EMC環(huán)境友好的西門(mén)子低壓配電系統

　　1.1 概述

　　自動(dòng)化系統或監控系統通常為低壓配電系統中的子系統，負責這類(lèi)子系統的工程技術(shù)人員非常關(guān)心emc（電磁兼容性）或emi（電磁干擾），因為不友好的emc環(huán)境常使他們的系統或系統中電子設備出現故障，甚至損壞，如：自動(dòng)化系統停機;

　　傳動(dòng)系統燒設備;

　　數據網(wǎng)絡(luò )故障;

　　電腦和服務(wù)器損壞;

　　打印機失靈;

　　局域網(wǎng)絡(luò )數據傳輸率降低甚至停頓;

　　報警系統誤報警;

　　金屬管路和接地線(xiàn)嚴重腐蝕。

　　在安裝和調試自動(dòng)化系統或監控系統時(shí)，通常從三方面著(zhù)手：即找出干擾源，即干擾來(lái)自系統本身或外部其他原因；采取措施，隔離或切斷傳播干擾的途徑（也稱(chēng)耦合機理）；提高系統和設備自身抗電磁干擾的能力。見(jiàn)圖1。

　　在尋找干擾源時(shí)，常用示波器觀(guān)測干擾信號的波形。當發(fā)現信號線(xiàn)或控制線(xiàn)的直流電平上疊加諧波，50hz或150hz的交流干擾電平時(shí)，這些干擾信號多半來(lái)自于配電系統本身。如不從配電系統本身考慮，采用如圖1中的推薦的（如接地，屏蔽，濾波等）措施很難消除這些干擾信號。在分析配電系統如何消除這類(lèi)電磁干擾信號前，有必要先對電磁干擾的傳播途徑或耦合機理作簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

　?。?） 電位耦合

　　兩個(gè)或兩個(gè)以上線(xiàn)路通過(guò)一個(gè)公共阻抗連接在一起時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電位耦合機理。該公共阻抗可以是電源內阻，電源接頭，零電位導線(xiàn)，保護地線(xiàn)（pe線(xiàn)），或與接地系統相關(guān)的設施。分析圖2中的電位耦合原理圖，強電線(xiàn)路a與信號線(xiàn)路b有一個(gè)公共阻抗zk，兩個(gè)線(xiàn)路的電流ia和ib在公共阻抗zk上產(chǎn)生電壓降uxab。該電壓降是線(xiàn)路a和線(xiàn)路b的干擾源。一個(gè)線(xiàn)路（或多個(gè)）多點(diǎn)接地后會(huì )形成環(huán)路，電壓降是形成環(huán)電流的根源。

　?。?）電容耦合

　　具不同電位的兩根導線(xiàn)間可能會(huì )產(chǎn)生電容耦合。分析圖2中電容耦合原理圖，兩根導線(xiàn)間電位差就是電場(chǎng)，導線(xiàn)間存在的分布電容就是阻抗，所以線(xiàn)路1與線(xiàn)路2會(huì )流通電流，并在線(xiàn)路2中產(chǎn)生干擾電壓u2。耦合電容值取決于導線(xiàn)敷設的條件。實(shí)際施工時(shí)，應避免兩線(xiàn)平行敷設，信號線(xiàn)貼近地走。靜電放電等屬電容耦合機理。

　?。?）感應耦合

　　兩個(gè)或兩個(gè)以上的線(xiàn)路在周?chē)a(chǎn)生的磁通相互交聯(lián)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生感應耦合。分析圖2中電感耦合原理圖，一個(gè)磁路的磁通變化會(huì )在另一線(xiàn)路的導線(xiàn)環(huán)路中（相當于一線(xiàn)圈繞組）感應干擾電壓。這也說(shuō)明為什么一個(gè)很簡(jiǎn)單的線(xiàn)路也會(huì )受到干擾。該瞬態(tài)磁場(chǎng)可能是由如雷電，操作過(guò)電壓或靜電放電等現象引起；另外一個(gè)線(xiàn)路中的電流變化也會(huì )在另一個(gè)線(xiàn)路中感應電壓。該感應電壓主要取決于電流的變化率和互感系數mk。而mk取決于磁場(chǎng)強度以及磁場(chǎng)的導磁率。

　?。?）電磁線(xiàn)耦合

　　兩根或兩根個(gè)以上的長(cháng)線(xiàn)之間同時(shí)存在電和磁干擾時(shí)，則會(huì )發(fā)生電磁線(xiàn)干擾現象。所謂長(cháng)線(xiàn)是指干擾脈沖的上升沿時(shí)間遠小于該脈沖通過(guò)該線(xiàn)的時(shí)間。

　　這些長(cháng)線(xiàn)中的電流和電壓相互有關(guān)聯(lián)的，并非毫不相干?？捎梦⒎址治龇椒ㄓ嬎惝a(chǎn)生的干擾電磁場(chǎng)。

　?。?）輻射耦合

　　一個(gè)線(xiàn)路的電磁場(chǎng)可產(chǎn)生的電磁波，以光速傳播作用于另一個(gè)線(xiàn)路的現象稱(chēng)輻射耦合。當離干擾源距離很近時(shí)，我們主要處理的是來(lái)自電位耦合，感應耦合或電容耦合的干擾;當離干擾源距離很遠時(shí)，我們主要處理的來(lái)自輻射耦合的干擾。

2 低壓配電線(xiàn)路對周?chē)娮釉O備的干擾

　　低壓配電線(xiàn)路本身是一個(gè)大電場(chǎng)，電源設備的容量越大，電能越足，可向固定負載，移動(dòng)負載和電動(dòng)機等用電設備提供的電流也越大。低壓電場(chǎng)（電壓）通過(guò)電容耦合（分布電容）會(huì )在臨近的其他線(xiàn)路中產(chǎn)生干擾的電壓和電流；配電線(xiàn)路中電流在它的周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)可在環(huán)型線(xiàn)路中感應電勢；配電線(xiàn)路中的電流也會(huì )產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生輻射干擾，以光速傳播干擾距離較遠的線(xiàn)路。配電線(xiàn)路在周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)其磁通密度達1μtesla時(shí)，可使14/15英寸的lcd屏幕圖像閃爍；而0.5μtesla的磁通密度足以使17/21英寸lcd屏幕（或crt監視器屏幕）的圖像閃爍。德國曾把配電線(xiàn)路作為干擾源，lcd顯示屏幕作為電磁干擾的受害者，研究?jì)烧咧g的相互關(guān)系，即配電線(xiàn)路的工況與敷線(xiàn)方式對顯示屏幕的干擾距離之間的關(guān)系。圖3是通過(guò)試驗得出的結果。其中縱坐標為線(xiàn)路在空間產(chǎn)生的磁通密度，橫坐標為線(xiàn)路對屏幕的干擾距離。分析該試驗例子可說(shuō)明：

　?。?） 三相電流不平衡時(shí)，干擾距離增大，干擾距離與三相電流的不平衡度有關(guān)。

　?。?） 三相電流平衡工況下，電流越大，干擾距離越遠。

　?。?） 三相電流平衡工況下，三相導線(xiàn)按e方式布線(xiàn)，干擾距離最短。

　　該試驗是基于低壓三相三線(xiàn)制的供電方式，有其一定的局限性。

3 低壓配電系統中性線(xiàn)的負荷工況

　　中性線(xiàn)配出的三相電源稱(chēng)三相四線(xiàn)制系統，滿(mǎn)足了額定電壓為220v大量的單相負荷的電能需求。對三相四線(xiàn)制系統來(lái)說(shuō)，如三相負荷平衡又無(wú)諧波電流的活，則流過(guò)中性線(xiàn)的電流的向量和為零。目前，在公共建筑物，高層住宅和辦公大樓中均配有大量的計算機，電子信息設備；電子娛樂(lè )設備，變頻空調，調光器，以及電子節能燈等器件已深入到每家每戶(hù)。這類(lèi)設備通過(guò)整流器，從正弦電壓波形的電網(wǎng)中吸取非正弦波形的電流，非正弦電流在線(xiàn)路上的電壓降又造成正弦電壓波形的失真。非正弦波電流含有大量的高次諧波分量，其中主要的是3次諧波分量。由于三相電源中接入大量的單相負載，事實(shí)上很難做到三相負荷電流平衡。三相負荷不平衡指的是接入三相電源的各相的功率不平衡，各相負載的功率因素不平衡以及各相負載產(chǎn)生的諧波電流不平衡。此時(shí)，中性線(xiàn)流過(guò)的電流為三相不平衡負荷（基波50hz）電流的向量和，三次諧波（三倍頻次）電流的算術(shù)和，以及其他高次諧波電流的向量和，詳見(jiàn)圖4。正是由于上述原因，n線(xiàn)上會(huì )出現過(guò)電流（或過(guò)載）現象。因此設計低壓配電系統時(shí)，很多場(chǎng)合不再減少n線(xiàn)截面，把n線(xiàn)的截面等同于相線(xiàn)截面。也正是由于n線(xiàn)上的不平衡電流和諧波電流，造成系統嚴重的電磁干擾（emi）現象。

4 接地系統與emi

　　低壓配電系統中的帶電（流通電流的）導線(xiàn)是指電源相線(xiàn)（l1，l2，l3），n線(xiàn)（中性線(xiàn)）；pe線(xiàn)（保護地線(xiàn)）僅在電氣系統（或其中的設備）故障時(shí)，才流通故障電流，實(shí)質(zhì)上也是帶電導線(xiàn)。低壓配電系統有三種接地制式，詳見(jiàn)圖5。配電系統不同的接地制式可用兩個(gè)字母表示并加以區分：

　　第一個(gè)字母表示電源設備接地的條件， 其中：

　　t= 電力變壓器低壓繞組中性點(diǎn)直接接地；

　　i= 電力變壓器低壓繞組中性點(diǎn)對地絕緣或通過(guò)阻抗接地。

　　第二個(gè)字母表示電氣設備（裝置）外露導體的接地的條件，其中：

　　t= 電氣設備（裝置）外露導電體接地，該接地點(diǎn)遠離于變壓器低壓繞組中性點(diǎn)的接地點(diǎn)。

　　n= 電氣設備（裝置）外露導電體部分與變壓器低壓繞組中性點(diǎn)（系統地）連接。

　　對tn系統， 還用第三個(gè)字母來(lái)說(shuō)明n線(xiàn)與pe線(xiàn)的關(guān)系；其中：

　　tn-c:n線(xiàn)與pe線(xiàn)合并為一根線(xiàn)，即pen線(xiàn)（4根線(xiàn)）。

　　tn-s:n與pe兩根導線(xiàn)，與三根相線(xiàn)一起配出（5根線(xiàn)）

　　tn-c-s：近電源側為tnc （4根線(xiàn)），配出后把pen線(xiàn)分成2根線(xiàn)后成為tn-s。

　　低壓配電系統的接地制式（系統）決定了系統本身的線(xiàn)路保護技術(shù)和措施，也決定了系統本身的電磁兼容性。依據實(shí)際經(jīng)驗，低壓tn-s系統具有最好的性?xún)r(jià)比，因為正常工況下，pe線(xiàn)上無(wú)剩余電流，大地中無(wú)雜散電流。當發(fā)生三相（或單相）短路故障時(shí)，短路電流通過(guò)線(xiàn)纜（而不是大地）返回電源，優(yōu)化了電磁兼容性，由于故障電流大，可用簡(jiǎn)單的線(xiàn)路保護電器（如熔斷器或斷路器）切斷故障。

5 單電源系統tn接地制式與emc

　　20-30年前，掛接在tnc配電系統上的電子設備很少，諧波問(wèn)題不嚴重，emc的問(wèn)題不太突出。三相負載平衡的情況下，n線(xiàn)上基本上無(wú)電流。然而，目前的低壓配電系統的負載性質(zhì)與以往有很大的不同。大功率的單相負載多了，帶整流電源的電子設備多了，很多負載具有很高的3次諧波分量和高次諧波分量。因此三相負荷很難平衡，如前面已分析的那樣：n線(xiàn)上除了不平衡負載電流外，還有疊加的3次（以及三倍頻）諧波電流和其他高次諧波電流分量，n線(xiàn)上的電流很大，并在n線(xiàn)上產(chǎn)生電壓降。圖6.a為tn-c接地制式，其特征是pe線(xiàn)與n線(xiàn)合二為一成pen線(xiàn)。為了防止人身接觸電擊事故的發(fā)生，接在配電系統中的電氣設備的外殼都是接地的。而電子設備除金屬外殼接地外，電子設備之間用帶屏蔽的通信線(xiàn)連接，其屏蔽層也是接地的，因而出現了多點(diǎn)接地的現象。