客運專線變配電所綜合自動化系統電磁干擾問題的研究

靳忠福

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

客運專線變配電所綜合自動化系統是自動化技術、計算機技術和通信技術等高科技在鐵路領域的綜合應用。近年來,國內客運專線鐵路建設迅猛發展,客運專線變配電所綜合自動化系統得到了廣泛的應用。變配電所內高壓開關操作或故障、雷擊所引起的浪涌電壓、高低壓電器設備操作、電器設備周圍的靜電場、高電壓大電流的電纜和設備向周圍輻射的電磁波都會引起電磁干擾。變配電所綜合自動化系統是由若干個低電平的弱電系統構成的,它們所工作的環境是電磁干擾比較嚴重的強電場所,很容易受到這些電磁的干擾而不能正常工作,對客運專線安全運營的影響不容忽視。所以,提高變配電所綜合自動化系統的抗電磁干擾能力有著非常重要的意義。

2 電磁干擾源的產生

2.1 電源干擾

電源作為各種系統不可缺少的重要部分,其影響不可忽略。電源干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干擾是指電源對大地,或中線對大地之間的電位差。“差模”干擾存在于電源相線與中線之間,對干三相電路來說,還存在于相線與相線之間。

2.2 外部干擾

外部干擾包括了高壓開關操作、雷電、短路故障,電暈放電、高電壓大電流的電纜和設備向周圍輻射電磁波、高頻載波、對講機等輻射干擾源,以及附近電臺、通信等產生的電磁干擾、靜電放電等。

2.3 內部干擾

內部干擾是由自動化系統的結構、元件布置和生產工藝以及雜散電磁場通過感應和幅射方式進入信道的干擾(包括多路傳輸線之間的串擾),由于地阻抗耦合、漏電流等因素產生的干擾。

3 電磁干擾對變配電所綜合自動化系統的影響

3.1 干擾對電源回路的影響

監控主機系統和通信管理機,一般都采用AC220V電源。此電源來自變配電所交流屏,交流屏上一般還接有變配電所其他負荷,如采暖、通風及照明負荷等。電網的電壓、頻率波動都將直接影響到監控主機系統。由于電源與干擾源之間的直接耦合通道相對較多,而且電源線直接連至系統各部分,受干擾后往往造成計算機工作不穩定,甚至死機。

3.2 干擾對模擬量輸入通道影響

干擾的直接后果是從電壓互感器和電流互感器的二次接線引入浪涌電壓,造成采集數據錯誤,影響采樣精度和計算的準確性,可能引起微機保護或自動裝置誤動作,甚至損壞設備。

3.3 干擾對開關量的輸入、輸出通道的影響

變配電所現場的斷路器、隔離開關的輔助觸點處于惡劣的電磁干擾環境中,這些輔助觸點通過長引線到開關量輸入電路,必然帶來干擾信息,干擾可能使斷路器或隔離開關的輔助觸點抖動甚至造成分閘、合閘位置判斷錯誤。開關量的輸出通道由計算機的輸出至斷路器的合閘、跳閘出口回路,除了易受外界引入的浪涌電壓干擾外,自動裝置內部,微機上電過程也容易有干擾信號,導致誤動作。

3.4 干擾對 CPU和數字電路的影響

當干擾侵入自動化系統中的數字電路后,影響CPU的正常工作,如果地址線受到干擾,有可能發出錯誤指令。如果 CPU在傳送數據的過程中,數據線受到干擾,會造成數據錯誤,邏輯混亂,對于微機保護裝置來說也可能引起誤動、拒動或死機。在強干擾下,可能引起隨機存儲器中部分區域的數據或標志出錯,后果嚴重。

4 變配電所綜合自動化系統抗電磁干擾的措施

從上面介紹可以看出,電磁干擾對變配電所綜合自動化系統安全運行的影響很大,若不采取有效措施,將產生嚴重的后果。可在系統的硬件和軟件方面采取一些必要的措施,以期消除或抑制電磁干擾。下面就軟、硬件方面談談變配電所綜合自動化系統的抗電磁干擾措施。

4.1 隔離和屏蔽

變配電所的微機監控系統、微機保護裝置以及其他自動化裝置所采集的模擬量,大多數來自一次系統的電壓互感器和電流互感器,它們均處于強電回路中,不能直接輸入到綜合自動化系統,必須經過設置在自動化系統各種交流回路中的隔離變壓器。這些隔離變壓器一次、二次中間必須有隔離層和屏蔽層,而且屏蔽層必須安全接地,這樣可起電場屏蔽作用,防止高頻信號通過分布電容進入自動化系統的相應部件。

變配電所綜合自動化系統開關量的輸入,主要是斷路器、隔離開關的輔助觸點等。開關量的輸出,大多數也是對斷路器、隔離開關的控制。這些斷路器和隔離開關都處于強電回路中,如果與自動化系統直接相連,必然會引起強的電磁干擾。因此要通過光耦合隔離或繼電器隔離,這樣會取得比較好的效果。開關量輸入回路前及信號變換部分應考慮采用濾波,開關量輸入信號送給 CPU之前,必須進行隔離處理,可采用光電隔離,而且兩級光電隔離的效果會比較好,在開關量輸入板的出口處和 CPU板的入口處各設置一級光電隔離。開關量輸出回路也應該在前端采取隔離措施,可通過光耦合或繼電器進行隔離,而且兩級隔離的效果比較好,在 CPU板的出口處和開關量輸出板的入口處各設一級隔離。開關量輸出回路一般都用于控制現場的設備,要求實時性強,所以一般不能加濾波器。

二次回路布線時,應考慮隔離,減少互感耦合,避免干擾由互感耦合侵入。控制電纜盡可能離開高壓母線,并盡可能減少平行布設長度。避雷器和避雷針的接地點、電容式電壓互感器等都是高頻暫態電流的入地點,控制電纜也應盡可能離開它們,以便減少感應耦合。強、弱信號的電纜不應使用同一根電纜,信號電纜應盡可能避開電力電纜,盡量增大與電力電纜的距離,并盡量減少平行布設長度。

4.2 接地

在變配電所中,一次系統接地是以防雷和保證安全(系統中性點接地)為目的的,但它對二次回路的電磁兼容有重要的影響。如果接地合適,可以減少所內的高頻瞬變電壓幅值,特別是減少電網中各點的瞬變電位差,減低了電網中的瞬變電位升高。這對二次設備的電磁兼容很有好處。例如:①避雷針、避雷器的接地點應采用 2根以上的接地線和加密接地網絡;②設備接地處要增加接地網絡互連線;③設備接地線要接于地網導體交叉處。

二次系統的接地,從電磁兼容的角度來說,應做到:①多個電路共用接地線時,其阻抗應盡量減少;②由多個電子器件組成的系統,各電子器件的工作接地應連在一起,通過一點與安全接地網相連;③工作接地網各點的電位應盡量保持一致。

電磁干擾可能進入綜合自動化系統弱電部分的主要途徑是通過微機電源。因為電源與干擾源的聯系比較緊密,同時電源線直接連接至系統各部分,因此來自電源的干擾很容易引起死機。所以對微機電源的地線處理很重要。微機電源地線與機殼的連接方法有一點連接、多點連接和不連接 3種。實踐中,多采用微機電源地線和機殼不連接,它的優點是:由于干擾造成的流過電源的浪涌電流可大大減少,從而增加了抗共模干擾的能力,可明顯地提高系統的安全性和可靠性。而缺點是:在電磁干擾下,對地電壓降在微機電源和機殼之間浮動,如果微機系統中某一關鍵部分對機殼的耦合電容較大,則可能引起邏輯判斷出錯。針對電源地線與機殼不連接的缺點,可采用以下方法來盡量減少微機電源地線對機殼的耦合:①盡量減少地線長度,在允許的情況下加粗線徑;②微機系統的印刷電路板周圍都用電源線封閉起來;③印刷電路板上的要害部分不要走線過長,特別是不要引至面板。

4.3 微機電源的抗干擾

微機電源回路是電磁干擾最容易進入的通道,所以在電磁兼容標準中,對于同一試驗等級,電源回路的試驗電壓比其他回路高 1倍,例如采用 3級試驗等級的 EFT試驗,電源回路的試驗電壓為 2kV,其他回路為 1kV。由于這個原因,所以電源回路必須采用比其他回路更多抗電磁干擾措施。對于微機電源的抗干擾,實踐中,采取如下措施都是很有效的:①在電源的輸入側安裝電源濾波器,可以濾去交流電源輸入的高頻干擾和高次諧波。在加裝濾波器時有兩個問題需要注意:一是選用合適類型的濾波器,不同類型的電源選擇的濾波器也不同,如線性穩壓電源濾波器、開關電源濾波器等。二是必須在電源進線的最前端放置濾波器,使濾波器之前的電源進線盡可能短,以盡量避免電磁干擾通過這段進線竄入裝置內對電路其他部分產生影響。在可能的情況下,可考慮將濾波器直接安裝在機箱上,讓濾波器的金屬外殼與機箱的金屬外殼緊密接觸;②在電源的輸入側安裝隔離變壓器,有隔離變壓器的輸出端直接向微機供電;③通過 UPS電源向微機系統供電,可有效地抑制電網低頻正常狀態下的干擾。

4.4 軟件的抗干擾設計

軟件上采用數字濾波技術和復合濾波方法。數字濾波技術可以有效地消除模擬輸入信號的噪聲。數字濾波技術有中值濾波、算術平均值濾波、加權平均值濾波等。復合濾波方法,對采樣后的數據進行處理,即:使用“中值濾波 +算術平均值濾波”的方法。具體按下述步驟實現:

每采樣 N(N=6)次處理 1次。將 N次采樣值累加,去掉最大值和最小值,對剩余值算術平均得本次測量值

式中 N——采樣次數(N=6);

Xi——每次采樣值;

Xp——本次測量值。

5 結語

隨著近年來客運專線鐵路建設的迅猛發展,電磁環境越來越惡劣,變配電所綜合自動化系統作為鐵路系統安全運營的主要核心,電磁干擾對其存在著威脅,因此必須對它加以限制,才能保證客運專線的安全運行。

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