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水电站计算机监控系统电磁干扰研究

2014-08-15

时代农机 2014年11期
关键词:干扰源屏蔽水电站

陈 宇

(贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂,贵州 铜仁565109)

1 水电站计算机监控系统的作用

(1)使电站的运行满足安全可靠的要求。安全运行是水电站第一要务,值班人员必须每时每刻对水电站的不同运行工况和所有设备进行严密监测,才能保证水电站的安全可靠运行。水电站内需要监测的实时信息数量与水电站发电机的容量和发电机台数有非常紧密的关系,大型水电站的信息量最多可达成千上万个。为了快速发现处理各种故障,避免事故的产生,必须快速采集和处理大量信息,只有采用计算机监控才能弥补操作人员的缺陷。假设只靠人工监测,则不能迅速发现异常,不能及时采取措施,导致各种可能的事故发生。所以,采用计算机监控系统很大程度上提高了水电站的安全运行水平。

(2)能保证水电站的经济运行。水电站采用自动发电控制(AGC)以后,可以使水电站处于最优工况下运行。各梯级水电站实现梯级优化运行后,可以节约宝贵的水资源,提高经济效益。我国一些统计数据表明,水电站计算机监控系统可以大大提高水能利用率,能提高大约为1%的效益。效益也会随水电站的调节能力的不同而有所变化,比如,调节性能较强的水库和负荷曲线变化较大的电站的经济效益有可能增加显著;再如,梯级水电站实行经济调度以后能获得更大的经济效益,经济效益比不实行经济运行时可提高百分之几。

(3)达到“无人值守或少人值守”。各水电站自从采用计算机监控系统之后,信息的监测和操作大都由自动控制系统进行,而运行人员只进行监视和少量的计算机操作,很大程度上减轻了运行人员的工作量。所以可以适量减少运行人员的数量,某些水电站甚至可以实行无人值守。减少运行人员后,则也可相应减少生活配套设施,大大节约投资的同时也可以提高经济效益和社会效益。

2 水电站电磁干扰及抑制方法研究

水电站的电磁干扰类别的区分,从干扰源的原理上可以分为:自然干扰和人为干扰,内部干扰和外部干扰。水电站厂房内的干扰主要有:①内部干扰:电磁辐射主要由厂房的内部一次元件通过親合产生的;②系统外接线干扰:称为传输干扰,主要由信号线和电源的传输产生;③空间电磁辐射干扰:比如雷达、通信、雷电、无线电等等会产生干扰,由于外部空间的电磁辐射干扰分布极为普遍、复杂,它不但可以与计算机外围设备及通信网络产生親也合,能通过计算机内部的电磁稱合产生干扰。由外围设备和通信线路的电磁感应产生干扰,电磁场的大小、频率是影响辐射干扰强度的主要因素,并且辐射干扰强度与水电站内各种设备的地理位置有关,需要采取一定措施防止其进入系统,一般通过计算机的局部屏蔽、设置电缆等方法屏蔽体的屏蔽性能是以其屏蔽效能来衡量,因此需要得到屏蔽效能的理论计算公式。目前,对电磁屏蔽的分析方法有三种,分别为:

(1)应用电路中的电磁感应原理,可以由涡流的屏蔽效应来描述电磁屏蔽的原理。这种分析方法比较简单形象,但它没有反映出屏蔽体材料的导磁率对屏蔽效能的影响,也没有把干扰源的场特性、传播媒质与屏蔽体分界面的特性考虑在内,所以很难得到精确计算公式描述电磁屏蔽的效应。

(2)应用电磁场理论,可以计算出电磁波在各种介质的分界面和介质内部传播时产生反射以及衰减。对于平面电磁波垂直射入无限延伸的平面屏蔽体时,这种分析方法可以比较简单导出屏蔽效能的计算公式,但对于其他场源特性和尺寸并不远远大于波长的实际屏蔽体,计算出的屏蔽效能误差较大。

(3)应用传输线理论,行波在有损耗但非均匀传输线中传输时会产生反射和损耗,这种现象与电磁波通过金属传播时的现象类似,所以可以用它模拟行波的反射与衰减,而这种方法比经典的电磁场理论要简单方便。

可以从两方面进行减少电磁干扰,即,一是消除干扰源,二是切断稱合通道。一般的抑制措施有隔离、平衡、接地、屏蔽等等。因为不同水电站设备布置情况不同,受干扰程度也不相同,一般进行电磁干扰的抑制措施有:只采用其中一种方法,或同时采用几种不同的方法进行抑制。①隔离。影响水电站计算机监控系统可靠性的最主要的外部因素是电磁干扰。我们都知道磁场强度的大小正比于距离的二次方。按照这一原理,根据水电站的实际情况,一般采用物理隔离,也就是增加计算机监控系统与电磁干扰源的距离以达到抑制电磁干扰的目的,比如在输电线或母线中使用变压器隔离,信号采集系统中使用光电隔离等等。水电站中的各种电磁干扰的性质虽有所不同,但它们都表现为不等电位干扰。要克服这种现象,需要将计算机监控系统柜中的相对独立部分进行分隔,把整个系统分为多个小系统,再将每个小系统单独接地,各小系统之间采用绝缘强度高的绝缘材料进行隔离,这样处理的方法是可以减小每个共地系统的空间距离,并且便于消除不等电位干扰。②抑制干扰源。增大容易受电磁干扰的设备与强干扰源之间的距离是抑制干扰源最有效可行的方法,并且同时要对干扰源采用屏蔽措施。比如,采用同轴电缆对干扰源进行屏蔽时,必须采用单端接地方式;采用屏蔽隔离板可以隔离系统各模板间的干扰,但是必须构成等电位屏蔽,即屏蔽板必须与系统保护接地点相连,这样可以避免产生新的不等电位干扰。以上两个方面,是进行干扰源屏蔽的关键问题。③屏蔽措施。计算机监控系统的各个电气部分均可能存在电磁稱合千扰,比如,电源线与系统的耦合、电器柜内部电路的耦合、输入/输出信号线之间的耦合、板间耦合等等。保护易受干扰的通道和抑制干扰源是抑制耦合的两种方法,以上两种方法相结合就是所谓的屏蔽。

3 主要的磁场干扰计算

3.1 工频稳态磁场干扰强度的计算

各个发电机经出口母线与升压变压器直接相连,把电能输入电力网络。水电站中都存在不同的电压等级,因为同一条线路两端传输的功率相同,由于发电机出口母线的电压较低,所以电流很大。发电机出口母线的电压一般不会变化很大,随着发电机额定功率的增大,其额定电流却增大很多。磁场强度正比于电流,当电流较大时,母线附近会产生很大的工频磁场干扰。

在实际计算中应注意以下问题:

(1)敞露式母线额定状态下运行时,机房的最大磁场强度有可能会超过国际规定的80A/rn的容许值。由此可见,对一些采用敞露式母线的电站,其单机容量虽然小一些,但如机组距离大电流回路较近,场强仍有可能超过标准容许值,并且裸露母线短路的机率也比封闭大,要注意进行环境场强的演算或实测。

(2)不连式封闭母线,外壳只有涡流作用,对壳外磁场的削弱作用并不大,因而也不满足环境的要求;

(3)全连式分相封闭母线主要靠外壳环流还有祸流的联合作用,使壳外磁场大大削弱,正常运行和短路情况的磁场均低于标准规定的容许值。

3.2 短路暂态与高频磁场干扰强度计算

离相封闭母线的外壳在短路工况下会受到母线磁场强度的影响,当是全连式外壳时,不仅会在外壳中产生涡流,而且祸流会在各个绝缘段中来回流动而产生环流。当属于不连式时,就会在全连段中产生相间环流和涡流。短路电流分为交流分量和直流分量两分部分,因而祸流分也为两个部分,即分别由短路电流的交流分量和直流分量产生。其中,由交流分量感应产生的涡流和环流与交流稳态时相似,但是会随母线电流的变化而变化;而直流分量不同,对应的时间常数Ta的变化率比工频慢很多,因此它的电磁感应强度也会小很多,因为外壳电阻的作用,很大程度上限制了涡流和环流。

在实际计算中应注意以下问题:

(1)采用全连式分相封闭母线结构的电站,由于壳外磁场大为削弱,正常和短路情况下的磁场强度通常不会超过标准规定的容许值,一般不必考虑机房的磁屏蔽措施。但在运行中必须注意,因为壳外磁场的减小主要依靠环流的作用,因此封闭母线各段之间以及端板的连接必须良好以保证环流畅通。

(2)低频磁屏蔽效能随屏蔽体的体积增大而减小,由于计算机场所的体积都比较大,要得到较好的屏蔽效果,就要采用很厚的钢板,致使投资巨大,施工也很困难。

(3)对于采用计算机监控的大中型水电站,特别是采用敞露式母线结构的电厂,在设计阶段就应对有关场所的环境磁场进行分析,如果不满足环境场强的要求,应采取相应的措施,如机组远离大电流母线回路,敞露式母线改为封闭母线或者对部分设备有针对性地采用局部的磁屏蔽措施等。

(4)目前,计算机监控系统的显示部件CRT的抗工频磁场干扰的性能很差,要研究采取有效的屏蔽措施以提高其抗干扰能力。

4 结语

计算机监控系统对确保水电站的安全、可靠、稳定运行有着十分重要的作用,影响计算机监控系统正常工作的重要因素之一是各种工况下的电磁干扰。水电站本身是一个复杂的干扰源,存在着各种电磁干扰等。针对国内一些釆用计算机监控系统的大中型水电站已经出现程度不同的因电磁干扰而影响正常工作的突出问题,一些科研院所、企业和专家已经展开了卓有成效的研究,并取得了一定的效果,但加强计算机监控系统电磁干扰研究的工作依然任重道远。

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