水電廠電磁干擾強度計算方法分析

摘 要：水電廠內本身存在著很多種電磁場，比如雷電過電壓電磁場、靜電場、高頻電磁場、工頻磁場等等，它是一個復雜的干擾源。為了計算機監控系統的正常運行，在水電廠的設計之初，必須認真考慮其抗干擾的問題，才能滿足相關標準規范和各種設備抗電磁干擾的能力，才能保證水電廠投產后計算機監控設備的可靠運行。

關鍵詞：水電廠；計算機監控系統；電磁干擾

引言

目前，計算機系統在工業控制領域的應用范圍隨著計算機技術的快速發展也明顯擴大，特別是在水電站的應用范圍越來越廣，而計算機系統的抗電磁干擾能力是影響整個電力系統正常、可靠運行的關鍵。水電站的一次設備布置的地理位置會對水電廠的各種自動控制設備產生明顯的影響，很大一部分自動控制設備處于母線等一次強電設備所產生的電磁場干擾中，所以，必須提高水電廠計算機監控系統的可靠性才能滿足運行條件的要求；首先要在工程設計、安裝施工中切實考慮并多方配合，另一方面要求硬件供應廠家提高設備的抗干擾能力。因此，不管計算機監控系統的技術有多先進，如若不能妥善處理電磁干擾問題，也不能保證計算機監控系統的安全可靠運行，也就更談不上保證電力系統的安全、可靠運行。

1 工頻穩態磁場干擾強度的計算

各個發電機經出口母線與升壓變壓器直接相連，把電能輸饋入電力網絡。水電站中都存在不同的電壓等級，因為同一條線路兩端傳輸的功率相同，由于發電機出口母線的電壓較低，所以電流很大。發電機出口母線的電壓一般不會變化很大，隨著發電機額定功率的增大，其額定電流卻增大很多。磁場強度正比于電流，當電流較大時，母線附近會產生很大的工頻磁場干擾。

各種大型發電機的出口母線一般采用封閉母線，即帶有金屬外殼，其金屬外殼直接接地。因為存在電磁感應，軸向電勢出現在其外殼中，短路時，該電勢的有效值在可達，對人身會造成危害。金屬外殼有兩種，其一是不連式外殼，其每一相母線具有獨立金屬外殼，并且其兩端做成鄰段絕緣并接地；其二是三相全連式母線，把母線金屬外殼沿長度用鋁板分段焊接并接地。

工業現場普遍存在著臨近效應。所謂臨近效應是：其它相導體處于一載流導體附近時，其它相導體就會受到該載流導體的交變磁場的感應而產生渦流，并且其它相導體產生的渦流會改變載流導體的電流分布。頻率，導線間距、電導率、磁導率，與導體的截面形狀以及導體直徑（或截面尺寸）是影響鄰近效應的大小主要因數。所以，封閉母線不可避免的要考慮鄰近效應。

電磁感應問題考慮鄰近效應時，它必須滿足以下物理關系：①歐姆定律；②電磁感應定律；③安培環路定律。由于多導體存在時，電磁感應是十分復雜的，很難一次算出整個系統的感應電流的分布。因此逐次逼近法是工程計算中一般采用的方法，它在忽略其它導體的存在的前提下，首先把所有電流源分別作用在每一根導體上所感應出來的電流分布求出，然后將得到的各導體電流的分布作為新的電流源，修正一次其在除該導體自身外其它每一根導體上所感應出來的電流分布。然后重復此過程，直到達到工程需要。最后可以得到這樣的結論：每一次所感應的渦流總比上一次感應出來的要小。當計算次數趨近于無窮時，就會逼近一種穩定狀態，即新感應的渦流收斂為零。也就是說：一根導體中的電流分布與該導體所在的整個場內的總電流（包括載流電流源）相“適應”，即滿足歐姆定律、電磁感應定律和安培環路定律。

可得出以下結論：

（1）敞露式母線額定狀態下運行時，機房的最大磁場強度有可能會超過國際規定的80A/m的容許值。由此可見，對一些采用敞露式母線的電站，其單機容量雖然小一些，但如機組距離大電流回路較近，場強仍有可能超過標準容許值，并且裸露母線短路的機率也比封閉大，要注意進行環境場強的演算或實測。

（2）不連式封閉母線，外殼只有渦流作用，對殼外磁場的削弱作用并不大，因而也不滿足環境的要求。

（3）全連式分相封閉母線主要靠外殼環流還有渦流的聯合作用，使殼外磁場大大削弱，正常運行和短路情況的磁場均低于標準規定的容許值。

2 短路暫態與高頻磁場干擾強度計算

離相封閉母線的外殼在短路工況下會受到母線磁場強度的影響，當是全連式外殼時，不僅會在外殼中產生渦流，而且渦流會在各個絕緣段中來回流動而產生環流。當屬于不連式時，就會在全連段中產生相間環流和渦流。短路電流分為交流分量和直流分量兩分部分，因而渦流分也為兩個部分，即分別由短路電流的交流分量和直流分量產生。其中，由交流分量感應產生的渦流和環流與交流穩態時相似，但是會隨母線電流的變化而變化；而直流分量不同，對應的時間常數Ta的變化率比工頻慢很多，因此它的電磁感應強度也會小很多，因為外殼電阻的作用，很大程度上限制了渦流和環流。

可得出以下結論：

（1）采用全連式分相封閉母線結構的電站，由于殼外磁場大為削弱，正常和短路情況下的磁場強度通常不會超過標準規定的容許值，一般不必考慮機房的磁屏蔽措施。但在運行中必須注意，因為殼外磁場的減小主要依靠環流的作用，因此封閉母線各段之間以及端板的連接必須良好以保證環流暢通。

（2）低頻磁屏蔽效能隨屏蔽體的體積增大而減小，由于計算機場所的體積都比較大，要得到較好的屏蔽效果，就要采用很厚的鋼板，致使投資巨大，施工也很困難。

（3）對于采用計算機監控的大中型水電廠，特別是采用敞露式母線結構的電廠，在設計階段就應對有關場所的環境磁場進行分析，如果不滿足環境場強的要求，應采取相應的措施，如機組遠離大電流母線回路，敞露式母線改為封閉母線或者對部分設備有針對性地采用局部的磁屏蔽措施等。

（4）目前，計算機監控系統的顯示部件CRT的抗工頻磁場干擾的性能很差，要研究采取有效的屏蔽措施以提高其抗干擾能力。

（5）水電廠電磁干擾及其抑制方法

從干擾源產生的機理來看，水電廠的電磁干擾大致分為：人為干擾、自然干擾、內部干擾和外部干擾。廠房內的干擾通常來自以下幾個方面：a.系統內部干擾：主要由廠房的內部元器件及線路間的相互電磁輻射產生；b.系統外引線干擾：主要通過信號線和電源的傳輸引入，也稱為傳輸干擾；c.來自空間的輻射干擾：可由雷電、無線電、雷達、通信等產生，由于外部自由空間的電磁輻射干擾分布極為復雜，它可以通過計算機內部的電路耦合感應產生干擾，還可以通過輻射計算機外圍設備及通信網絡，由外圍設備和通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與電磁場的頻率、大小并且和現場設備布置有關，需要采取一定措施防止其進入系統，一般通過計算機的局部屏蔽、設置電纜等方法。

抑制電磁干擾可以從兩方面進行，即消除干擾源和切斷耦合通道，常用的抑制措施有隔離、屏蔽、平衡、接地等。針對各水電廠設備布置情況和受干擾程度，通常采用一種方法或其中幾種方法結合在一起進行電磁干擾抑制。

3 結束語

目前，計算機技術有著快速發展，其在工業控制應用領域也明顯拓寬，計算機監控系統在水電廠的應用越來越廣泛，該系統的抗電磁干擾能力是關系到整個電力系統可靠、正常運行的關鍵。空間環境布置會對水電廠的控制設備產生影響，大多的控制設備處在大電流線路和強電設備所形成的惡劣的電磁場環境中。故需要提高水電廠計算機監控系統的可靠性，另一方面則要在工程設計、安裝施工中切實考慮并多方配合，一方面要求硬件供應廠家提高設備的抗干擾能力，否則如不能處理好電磁干擾問題，即使技術先進的監控系統也不能保證其安全可靠運行。

作者簡介：李孝正（1978- ），碩士，研究方向：水電廠電磁干擾。