EMC環(huán)境友好的西門子低壓配電系統(tǒng)

　　1.1 概述

　　自動化系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)通常為低壓配電系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，負責(zé)這類子系統(tǒng)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(tǒng)或系統(tǒng)中電子設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至損壞，如：自動化系統(tǒng)停機;

　　傳動系統(tǒng)燒設(shè)備;

　　數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率降低甚至停頓;

　　報警系統(tǒng)誤報警;

　　金屬管路和接地線嚴重腐蝕。

　　在安裝和調(diào)試自動化系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)時，通常從三方面著手：即找出干擾源，即干擾來自系統(tǒng)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（也稱耦合機理）；提高系統(tǒng)和設(shè)備自身抗電磁干擾的能力。見圖1。

　　在尋找干擾源時，常用示波器觀測干擾信號的波形。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號線或控制線的直流電平上疊加諧波，50hz或150hz的交流干擾電平時，這些干擾信號多半來自于配電系統(tǒng)本身。如不從配電系統(tǒng)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(tǒng)如何消除這類電磁干擾信號前，有必要先對電磁干擾的傳播途徑或耦合機理作簡要的說明。

　?。?） 電位耦合

　　兩個或兩個以上線路通過一個公共阻抗連接在一起時，就會產(chǎn)生電位耦合機理。該公共阻抗可以是電源內(nèi)阻，電源接頭，零電位導(dǎo)線，保護地線（pe線），或與接地系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)施。分析圖2中的電位耦合原理圖，強電線路a與信號線路b有一個公共阻抗zk，兩個線路的電流ia和ib在公共阻抗zk上產(chǎn)生電壓降uxab。該電壓降是線路a和線路b的干擾源。一個線路（或多個）多點接地后會形成環(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(dǎo)線間可能會產(chǎn)生電容耦合。分析圖2中電容耦合原理圖，兩根導(dǎo)線間電位差就是電場，導(dǎo)線間存在的分布電容就是阻抗，所以線路1與線路2會流通電流，并在線路2中產(chǎn)生干擾電壓u2。耦合電容值取決于導(dǎo)線敷設(shè)的條件。實際施工時，應(yīng)避免兩線平行敷設(shè)，信號線貼近地走。靜電放電等屬電容耦合機理。

　?。?）感應(yīng)耦合

　　兩個或兩個以上的線路在周圍產(chǎn)生的磁通相互交聯(lián)時，就會產(chǎn)生感應(yīng)耦合。分析圖2中電感耦合原理圖，一個磁路的磁通變化會在另一線路的導(dǎo)線環(huán)路中（相當(dāng)于一線圈繞組）感應(yīng)干擾電壓。這也說明為什么一個很簡單的線路也會受到干擾。該瞬態(tài)磁場可能是由如雷電，操作過電壓或靜電放電等現(xiàn)象引起；另外一個線路中的電流變化也會在另一個線路中感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓主要取決于電流的變化率和互感系數(shù)mk。而mk取決于磁場強度以及磁場的導(dǎo)磁率。

　　（4）電磁線耦合

　　兩根或兩根個以上的長線之間同時存在電和磁干擾時，則會發(fā)生電磁線干擾現(xiàn)象。所謂長線是指干擾脈沖的上升沿時間遠小于該脈沖通過該線的時間。

　　這些長線中的電流和電壓相互有關(guān)聯(lián)的，并非毫不相干。可用微分分析方法計算產(chǎn)生的干擾電磁場。

　　（5）輻射耦合

　　一個線路的電磁場可產(chǎn)生的電磁波，以光速傳播作用于另一個線路的現(xiàn)象稱輻射耦合。當(dāng)離干擾源距離很近時，我們主要處理的是來自電位耦合，感應(yīng)耦合或電容耦合的干擾;當(dāng)離干擾源距離很遠時，我們主要處理的來自輻射耦合的干擾。

2 低壓配電線路對周圍電子設(shè)備的干擾

　　低壓配電線路本身是一個大電場，電源設(shè)備的容量越大，電能越足，可向固定負載，移動負載和電動機等用電設(shè)備提供的電流也越大。低壓電場（電壓）通過電容耦合（分布電容）會在臨近的其他線路中產(chǎn)生干擾的電壓和電流；配電線路中電流在它的周圍產(chǎn)生磁場，交變磁場可在環(huán)型線路中感應(yīng)電勢；配電線路中的電流也會產(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路。配電線路在周圍產(chǎn)生的磁場其磁通密度達1μtesla時，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(jiān)視器屏幕）的圖像閃爍。德國曾把配電線路作為干擾源，lcd顯示屏幕作為電磁干擾的受害者，研究兩者之間的相互關(guān)系，即配電線路的工況與敷線方式對顯示屏幕的干擾距離之間的關(guān)系。圖3是通過試驗得出的結(jié)果。其中縱坐標(biāo)為線路在空間產(chǎn)生的磁通密度，橫坐標(biāo)為線路對屏幕的干擾距離。分析該試驗例子可說明：

　?。?） 三相電流不平衡時，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(dǎo)線按e方式布線，干擾距離最短。

　　該試驗是基于低壓三相三線制的供電方式，有其一定的局限性。

3 低壓配電系統(tǒng)中性線的負荷工況

　　中性線配出的三相電源稱三相四線制系統(tǒng)，滿足了額定電壓為220v大量的單相負荷的電能需求。對三相四線制系統(tǒng)來說，如三相負荷平衡又無諧波電流的活，則流過中性線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(shè)備；電子娛樂設(shè)備，變頻空調(diào)，調(diào)光器，以及電子節(jié)能燈等器件已深入到每家每戶。這類設(shè)備通過整流器，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，中性線流過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，詳見圖4。正是由于上述原因，n線上會出現(xiàn)過電流（或過載）現(xiàn)象。因此設(shè)計低壓配電系統(tǒng)時，很多場合不再減少n線截面，把n線的截面等同于相線截面。也正是由于n線上的不平衡電流和諧波電流，造成系統(tǒng)嚴重的電磁干擾（emi）現(xiàn)象。

4 接地系統(tǒng)與emi

　　低壓配電系統(tǒng)中的帶電（流通電流的）導(dǎo)線是指電源相線（l1，l2，l3），n線（中性線）；pe線（保護地線）僅在電氣系統(tǒng)（或其中的設(shè)備）故障時，才流通故障電流，實質(zhì)上也是帶電導(dǎo)線。低壓配電系統(tǒng)有三種接地制式，詳見圖5。配電系統(tǒng)不同的接地制式可用兩個字母表示并加以區(qū)分：

　　第一個字母表示電源設(shè)備接地的條件， 其中：

　　t= 電力變壓器低壓繞組中性點直接接地；

　　i= 電力變壓器低壓繞組中性點對地絕緣或通過阻抗接地。

　　第二個字母表示電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)體的接地的條件，其中：

　　t= 電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)電體接地，該接地點遠離于變壓器低壓繞組中性點的接地點。

　　n= 電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)電體部分與變壓器低壓繞組中性點（系統(tǒng)地）連接。

　　對tn系統(tǒng)， 還用第三個字母來說明n線與pe線的關(guān)系；其中：

　　tn-c:n線與pe線合并為一根線，即pen線（4根線）。

　　tn-s:n與pe兩根導(dǎo)線，與三根相線一起配出（5根線）

　　tn-c-s：近電源側(cè)為tnc （4根線），配出后把pen線分成2根線后成為tn-s。

　　低壓配電系統(tǒng)的接地制式（系統(tǒng)）決定了系統(tǒng)本身的線路保護技術(shù)和措施，也決定了系統(tǒng)本身的電磁兼容性。依據(jù)實際經(jīng)驗，低壓tn-s系統(tǒng)具有最好的性價比，因為正常工況下，pe線上無剩余電流，大地中無雜散電流。當(dāng)發(fā)生三相（或單相）短路故障時，短路電流通過線纜（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，可用簡單的線路保護電器（如熔斷器或斷路器）切斷故障。

5 單電源系統(tǒng)tn接地制式與emc

　　20-30年前，掛接在tnc配電系統(tǒng)上的電子設(shè)備很少，諧波問題不嚴重，emc的問題不太突出。三相負載平衡的情況下，n線上基本上無電流。然而，目前的低壓配電系統(tǒng)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(shè)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線上的電流很大，并在n線上產(chǎn)生電壓降。圖6.a為tn-c接地制式，其特征是pe線與n線合二為一成pen線。為了防止人身接觸電擊事故的發(fā)生，接在配電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備的外殼都是接地的。而電子設(shè)備除金屬外殼接地外，電子設(shè)備之間用帶屏蔽的通信線連接，其屏蔽層也是接地的，因而出現(xiàn)了多點接地的現(xiàn)象。