1、勵磁裝置的電磁兼容設(shè)計勵磁裝置的電磁兼容設(shè)計 論文論文 關(guān)鍵字：過電壓 觸發(fā) 勵磁 電磁兼容 脈沖 發(fā)電機 同步 抑制 試驗 裝置 勵磁裝置的電磁兼容設(shè)計 李志軍 陸儉國 劉艷萍 （河北工業(yè)大學(xué),天津 300130） 摘 要 勵磁裝置是發(fā)電機的主要輔機，其性能好壞直接關(guān)系到電力生產(chǎn)的可靠性。良好的電磁兼容設(shè)計是勵磁裝置品質(zhì)的可靠保證，本篇論文結(jié)合勵磁裝置的特點，主要從設(shè)備自身防護的角度重點論述勵磁裝置的交、直流側(cè)過電壓及過電壓抑制；高次諧波及諧波抑制；可控硅同步及觸發(fā)脈沖的噪聲抑制；量測回路的噪聲抑制等措施，測試試驗及現(xiàn)場應(yīng)用驗證了其實用性。 關(guān)鍵詞 勵磁裝置；電磁兼容；可靠性 EMC Des

2、ign of Excitation Equipment Li Zhijun Lu Jianguo Liu Yanping （Hebei University of Technology, Tianjin 300130,China） Abstract :The reliability of excitation equipment whose quality is assured by a fine design of EMC is very important for electric power production. This paper mainly discusses an EMC d

3、esign method of excitation equipment, includes AC and DC circuit, synchronous and firing pulse circuit of thyritors, measurement and measurement circuit, and so on. Its practicability has been validated by testing in laboratory and power station. Key words : Excitation equipment ; EMC; Reliability 1

4、.概述 電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility 簡稱 EMC)指的是設(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)成不能承受的電磁干擾能力。電磁兼容技術(shù)是以解決實踐中的電磁干擾而出現(xiàn)并發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。從廣義角度來講,電磁兼容技術(shù)要研究和解決的問題是電氣、電子設(shè)備及系統(tǒng)以及人類或動植物在一個共同的電磁環(huán)境中的安全共存問題。它既包括電氣、電子設(shè)備之間的相互干擾,也包括自然界電磁干擾(宇宙干擾、天電干擾、雷電干擾等)對電氣、電子設(shè)備、人或動植物的電磁影響或電磁效應(yīng)。 在電力系統(tǒng)中, 自動化設(shè)備可能產(chǎn)生各種電磁騷擾并處在惡劣的電磁污染環(huán)境中。為了保證

5、自身能夠正?？煽康毓ぷ?它們必須承受這些電磁干擾(EMI)而不誤動、拒動，同時它們自身產(chǎn)生的電磁騷擾又不能影響周圍別的電子產(chǎn)品的正常工作。因此這些產(chǎn)品必須在設(shè)計、制造、測試、安裝與運行上完全符合 GB 或IEC 所規(guī)定的 EMC 標準要求。 2.勵磁裝置電磁兼容的特殊性 傳統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)的設(shè)計要從電磁兼容的三個基本要素著手，從原理的可行性、元器件的選擇、加工生產(chǎn)工藝、安裝運行環(huán)境等幾個方面來重點考慮。以微型計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)為核心的微機勵磁裝置是電力系統(tǒng)中主要自動化設(shè)備之一，除去其存在與傳統(tǒng)自動化設(shè)備的電磁兼容問題之外，還具備其自身的特殊性。 如圖 1 所示為一典型的自并激微機勵磁裝置

6、原理框圖，其主要組成包括：與發(fā)電機機端或電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的勵磁變壓器（LB）、發(fā)電機定子電流互感器（CT）、發(fā)電機機端電壓互感器(PT)；勵磁功率單元 G1-G4；直流側(cè)過壓保護及滅磁單元(ZB)；雙通道（CHI、CHII）微機勵磁調(diào)節(jié)器等。 基于電力系統(tǒng)微機型自動化設(shè)備的傳統(tǒng)電磁兼容設(shè)計已為人們所熟知，本篇論文將結(jié)合勵磁裝置的特點，主要從設(shè)備自身防護的角度重點論述勵磁裝置的交、直流側(cè)過電壓及過電壓抑制；高次諧波及諧波抑制；可控硅同步及觸發(fā)脈沖的噪聲抑制；量測回路的噪聲抑制等。 3.勵磁裝置的電磁兼容設(shè)計 3.1 勵磁裝置的過壓及過壓抑制 如圖 1 所示，微機勵磁裝置中的功率源是由和電網(wǎng)關(guān)聯(lián)的發(fā)電

7、機機端經(jīng)由勵磁變壓器（LB）供給的，而電網(wǎng)是一個十分嚴重的噪聲源，電網(wǎng)因直接受到雷擊或因雷電感應(yīng)所產(chǎn)生的浪涌電壓線值可達 6kV，對地可達 12kV；各種電氣設(shè)備開關(guān)時所產(chǎn)生的浪涌電壓以及電氣設(shè)備電源對地短路引起的電網(wǎng)電壓波動也可達常規(guī)電壓的 4 倍，另外勵磁裝置功率源本體運行時也會產(chǎn)生影響設(shè)備安全運行的過電壓。這些過電壓不僅會危及功率器件和發(fā)電機絕緣的安全，而且由于其具有豐富的頻譜，會形成嚴重的騷擾源，若不加以有效抑制，將嚴重威脅勵磁裝置的安全運行。 3.1.1 勵磁裝置過電壓分類 在同步發(fā)電機勵磁裝置中過電壓的原因是多方面的，按過電壓方式的不同可分為如下幾類： 1.交流側(cè)過電壓：（1） 經(jīng)

8、由變壓器或發(fā)電機機端傳輸?shù)絼畲叛b置的大氣過電壓或由操作引起的暫態(tài)過電壓；（2） 勵磁變壓器分斷引起的過電壓；（3） 由于勵磁變壓器存在漏抗，可控硅整流器件換相引起的過電壓；（4） 由勵磁變壓器（LB）耦合電容引入的操作過電壓。 2.直流側(cè)過電壓（1） 滅磁開關(guān)開斷引起的過電壓；（2） 同步發(fā)電機與電網(wǎng)并列非全相合閘引起的過電壓；（3） 變壓器高壓側(cè)發(fā)生兩相或三相短路引起的過電壓；（4） 非同步運行引起的過電壓；（5） 可控硅整流橋工作時的換相過電壓。 3.1.2 勵磁裝置過電壓抑制 實際應(yīng)用的過電壓抑制措施應(yīng)視具體情況而定，通常選擇其中幾項以構(gòu)成合理的抑制。選用時應(yīng)以簡單可靠、吸收暫態(tài)能量大、

9、抑制過電壓能力強、使用壽命長等為總的原則。 1.采用壓敏電阻抑制交直流側(cè)過電壓 如圖 1 交流側(cè)保護柜（JB）、直流側(cè)過壓保護及初勵柜（ZB）內(nèi)抑制原理簡圖所示，抑制交直流側(cè)過電壓簡單而有效的方法是在交流電源輸入端、整流橋的輸出端及容易產(chǎn)生尖峰電壓的地方并接壓敏電阻。壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等材料燒結(jié)制成的非線性電阻元件，是一種較為理想的浪涌吸收器，壓敏電阻本身體積很小，當電路電壓低于其標稱電壓 U1mA 時，電阻很大，只有幾 A的漏電流；當電壓超過壓敏電阻的標稱電壓 U1mA 時，電阻急劇減小，可通過高達數(shù)千安的放電電流，從而將過電壓的能量瀉放，以達到保護整流元件、主開關(guān)元件的目的。 論文

10、勵磁裝置的電磁兼容設(shè)計來自 2.采用隔離屏蔽技術(shù)抑制電網(wǎng)噪聲 普通電源變壓器的初次級繞組之間存在著數(shù)百微法的分布電容，這種分布電容不僅容量大，而且有十分好的頻率特性，對高頻噪聲有很低的阻抗。通過初次級繞組之間的分布電容耦合而引入的噪聲是電網(wǎng)噪聲的主要傳輸渠道。 勵磁裝置中可采用初次級繞組之間加設(shè)接地屏蔽層的特制變壓器或在變壓器二次側(cè)直接接入對地電容的方法抑制電網(wǎng)噪聲。 3.采用五線式保護抑制換相過電壓 由勵磁變壓器或交流勵磁機供電的可控硅整流器勵磁裝置，由于整流元件之間存在著周期性換相，在換相瞬間將產(chǎn)生足以危機可控硅安全運行的換相過電壓。采用圖 2 所示的由 R1、C1、R2、C2、R3、C3

11、、V11-V17 組成的五線式保護方案可以獲得良好的抑制效果。 3.2 勵磁裝置的的諧波及諧波抑制 在采用整流器的勵磁裝置中，不論是由交流勵磁機供電還是由勵磁變壓器供電，整流器的交流相電流均發(fā)生畸變，具有非正弦波形，并存在高次諧波電流分量。諧波分析表明，對于周期為 2、對稱于橫軸的交流電流波形，不存在直流分量及偶次諧波，除基波外只存在奇次諧波。在勵磁裝置中采用 Y/d-11 接線方式、二次繞組為三角形連接的變壓器，因無中性點接線，可以有效地抑制三次及三的倍數(shù)次奇次諧波。 3.3 量測回路的噪聲抑制 勵磁裝置是以發(fā)電機機端電壓為主要控制對象的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖 1 所示其量測回路主要經(jīng)由電流互感

12、器(CT)、電壓互感器（PT)構(gòu)成，該回路輸入一般是幾千安培到幾十千安培的交流電流信號或幾千伏到幾十千伏的交流電壓信號。電流互感器(CT)輸出一般為 5 安培、電壓互感器(PT) 輸出一般為 100 伏。 微機勵磁裝置采用交流接口把發(fā)電機的電壓互感器付邊電壓以及電流互感器付邊電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)成比例的較低的交流電壓。微型計算機對這些電壓采樣，并計算出當時發(fā)電機的機端電壓、定子電流、有功功率、無功功率等重要電量。這些信號相對于勵磁裝置來說至關(guān)重要，處理不好的話將對整個勵磁裝置的性能帶來非常大的影響。 如圖 3.、圖 4. 所示交流電壓接口和交流電流接口，在勵磁裝置中除了完成其信號幅度變換的基本功能外

13、，通過采取隔離屏蔽、雪崩二極管限副、模擬式低通濾波等噪聲抑制措施可以大大提高其電磁兼容特性。 3.4 可控硅同步和觸發(fā)脈沖的噪聲抑制 由 3.3 可知，勵磁裝置是以發(fā)電機機端電壓為主要控制對象的閉環(huán)控制系統(tǒng)，而發(fā)電機機端電壓的控制是通過控制勵磁裝置功率器件可控硅的觸發(fā)角度完成的。在勵磁裝置中，由于電或磁的騷擾造成的同步和脈沖干擾可導(dǎo)致可控硅誤導(dǎo)通，從而引發(fā)發(fā)電機無功大幅度震蕩的事故時有發(fā)生。為了保證電力系統(tǒng)的安全運行，必須采取必要的抑制防護措施。 3.4.1 利用采保技術(shù)抑制同步噪聲 在實際應(yīng)用過程中，由于可控硅換相引發(fā)的同步信號二次過零現(xiàn)象普遍存在，嚴重破壞了作為觸發(fā)脈沖控制角的記時起點，這

14、一現(xiàn)象的存在威脅著發(fā)電機勵磁裝置的穩(wěn)定運行。 國內(nèi)勵磁裝置中普遍運用的方法是通過同步變壓器 30或 90相移接法，使同步電壓整形前超前 30或 90，然后通過 RC 低通濾波器回歸，借此將二次過零噪聲信號消除。這一方法由于電路簡單、實現(xiàn)容易在國內(nèi)獲得了普遍應(yīng)用。但是 30移相低通濾波器回歸法在同步信號波形畸變嚴重時效果不佳，而 90移相低通濾波器回歸法又使得同步信號衰減嚴重在一定程度上也制約了其應(yīng)用。 我們知道，觸發(fā)脈沖引發(fā)換相過程，二次過零又在換相過程中產(chǎn)生，微機勵磁裝置利用可控硅觸發(fā)脈沖作為同步電壓采保信號源，通過計算機合理設(shè)置保持時間可以靈活適應(yīng)不同復(fù)雜條件。如圖 5 所示電氣原理簡圖，

15、同步采保技術(shù)+移相低通濾波技術(shù)完美地解決了這一難題。 3.4.2 脈沖傳輸和噪聲抑制 可控硅的誤觸發(fā)通常是由于騷擾信號進入門極電路而引起的。在勵磁裝置中產(chǎn)生控制脈沖的勵磁調(diào)節(jié)器和可控硅功率橋通常分別放置，兩者距離有時可達500 米以上，因此除了對觸發(fā)電路本身采用的通用抑制措施之外，還必須針對勵磁裝置的特殊性采取進一步措施以確保觸發(fā)脈沖的正確性。 （1）采用獨立脈沖觸發(fā)電源以及彼此獨立的觸發(fā)脈沖信號、地回路，降低傳導(dǎo)干擾； （2）在可控硅功率橋設(shè)置噪聲閾值及恢復(fù)整形電路提高觸發(fā)脈沖可靠度； （3）采用電流環(huán)提高脈沖遠距離傳輸噪聲容限； （4）將可控硅觸發(fā)門極回路導(dǎo)線加以屏蔽。如采用有屏蔽層的的絞

16、線，將金屬屏蔽層接地。此外，與大電流的導(dǎo)線以及易產(chǎn)生干擾的引線（如接觸器、繼電器操作回路）之間應(yīng)保證足夠的距離。 （5）單獨敷線，走線徑直，避免和電感類元件混合或其回路并行。 4.試驗 到目前為止，我國已經(jīng)制定了 70 多個有關(guān)電磁兼容的國家標準。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的微機型產(chǎn)品的電磁兼容項目主要有：GB/T17626.2-1998電磁兼容試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗干擾試驗、GB/T17626.4-1998電磁兼容試驗和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗干擾試驗、GB/T17626.5-1999電磁兼容試驗和測量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗干擾試驗、GB/T17626.3-1998電磁兼容試驗和測量技術(shù) （射頻）

17、輻射電磁場抗干擾試驗、GB/T17626.12-1998電磁兼容試驗和測量技術(shù) 振蕩波抗干擾試驗。 本文論及的勵磁裝置曾委托上海電器設(shè)備檢測所依據(jù)國標檢驗依據(jù)進行了上述項目的電磁兼容試驗，除去接觸靜電放電試驗失敗外全部通過了檢測，接觸靜電放電試驗經(jīng)接地系統(tǒng)的進一步處理后也順利通過。 5.結(jié)論 本文針對勵磁裝置的特點，結(jié)合電磁兼容理論和工程實踐，從工程應(yīng)用的角度討論了勵磁裝置電磁兼容設(shè)計的幾個特殊問題，設(shè)計并經(jīng)實踐證明所采用的電磁兼容措施獲得了良好的設(shè)計效果。衷心希望能對勵磁裝置和電力系統(tǒng)工作者有所幫助。 參考文獻 1李基成（Li Jicheng），現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用（Design and Application of Modern Excitation System）,中國電力出版社(China Power Press)。 2全國無線電干擾標準化技術(shù)委員會；全國電磁兼容標準化聯(lián)合聯(lián)合工作組；中國實驗室國家認可委員會編著.電磁兼容標準實施指南（Implementation Guide of EMC Standards），中國標準出版社(China st