采用tns系统。如变压器主保护开关和联络开关的均选择3极断路器的话，整个配电系统就会出现不友好的emc环境。
   　　（1）正常工况下n线有三相不平衡电流和谐波电流，返回变压器t1的负荷电流除了n线的正常路径外，还有一条通过n线母排，t2变压器中性点入pe母排的路径，由此在pe线上产生干扰电场，引发很大的杂散电流，以及由此引发的电磁干扰和辐射干扰。接在该系统的电子设备就会出现工频50hz和高次谐波的干扰，干扰来自多种耦合途径，很难排除。假如t1变压器容量为2000kva，配出总电流可达3000a，如3次谐波电流分量为5%，则在n线上的3次谐波电流为3×3000×5%=450a。如果其中有10%的电流分流，即有45a频率为150hz的电流，通过n线母排经pe线返回t1电源。如3相负荷不平衡时，还有50hz不平衡零序电流经pe线返回t1电源。这是一个强大的电磁干扰源，通过各种耦合途径及电磁辐射干扰配电系统中的自动化子系统和敏感的电子设备。10a的电流可在2m以外的空间产生0.7a/m的磁场强度，足以使显示终端图像乱动。
   　　（2）如t1负载m出现绝缘故障或单相接地故障时，故障电流经m设备外壳入pe线后返回变压器t1，返回电流不再通过剩余电流保护器1（简称rcd1）的电流互感器。该故障电流称剩余电流，有两条通路返回电源变压器t1：一路为正常路径从pe线直接返回t1；另一路是从pe线向右走，通过t2中性点后从n线母排返回t1，该路径的剩余电流通过了rcd2和rcd1，其后果是在无故障的线路rcd2的电流互感器感应信号，可能引起rcd2的误动作，该路径的剩余电流同时又通过有故障线路的rcd1，使电流互感器的感应信号减少，可能引起rcd1的不动作。
   　　（3）为保证低压配电系统具有良好的emc性能，不应采用这样的系统。采用这样系统必须条件是的选用4极开关，断开联络的n线，不与pe线之间形成环路，保证正常工况下pe线上无电流，以及故障时不出现环流形式的剩余电流。需注意的是tn系统要谨慎使用4极开关。
   7 emc环境友好的多电源配电系统
   　　一个配电系统通常有多台电源设备，变压器紧靠变电所布置，而发电机组可临近变电所或远离变电所布置。如把多台电源称为一组电源，此时电源设备的布置可分成两种方式：
   　　电源设备集中布置方式：发电机组临近变电所。
   　　电源设备分散布置方式：发电机组远离变电所
   　　7.1 电源集中布置方案
   　　多电源设备的低压配电系统的布置应周密考虑系统的接地制式，原则上是不允许pe线上出现正常工况时的负荷电流，必须消除对地可引发寄生电流和杂散电流的电场。
   　　图8是西门子公司推荐的一个典型的应用方案，该方案能保证gps（a）系统和sps（b）系统并联工作时，也能提供友好的emc性能。该方案的特征是一组电源采用一点接地的方式，pe线与n线之间不可能出现环路，因而消除了引发寄生电流和杂散电流的电场，西门子低压配电柜sivacan-8pt 的结构和技术性能保证了该应用方案的实施。图中，pen线为黄色，pe线为绿黄式。在研究该配电方案的布置时应注意如下几点：
   
   　　（1）正常供电电源：两台变压器分列运行，通过母联联络开关联络，变压器相线与中性点分别与主配电柜（gps）的l1、l2、l3和pen线相连。即变压器至gps柜实质为tnc系统。
   　　（2）安全（备用）供电电源：发电机就在变电所傍边，发电机相线与中性点分别与主配电柜（sps）的l1、l2、l3、和pen线。相连，发电机至sps柜实质为tnc系统。
   　　（3）pen线与pe线（两个母排）贯通gps柜与sps柜，在gps柜内pen线与pe线一点联结，并在那里与主接地极一点接地，形成系统的主等电位体联结。
   　　（4）电源设备 （变压器和发电机） 的等电位联结分别与柜内的pe线相连，接地。
   　　（5）全部选用3wl框架断路器，是3极开关，而不是4极开关，因此安全可靠性非常高。正常工作工况时，pe线无电流， 大地无杂散电流。
   　　该系统由于一点接地， 剩余（接地故障）电流由pe线经一点接地点回到n线，返回自己的电源。正常工作时，电源设备之间的联络采用3极开关。
   　　由于pen线和pe线在gps柜内一点联结，一点接地，pen线和pe线（大地）之间不会出现环路。pen线上即使有不平衡电流和谐波电流，但不会流向pe线，pe线上无电流，不产生对地引发杂散电流的电场，因而具有很好的emc性能。
   
   　　7.2 一组电源设备分散布置方案
   　　如果变电所与发电机房有一段距离a1，且远大于发电机至应急电源柜的距离a2。由于发电机离变压器房离较远，不可能实施一点接地的方案。西门子公司推荐如图9配电系统方案。该方案的特征是需要在gps系统做一个主等电位联结实施一点接地，同时又在sps系统的发电机傍边再做一个主等电位联结实施一点接地。这就是说，一组电源存在两个接地点。研究该配电方案的布置时应注意：
   　　（1）正常供电电源（gps）：变压器相线与中性点分别与主配电柜（gps）的l1、l2、3和pen线相连，即变压器至gps柜为tnc系统，两台变压器主配电开关和母联开关均采用3极断路器。
   　　（2）pen线与pe线贯通gps柜， pen线与pe线（两个母排）在柜内连接与主等电位体联结体一点接地。
   　　（3）安全（备用）供电电源（sps）：发电机相线与中性点分别与主配电柜（sps）的l1、l2、l3和pen线相连，即发电机至sps柜为tnc系统。发电机主配电开关为4极开关。
   　　（4）sps柜中pe线连接发电机旁主等电位联结，实现一点接地。
   　　（5）gps系统 与sps系统各有一个接地点。由于有两个接地点，pen线与pe线间形成环路。为此gps系统与sps系统的母线联络开关必须采用4极开关，即断开pen线，切断pen线上的正常工作电流对地形成的环流。
   　　（6）gps系统与sps系统不允许并联运行。gps和sps用atse（双电源自动转换装置）相互切换时，会出现一段短暂并联运行的时间，此时emc环境不友好。
   　　（7）不容许n线与pe线之间连接跨接桥，并要用仪器测量监测，以保证一点接地的措施的落实。
   8 结束语
   　　国内低压配电系统，绝大部分都采用tn接地制式。三相四线制配电系统的中性线负荷电流引起的电压降，在电源设备多点接地的情况下，容易出现环流，为了消除环流，常采用4极开关断开（联络用）中性线。4极开关在国内的实际应用中出现了很多的问题。
   　　一点接地等电位联结布置方式消除中性线与pe线（大地）之间产生的环流，从根上改善了配电系统的emc环境。本文介绍的西门子两种典型的配电方案，适用于多电源设备的配电系统，值得国内同行研究。