一種抗電磁干擾電氣控制柜的設計

查笑春 李龍星 張永強

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710077）

0 引言

隨著國網公司對建設智能化變電站的要求越來越高，智能裝置在變電站內得到了廣泛的應用。變電站內由于感應、耦合和傳導等引起的電磁干擾經常影響智能裝置的正常工作。目前變電站內二次控制系統向數字化、集成化和高速化方向發展，智能裝置的工作電壓降到0～5V，信號電壓小，工作頻帶寬，且與一次系統干擾源同頻段，使其對外界干擾的敏感度遠大于傳統的控制設備；而且其工作環境是電磁干擾非常嚴重的強電環境，一旦受到電磁干擾，將不能正常工作，給電力系統的安全、可靠運行造成嚴重威脅。在變電站中，智能裝置一般安裝在就地的電氣控制柜內，柜體的電磁屏蔽能力對智能裝置的安全運行起著至關重要的作用[1]。因此，提高變電站內電氣控制柜的電磁屏蔽能力具有重要的實際意義。

1 技術背景

電氣控制柜作為變電站中安裝智能裝置的主要載體，為裝置提供安全、穩定的運行環境[2]。電氣控制柜內的許多精密裝置是電氣控制柜的核心，對外界環境比較敏感，只有在干燥、少塵、無電磁干擾的工況下才能保持長期安全穩定的運行。在變電站中，電磁干擾主要來源于各種輸電線路、智能裝置和無線電通信設備，它們嚴重影響了控制柜內裝置運行的穩定性。因此，為保證站內裝置的安全穩定運行，需要根據電磁干擾的性質，從材料、表面處理及走線接地等方面進行改進設計，以做好屏蔽措施，有效減少控制柜內的干擾現象[3]。

2 技術方案

2.1 電磁干擾分析

根據對變電站內電磁干擾源的分析發現，變電站中影響智能裝置穩定運行的電磁干擾主要有裝置之間的電磁干擾及變電站內產生的電磁干擾。為了使裝置能夠在電磁環境中正常運行，需要裝置本身具有抗環境電磁干擾的能力和電磁兼容能力，同時需要在電氣控制柜的設計中考慮電磁干擾和兼容性的問題[4]。

本文主要從提高電氣控制柜的電磁屏蔽能力角度對控制柜的設計進行分析。

2.2 電磁屏蔽技術原理

電磁屏蔽的原理是基于電磁波穿過金屬屏蔽體產生波反射和波吸收的機理，它的作用是切斷電磁波的傳播途徑，從而消除干擾。

一般抗電磁干擾設計途徑如圖1所示[5]。

圖1 抗電磁干擾設計途徑

電磁干擾以電磁波的方式在空間中進行傳播，屏蔽電磁干擾技術用來抑制電磁干擾在空間的傳播，即切斷電磁干擾的傳播途徑。在智能裝置的電磁兼容性設計中，屏蔽、接地、濾波是三種最常見的電磁干擾抑制方法。其中屏蔽就是用屏蔽體將干擾源或敏感體（受干擾的設備或部件）包圍起來，以隔離被包圍部分與外界電的、磁的或電磁的相互干擾[6]，是解決電磁干擾問題最重要的手段之一。

屏蔽是一種直接而有效的控制電磁干擾的方法，它對電磁輻射有良好的抑制作用，主要用于切斷通過空間輻射的電磁干擾的傳輸途徑[6]。在電氣控制柜的實際設計中因為維護、散熱等許多因素的影響，柜體上必然存在孔洞和縫隙，這些縫隙和孔洞是使控制柜電磁屏蔽效能降低的主要原因。因此，本文主要介紹幾種能有效處理這些縫隙和孔洞的方法，以使柜體的屏蔽達到理想效果[7]。

實際上，真正影響屏蔽體屏蔽效果的只有兩個因素：①整個屏蔽體表面必須是連續的；②不能有直接穿透屏蔽體的導體。所以在設計柜體時，外殼處采取無縫隙焊接結構，不用或少用可拆卸式壓接縫及開啟式的活動縫，柜體和柜門之間采取一定的技術手段保證柜體的整體導電連續性，切斷電磁波的傳播途徑，從而達到電磁屏蔽的目的。

2.3 技術方案

根據上述影響柜體屏蔽效能的因素，在對變電站用電氣控制柜的設計中，主要從以下幾方面重點考慮，以改善柜體的電磁屏蔽效果。

1）柜體材料的選擇

根據電磁學基本原理可知，屏蔽材料的選擇對電磁屏蔽效果的影響是最大的，在選擇屏蔽材料時，一定要選用導磁性和導電性良好的材料，若要兼顧靜電屏蔽和電磁屏蔽，可采用電磁屏蔽和磁場屏蔽雙層屏蔽的結構來解決，其屏蔽效果為每層屏蔽效果之和。

對1kHz以下的低頻屏蔽體選用磁導率較高的磁性材料，如鐵、潑墨合金等；對高頻屏蔽體選用良導體。由于鋼材料具有較高的導電能力，因此其是用于磁場屏蔽的理想材料[8]。

一般來講，電氣控制柜的柜體通常采用導電能力較高的鋼材料，這種材料可確保柜體結構的強度和穩定性，提高柜體的抗振性能。雖然屏蔽材料的厚度與其屏蔽效果成正比，但在實際應用中考慮到厚度對其尺寸、質量、適用性等方面的影響，因而應該根據實際情況來確定厚度，在確保良好屏蔽效果的基礎上盡量薄一些[9]。

在實際工程應用中控制柜柜體一般采用不銹鋼材料進行連續焊接或鑄造加工成型。這種材料既可以抵抗外界電磁干擾對柜內智能裝置的影響，同時可以保證柜體結構的強度和穩定性，使柜內的電氣元件免受影響。

2）柜體結構的設計

為保證屏蔽效果，目前電氣控制柜的柜體[10]（見圖2）采用正面開口，在開口位置安裝用于提供密封和屏蔽效能的柜門（見圖3），在柜體和柜門處采用整體鉸鏈（見圖2）結構。其中，在柜體上設置有門沿（見圖3），該門沿采用向外翻邊的結構，當水流進入時，外翻邊可以對水流起到阻隔作用。此外，如果水流要進入柜體，必須先越過外層的密封層才可能與門沿的外翻邊相接觸，這有效提高了柜體的密封防水性能[10]。這種柜體結構已通過了國網公司組織的電氣控制柜性能檢測要求，并通過了防水試驗，戶外用柜體的防護等級達到IP54，報告編號為CEPRI—SY5—2015—078，該型電氣控制柜已大量應用于實際工程中。

圖2 柜門設計

圖3 柜體接縫處設計

同時為保證柜體的電磁兼容性能，在實際柜體設計中柜體與柜門之間采用專用的屏蔽密封條進行可靠連接，保證柜門與柜體的有效導通，不留縫隙，如圖4所示。

圖4 柜門與柜體屏蔽結構

3）柜體表面處理

翻邊結構的柜體表面金屬裸露處進行導電涂敷，涂敷之后其電阻值為毫歐級，同時在門沿翻邊結構上還包裹有一層導電金屬（見圖2）。

4）柜門設計

5）橡膠密封設計

柜體開口外沿處固定一圈橡膠密封墊（見圖2），柜門在門框外圈安裝有一圈橡膠密封圈（見圖2），當柜門關閉時，橡膠密封墊和柜門上的橡膠密封圈緊密結合，確保二者有一定的壓縮變形量，與柜門之間形成致密狀，可有效避免雨水侵入，達到防水效果。橡膠密封圈安裝于柜門上，可以防止在施工過程中被踩踏損壞，保證控制柜的密封性能。

6）接縫處設計

當屏蔽體存在縫隙時，對反射和衰減的影響較大。當縫隙最大尺寸大于λ/4（λ為最大頻率下的波長）時，幾乎沒有屏蔽效果；小于λ/20時有基本的屏蔽效果；小于λ/100時有理想的屏蔽效果。當縫隙的深度較大時，由于多次反射的累計作用，可以大大提高縫隙的屏蔽效果，因此屏蔽體的表面應該是平滑而成一體的表面，無縫隙、無孔洞，才能確保屏蔽體良好的電磁屏蔽效果。但在實際中，電氣控制柜的機殼采用焊接、螺紋聯接等方法加工而成，焊接質量和螺絲緊固件之間存在的不密閉空間使得屏蔽體表面的金屬板之間經常存在一些細長的縫隙，導致屏蔽效果下降。

因此，為保證屏蔽效果，在電氣控制柜設計過程中：①在柜體接縫處進行連續焊接；②柜體的縫隙不平整處采用導電襯墊填充構成導電連續體，連接柜體和柜門的整體鉸鏈通過螺紋盲孔套（見圖3）固定于柜體上，即在柜體上開設螺紋盲孔套，該螺紋盲孔套為盲孔，既具有密封作用，又具有屏蔽電磁干擾的作用，整體鉸鏈與柜體采用螺釘固定，防止雨水通過螺釘孔進入柜體，提高柜體的電磁屏蔽性能；③柜體的焊縫處沒有虛焊、漏焊及裂紋、燒穿等情況。

7）布線的抗干擾防護設計

由于不同電纜中電位各不相同，因此，電纜的電磁泄漏也會造成電磁干擾，需要采取合理的布線設計，才能有效抑制這類干擾。布線設計中：①要將容易受到干擾的弱電線與發射干擾的強電線分開布置，使二者盡量遠離，布線設計時合理安排好強電和弱電的分區；②要減少回路的布線網孔，利用膠合線完成布線；③要使接線盡量短、直，切忌迂回繞彎。因此在布局中應將空開和接觸器等分開布置于控制柜內的上、下格子中，以減少干擾的產 生[11]。實際的電氣控制柜布線設計如圖5所示，柜體左側為強電控制回路，右側為弱電控制回路。

圖5 柜內布線設計

8）接地設計

接地一般分為安全接地、防雷接地及工作接地。前兩種接地主要是從安全角度考慮，直接接在大地上；第三種接地根據不同的種類可分為直流地、信號地、電源及屏蔽地等。屏蔽與接地配合使用，可以使柜體的屏蔽效果增強。當整個控制柜內的設備需要抵抗外界電磁屏蔽干擾時，需要將屏蔽體接到系統地上。

在高頻電路中，導線存在趨膚效應，即導線內部實際上沒有任何電流，電流集中在臨近導線外表的薄層上，使導線的電阻增加，進而使導線的損耗功率增加，因此，趨膚效應使導線性傳輸線在高頻時效率很低，因為其傳輸的信號衰減很大。因此為了削弱趨膚效應，在高頻電路中通常采用編制電纜作為接地線使用，同時在電纜連接端子上增加金屬片，加大接觸面積，增強傳輸效果。

實際的電氣控制柜設計中，根據國網公司對柜內接地銅牌的尺寸要求，柜內安裝有40×3mm2的接地銅牌，柜內智能裝置的接地點與接地銅牌通過黃綠接地線進行連接，保證柜內裝置的接地。

同時在柜體外圍的左右兩側各設計一個接地凸臺，與大地同電位，可有效減小接地電阻，提高柜體的屏蔽效能。接地設計如圖6所示。

圖6 接地設計

9）柜體通風口設計

對于柜體的通風口，采取在通風窗內加裝波導材料（見圖7）來達到屏蔽目的。柜體內形成了一個空氣屏蔽的空間，取得了良好的屏蔽效果[12]。

圖7 通風口的屏蔽結構

10）電線電纜的選擇

屏蔽柜在試驗室中不連接任何電纜時能夠滿足電磁屏蔽的嚴格要求，但在現場使用時卻經常只有50dB左右的屏蔽效能甚至完全無效。這是因為在現場使用時電纜與機柜的連接不正確，在將連接電纜拔掉后機柜的屏蔽效能又恢復正常。這說明電纜是導致系統屏蔽效能降低的直接原因。在工程實際應用中電纜一般選用帶有屏蔽層的電纜。當電纜僅有一層屏蔽層時，采用一端接地；當電纜有兩層以上絕緣隔離的屏蔽層時，最外層兩端接地，內層一端接地。內層一端接地是為了防止電容性干擾源，即強電產生的電磁干擾；外層兩端接地是為了防止電感性干擾源[4]。

實際工程中電纜采用兩端接地的方式，在GIS一次本體側，電纜的屏蔽層接到一次本體側的接地點上[13]；電氣控制柜內電纜的屏蔽層與柜內的接地銅牌進行連接，柜內的電纜接地如圖8所示。

圖8 電纜接地

以上幾種設計方案實現了電氣控制柜柜體的密封防護，保障了柜體的防水防塵功能，并在保證密封效果的前提下，使柜體的屏蔽效能得到提高，可以同時解決現有的柜體在密封防護和屏蔽電磁干擾方面的技術問題。

3 試驗驗證

按照以上方法對原有的控制柜進行電磁屏蔽設計后，為了驗證屏蔽效果，在試驗室利用儀器按照GB/T 18663.3—2007中規定的一級要求進行測試。低頻段30～230MHz，屏蔽性能大于20dB；高頻段230～1 000MHz，屏蔽性能大于10dB。最終電氣控制柜的電磁屏蔽性能達到了GB/T 18663.3—2007中規定的一級要求。

電磁屏蔽試驗儀器如圖9和圖10所示。

圖9 試驗儀器1

圖10 試驗儀器2

柜體設計完成后，在相關試驗機構進行了電磁屏蔽效能驗證，測試結果見表1。

表1 屏蔽效能測試結果

參加國網性能檢測柜體的外觀如圖11所示。

圖11 柜體外觀

4 結論

通過對變電站中電磁產生的原因、電磁干擾對智能裝置的影響及電氣控制柜柜體結構進行分析、研究，在電氣控制柜設計中選用一系列可以有效預防電磁干擾的方法，減少或抑制了電磁干擾對變電站內智能裝置的影響，保證了站內電子裝置可靠穩定的運行。