客运专线变配电所综合自动化系统电磁干扰问题的研究

2010-08-03靳忠福

铁道标准设计 2010年1期

靳忠福

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

客运专线变配电所综合自动化系统是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在铁路领域的综合应用。近年来,国内客运专线铁路建设迅猛发展,客运专线变配电所综合自动化系统得到了广泛的应用。变配电所内高压开关操作或故障、雷击所引起的浪涌电压、高低压电器设备操作、电器设备周围的静电场、高电压大电流的电缆和设备向周围辐射的电磁波都会引起电磁干扰。变配电所综合自动化系统是由若干个低电平的弱电系统构成的,它们所工作的环境是电磁干扰比较严重的强电场所,很容易受到这些电磁的干扰而不能正常工作,对客运专线安全运营的影响不容忽视。所以,提高变配电所综合自动化系统的抗电磁干扰能力有着非常重要的意义。

2 电磁干扰源的产生

2.1 电源干扰

电源作为各种系统不可缺少的重要部分,其影响不可忽略。电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干扰是指电源对大地,或中线对大地之间的电位差。“差模”干扰存在于电源相线与中线之间,对干三相电路来说,还存在于相线与相线之间。

2.2 外部干扰

外部干扰包括了高压开关操作、雷电、短路故障,电晕放电、高电压大电流的电缆和设备向周围辐射电磁波、高频载波、对讲机等辐射干扰源,以及附近电台、通信等产生的电磁干扰、静电放电等。

2.3 内部干扰

内部干扰是由自动化系统的结构、元件布置和生产工艺以及杂散电磁场通过感应和幅射方式进入信道的干扰(包括多路传输线之间的串扰),由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生的干扰。

3 电磁干扰对变配电所综合自动化系统的影响

3.1 干扰对电源回路的影响

监控主机系统和通信管理机,一般都采用AC220V电源。此电源来自变配电所交流屏,交流屏上一般还接有变配电所其他负荷,如采暖、通风及照明负荷等。电网的电压、频率波动都将直接影响到监控主机系统。由于电源与干扰源之间的直接耦合通道相对较多,而且电源线直接连至系统各部分,受干扰后往往造成计算机工作不稳定,甚至死机。

3.2 干扰对模拟量输入通道影响

干扰的直接后果是从电压互感器和电流互感器的二次接线引入浪涌电压,造成采集数据错误,影响采样精度和计算的准确性,可能引起微机保护或自动装置误动作,甚至损坏设备。

3.3 干扰对开关量的输入、输出通道的影响

变配电所现场的断路器、隔离开关的辅助触点处于恶劣的电磁干扰环境中,这些辅助触点通过长引线到开关量输入电路,必然带来干扰信息,干扰可能使断路器或隔离开关的辅助触点抖动甚至造成分闸、合闸位置判断错误。开关量的输出通道由计算机的输出至断路器的合闸、跳闸出口回路,除了易受外界引入的浪涌电压干扰外,自动装置内部,微机上电过程也容易有干扰信号,导致误动作。

3.4 干扰对 CPU和数字电路的影响

当干扰侵入自动化系统中的数字电路后,影响CPU的正常工作,如果地址线受到干扰,有可能发出错误指令。如果 CPU在传送数据的过程中,数据线受到干扰,会造成数据错误,逻辑混乱,对于微机保护装置来说也可能引起误动、拒动或死机。在强干扰下,可能引起随机存储器中部分区域的数据或标志出错,后果严重。

4 变配电所综合自动化系统抗电磁干扰的措施

从上面介绍可以看出,电磁干扰对变配电所综合自动化系统安全运行的影响很大,若不采取有效措施,将产生严重的后果。可在系统的硬件和软件方面采取一些必要的措施,以期消除或抑制电磁干扰。下面就软、硬件方面谈谈变配电所综合自动化系统的抗电磁干扰措施。

4.1 隔离和屏蔽

变配电所的微机监控系统、微机保护装置以及其他自动化装置所采集的模拟量,大多数来自一次系统的电压互感器和电流互感器,它们均处于强电回路中,不能直接输入到综合自动化系统,必须经过设置在自动化系统各种交流回路中的隔离变压器。这些隔离变压器一次、二次中间必须有隔离层和屏蔽层,而且屏蔽层必须安全接地,这样可起电场屏蔽作用,防止高频信号通过分布电容进入自动化系统的相应部件。

变配电所综合自动化系统开关量的输入,主要是断路器、隔离开关的辅助触点等。开关量的输出,大多数也是对断路器、隔离开关的控制。这些断路器和隔离开关都处于强电回路中,如果与自动化系统直接相连,必然会引起强的电磁干扰。因此要通过光耦合隔离或继电器隔离,这样会取得比较好的效果。开关量输入回路前及信号变换部分应考虑采用滤波,开关量输入信号送给 CPU之前,必须进行隔离处理,可采用光电隔离,而且两级光电隔离的效果会比较好,在开关量输入板的出口处和 CPU板的入口处各设置一级光电隔离。开关量输出回路也应该在前端采取隔离措施,可通过光耦合或继电器进行隔离,而且两级隔离的效果比较好,在 CPU板的出口处和开关量输出板的入口处各设一级隔离。开关量输出回路一般都用于控制现场的设备,要求实时性强,所以一般不能加滤波器。

二次回路布线时,应考虑隔离,减少互感耦合,避免干扰由互感耦合侵入。控制电缆尽可能离开高压母线,并尽可能减少平行布设长度。避雷器和避雷针的接地点、电容式电压互感器等都是高频暂态电流的入地点,控制电缆也应尽可能离开它们,以便减少感应耦合。强、弱信号的电缆不应使用同一根电缆,信号电缆应尽可能避开电力电缆,尽量增大与电力电缆的距离,并尽量减少平行布设长度。

4.2 接地

在变配电所中,一次系统接地是以防雷和保证安全(系统中性点接地)为目的的,但它对二次回路的电磁兼容有重要的影响。如果接地合适,可以减少所内的高频瞬变电压幅值,特别是减少电网中各点的瞬变电位差,减低了电网中的瞬变电位升高。这对二次设备的电磁兼容很有好处。例如:①避雷针、避雷器的接地点应采用 2根以上的接地线和加密接地网络;②设备接地处要增加接地网络互连线;③设备接地线要接于地网导体交叉处。

二次系统的接地,从电磁兼容的角度来说,应做到:①多个电路共用接地线时,其阻抗应尽量减少;②由多个电子器件组成的系统,各电子器件的工作接地应连在一起,通过一点与安全接地网相连;③工作接地网各点的电位应尽量保持一致。

电磁干扰可能进入综合自动化系统弱电部分的主要途径是通过微机电源。因为电源与干扰源的联系比较紧密,同时电源线直接连接至系统各部分,因此来自电源的干扰很容易引起死机。所以对微机电源的地线处理很重要。微机电源地线与机壳的连接方法有一点连接、多点连接和不连接 3种。实践中,多采用微机电源地线和机壳不连接,它的优点是:由于干扰造成的流过电源的浪涌电流可大大减少,从而增加了抗共模干扰的能力,可明显地提高系统的安全性和可靠性。而缺点是:在电磁干扰下,对地电压降在微机电源和机壳之间浮动,如果微机系统中某一关键部分对机壳的耦合电容较大,则可能引起逻辑判断出错。针对电源地线与机壳不连接的缺点,可采用以下方法来尽量减少微机电源地线对机壳的耦合:①尽量减少地线长度,在允许的情况下加粗线径;②微机系统的印刷电路板周围都用电源线封闭起来;③印刷电路板上的要害部分不要走线过长,特别是不要引至面板。

4.3 微机电源的抗干扰

微机电源回路是电磁干扰最容易进入的通道,所以在电磁兼容标准中,对于同一试验等级,电源回路的试验电压比其他回路高 1倍,例如采用 3级试验等级的 EFT试验,电源回路的试验电压为 2kV,其他回路为 1kV。由于这个原因,所以电源回路必须采用比其他回路更多抗电磁干扰措施。对于微机电源的抗干扰,实践中,采取如下措施都是很有效的:①在电源的输入侧安装电源滤波器,可以滤去交流电源输入的高频干扰和高次谐波。在加装滤波器时有两个问题需要注意:一是选用合适类型的滤波器,不同类型的电源选择的滤波器也不同,如线性稳压电源滤波器、开关电源滤波器等。二是必须在电源进线的最前端放置滤波器,使滤波器之前的电源进线尽可能短,以尽量避免电磁干扰通过这段进线窜入装置内对电路其他部分产生影响。在可能的情况下,可考虑将滤波器直接安装在机箱上,让滤波器的金属外壳与机箱的金属外壳紧密接触;②在电源的输入侧安装隔离变压器,有隔离变压器的输出端直接向微机供电;③通过 UPS电源向微机系统供电,可有效地抑制电网低频正常状态下的干扰。