电磁兼容技术在电力自动化系统中设计

浅述电磁兼容技术在电力自动化系统中的设计

摘要：当今，随着电力系统自动化设备的研发，电磁兼容问题

越来越引起人们的重视，笔者就电磁兼容技术在电力自动化系统中

的相关问题进行了简要的阐述分析。供设计生产人员参考。

关键词：电力系统自动化；电磁兼容：试验方法；设计

引言：

电磁兼容技术是以解决电气、电子设备间的电磁干扰而浮现并

发展起来的一门学科。随着电力系统自动化设备的迅猛发展和广泛

应用，电力系统自动化设备的电磁兼容问题显得越来越突出。特殊

是电力系统继电保护、通信、控制和测量领域中应用的计算机系统

相互间兼容状态越来越难以获得。在发达国家较早就形成为了一套

完

整的技术工作体系，包括理论研究、试验与测试、规范标准及

抗干扰技术等，近年我国经过泛博科技人员的努力技术的研究

和技术管理工作方面得到了长足的发展，使技术标准和技术管

理标准与国际标准逐渐接轨，为提高我国电力系统自动化设备在国

际市场和国际招标的竞争能力提供了良好的平台。

一、电磁兼容对电力系统自动化设备的几个干扰与破坏问题

由于电力系统本身是众多一次系统设备和二次系统设备的集合

体，因此电力系统自动化设备作为二次系统设备的一部份，其电磁

干扰的来源十分复杂。外来电磁辐射、一次系统设备、二次系统设

备、二次系统设备之间、自动化设备内部元件之间、各传送通道间

的电磁干扰均对自动化设备产生干扰与破坏。

电力系统自动化设备均包含有以微机系统为核心的大规模

数字电路和摹拟电路，其中应用最多的是二极管、集成电路块、

转换电路等，它们既是干扰源，又是对干扰敏感的器件，特别

以、最为敏感。

十扰信号在微机系统表现的形态有差模与共模两种形态。电

磁干扰侵入微机系统的主要途径有电源系统、传导通路、对空间电

磁波的感应方面包括内部空间的静电场、电磁场的感应。其

中静电场、电磁场的感应在微机系统内部普遍存在，静电是电

路的大敌。由于微机系统工作于低电压大电流方式，电源线、输入

输出线构成高速大电流回路，故有较强的也磁感应。

微机系统之间的内部传输线有延时、波形畸变、受外界干扰

等方面问题。

脉冲干扰是研究的重点，因为微机系统是以识别二进制码为

前题的，其组成以数字电路为主，数字电路传送的是脉冲信号，同

时也易对脉冲干扰敏感。以开关模式工作的开关及开关电源变化频

率高达几十万，容易在内外产生脉冲干扰。

对电源影响比较敏感。电源对电子系统的影响有电源波动影

响和系统作用影响两个方面。所谓电源波动影响是指由于电源波动

引起的信号紊乱和系统失调。系统作用影响是指因电源是系统所有

信号的交叉点而引起的系统各信号之间的相互影响。系统作用的大

小与电源功率裕度、滤波能力及电源连线方式、分布形状有关。

二、电磁兼容技术的设计方法

影响微机系统电磁兼容性的因素见下式：

333U)

式中：3------干扰对系统或者设备的影响；

U)--------干扰的强弱；

3------干扰传输的耦合函数；

3------受干扰系统或者设备的抗干扰能力，即敏感度

阀值。

显然，影响系统或者设备受干扰严重程度的因素有个方面,

他们都是频率的函数。该数学模型提示了提高抗干扰能力的原理

是：①切断干扰源，即减小3;②减小耦合，即减小3;

③提高受干扰系统或者设备的敏感度阀值，即加大3o在

实际情况中，往往是个因素综合考虑，并按①©③的顺序去采

取措施，以获得最佳的效果。

电磁兼容技术的设计要从电磁兼容的个基本要素着手，从原

理的可行性、元器件的选择、加工生产工艺、安装运行环境等几个

方面来考虑。把握不同类型电磁干扰的本质，对不同的干扰频率、

频谱采用相应的滤波、隔离、接地、屏蔽等措施。

滤波

滤波是利用滤波器来抑制电磁干扰，滤波器是由集中参数的电

阻、电容和电感，或者是分布参数的电阻、电容、电感构成的一种

网络，这种网络只允许实用信号的频率分量通过，阻挠其他干扰频

率通过，使电磁干扰减少到满意的工作电平上。滤波器是防止传导

电磁干扰的主要措施。其工作方式有两种：一种是不让无用信号通

过，并把它们反射回信号源；另一种是把无用信号在滤波器里消耗

掉。在采用滤波方法来抑制传导干扰时，首先要了解干扰源的频谱、

干扰源在频带中的分布情况，干扰波幅值等。可以通过干扰仪器来

检测，获得干扰源的频带分布和幅值，有针对性地选择滤波器的种

类或者设计滤波器电路。

隔离

隔离是干扰路线馈线周围存在干扰电磁场，当其他路线导

线在其附近时，由于电磁耦合而形成干扰。防止这种干扰最简单

而有效的方法是将干扰路线与其它路线隔离开来，以切断或者削弱

它们之间的电磁耦合。隔离的原则和方法是：

干扰路线和其他路线尽可能不要平行罗列，如必须平行，导

线间距与导线直径之比应不小于2,在可

能情况下导线间距应尽量大些，并且平行部份的长度越小越好；

敏感路线与普通路线如平行罗列，此间距应大于；

电源馈线与信号线应予隔离，当他们平行罗列时，此间距应

大于；

高频导线是对其他路线干扰最大的路线，普通都要屏蔽；

有些脉冲路线的脉冲功率较大，对其他路线构成严重干扰，

应按干扰路线对待C至于电平较低，功率很低的数字电路可按普通

路线处理，原则上按敏感电路对待，也可根据具体情况处理。

接地

接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的低

电阻的通路，把系统中电子元件的零电位互相连接起来，再把它们

同时与某个等价于“地”的参考点连起来。接地的主要目的是防止

电磁干扰，消除公共电路阻抗的耦合，也是为了保障人身和设备的

安全。基本接地技术有浮地、单点接地、多点接地和混合接地种。

浮地常用于电路或者设备工作状态不能与公共地或者大地

相连接，它的原理近似于起到隔离变压器的作用；

单点接地是所有需要接地的引线全部接到一个点，再由这个

点直接与地相连接。普通用于抑制频率在以下的干扰信号；

多点接地是指系统或者设备中所需接地的引线直接接到离

它们最近的地上。普通用于抑制频率在以上的干扰信

号；

混合接地是在复杂情况下，设备或者单元电路的接地难以通

过一个简单的接地形式来解决而采取的混合形式，用于干扰信号

频率

在~的情况。

利用接地的方式可以减少或者衰减干扰源的能量，但应注意以

下几点：

①接地线尽量短；

②接地线阻抗要尽可能小；

③应采用金属材料相同的导线作为接地线；

④接地线的接地点应有良好的导电性能；

⑤接地线的连接点要有足够的机械强度。

屏蔽

屏蔽就是用导电或者导磁材料制成的盒、壳、屏、板等将电磁

能限制在一定空间范围内，使场的能量从屏蔽体的一面传到另一

面时，受到很大衰减而防止电磁干扰的措施。有电屏蔽、磁屏蔽

和电磁屏蔽种方法。

电力系统自动化设备的电磁兼容技术也是基于上面的理论，对

不同功能、不同安装地点、不同结构的设备应分别有侧重点的采取

不同的电磁兼容技术措施。

三、电磁兼容的技术分析

电力系统自动化设备是由微机系统或者单片机系统，转

换电路、转换电路、电源回路、外围驱动电路、外围电路、

通讯电路等构成的一个系统或者一个网络。在研究电力系统自动化

设备电磁兼容问题的同时，也要对其各个沟成电路或者系统的电磁

兼容性加以重点研究。目前，我国电力系统自动化设备电磁兼容

技术主要有以下几种：

频率设计技术

频率设计技术要解决的是频率兼容的问题，也是微机系统设计

中的比较复杂的技术之一。频率设计包括电平幅度边沿和频率

核实、最高工作频率设计以及降频和谐波分离低频信号的频率不

与高频信号成整倍数，特殊是转换的速率技术；

接地技术

接地技术包括两个方面，一方面是电源内阻分析技术，另一方

面是接地点和地线设计技术。电源内阻的分析实际上就是对电源最

大瞬时功率的分析飞接地点和地线分析设计的原则是做到频率隔

离、功率隔离。频率隔离是指高低频系统分开，功率隔离是指弱

功率和大功率分开；

电源技术

电源技术一方面包括了电源特性的设计，例如电源要保证有适

当的容性电流吸收能力和一定的功率裕度，另一方面还包括系统电

源性质的选择，如使用电池还是使用整流电源，所有电源的种类，

电源之间是否需要交换，集中供电还是分布式供电等；

布线技术

要降低各管脚和连线之间的相互影响，必须对分布参数加以限

制。分布参数主要由系统的布线所决定，因此，布线是系统或者设

备电磁兼容技术的关键，也是系统或者设备电磁兼容技术设计的

基本体现。布线技术包括环绕布线、线径选择、分层处理等；

降频控制技术

对输出的高频信号，在保证系统正常工作的情况下尽量降低频

率，对某些输出信号采取平滑措施例如驱动电路中加入适当

的电阻和电容。对功率较大的输出信号包括低频阶跃信号，如

输出等特别要考虑降频处理；

多层板去耦技术

随着微机系统的频率越来越高以及电路的几何尺寸不断缩小，

多层板电路己成为印制电路板的主要模式。多层板的一个重要功能

就是可以大大地降低系统各连线之间的分布参数影响;

表面贴片技术

表面贴片是一种使集成电路与印制电路板形成一体的电路制作

技术。集成电路出厂时不加封装，而是直接出厂裸芯片。电路制作

时利用焊接技术把裸芯片粘贴到印制电路板表面，这种电路不仅体

积小，而且电磁兼容的性能大为提高；

软件技术方法

当外界干扰窜入并破坏了程序的正常运行时，就会产生程序

“跑飞”,程序走，中断不响应和芯片内信息发生变化，从而产生

误动作等。通常可以通过如下儿种方法实现软件抗干扰：

①加入空指令，目的是使微机的指令地址纳入正规，以便执行

下面的指令；

②收留井法，即在空指令后再增加处理“跑飞”的程序；

③定时监视主程序

④由主程序监视中断运行情况

⑤采取容错技术，用时间冗余或者信息冗余方法进行抗干扰和提

高可靠性。

由于电力系统自动化设备运行的电磁环境十分恶劣，因此，

必须对其安装运行环境采取相应的抗干扰措施。目前，工程上采取

的方法如下：

①良好导磁材料机箱的选用及合理设计机箱的尺寸大小，接插

件的合理布置，接线端子的引出方式等；

②设备安装环境应采取的措施主控室应采取屏蔽、接地等措

施；

③设备运行和管理人员必要的电磁兼容知识的培训；

④其他措施。

四、电磁兼容的试验方法

检验电磁兼容措施实施的效果要通过一些必要的试验，常用的

电磁兼容试验有：谐波试验、间谐波试验、信号系统干扰试验、阻

尼振荡试验、快速瞬变试验、静电放电试验等。

五、电磁兼容问题的新动向

微机系统是电力系统自动化设备的核心部份。随着计算机技术

的高速发展，电力系统自动化设备势必向着高速度、高灵敏度、小

型化、多功能、大系统的方向发展，这就使电力系统自动化设备电

磁兼容问题有了一定的新内容。例如，高速度带来宽带噪声，高灵

敏度使原可略去的弱小干扰信号不可忽略，小型化增加了内部的耦

合干扰，大系统使干扰源增多，干扰问题更为恶化。估