勵(lì)磁裝置的電磁兼容性設(shè)計(jì)

李志軍盧建劉艷萍

(河北工業(yè)大學(xué)，天津300130)

摘要：勵(lì)磁裝置是發(fā)電機(jī)的主要輔機(jī)，其性能直接關(guān)系到發(fā)電的可靠性。良好的電磁兼容性設(shè)計(jì)是勵(lì)磁裝置質(zhì)量的可靠保證。結(jié)合勵(lì)磁裝置的特點(diǎn)，從設(shè)備自保護(hù)的角度，主要討論勵(lì)磁裝置交流側(cè)和DC側(cè)的過(guò)電壓和過(guò)電壓抑制；高次諧波和諧波抑制；可控硅同步和觸發(fā)脈沖噪聲抑制；測(cè)量電路、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的噪聲抑制措施驗(yàn)證了其實(shí)用性。關(guān)鍵詞勵(lì)磁裝置；電磁兼容性；可靠性

電磁感應(yīng)勵(lì)磁設(shè)備

李志軍如箭在弦上

(中天津河北科技大學(xué))

摘要：勵(lì)磁設(shè)備的可靠性其可靠性由電機(jī)的精細(xì)設(shè)計(jì)保證。本文主要討論勵(lì)磁設(shè)備的電磁設(shè)計(jì)方法，包括同步和同步電路、同步和同步脈沖電路、測(cè)量和測(cè)量電路等。它' spracticabilityhausevalidated dbytestinglaboratory和powerstation。關(guān)鍵字：激勵(lì)設(shè)備；EMC可靠性

1.概述電磁兼容性(ElectromagneticCompatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中正常工作，而不會(huì)對(duì)環(huán)境中的任何東西造成無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。電磁兼容技術(shù)是在實(shí)踐中為解決電磁干擾而產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新學(xué)科。從更廣的角度來(lái)看，電磁兼容技術(shù)要研究和解決的問(wèn)題是電氣電子設(shè)備和系統(tǒng)，以及人類(lèi)、動(dòng)物和植物在共同的電磁環(huán)境中的安全共存。它不僅包括電氣電子設(shè)備之間的相互干擾，還包括自然電磁干擾(宇宙干擾、雷電干擾等)的電磁影響或電磁效應(yīng)。)上的電氣和電子設(shè)備，人，動(dòng)物和植物。在電力系統(tǒng)中，自動(dòng)化設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾，處于惡劣的電磁污染環(huán)境中。為了保證它們能夠正常可靠地工作，它們必須承受這些電磁干擾(EMI)而不發(fā)生誤操作或拒動(dòng)，自身產(chǎn)生的電磁干擾不能影響周?chē)渌娮赢a(chǎn)品的正常工作。因此，這些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、安裝和運(yùn)行方面必須完全滿足GB或IEC規(guī)定的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.勵(lì)磁裝置電磁兼容的特殊性傳統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)從電磁兼容的三個(gè)基本要素入手，重點(diǎn)考慮原理的可行性、元器件的選擇、加工生產(chǎn)工藝、安裝運(yùn)行環(huán)境等。以微機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)為核心的微機(jī)勵(lì)磁裝置是電力系統(tǒng)的主要自動(dòng)化設(shè)備之一。除了與傳統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的電磁兼容外，它還有自己的特殊性。圖1為自并勵(lì)微機(jī)勵(lì)磁裝置的典型原理框圖，主要包括與發(fā)電機(jī)端子或電網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的勵(lì)磁干式變壓器(LB)、發(fā)電機(jī)定子電流互感器(CT)和發(fā)電機(jī)端子電壓互感器(pt)；勵(lì)磁電源裝置G1-G4；DC側(cè)過(guò)壓保護(hù)和退磁裝置(ZB)；雙通道(CHI、CHII)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等。電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的基于微機(jī)自動(dòng)化設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)是眾所周知的。本文將從設(shè)備自我保護(hù)的角度出發(fā)，重點(diǎn)研究勵(lì)磁設(shè)備的交流側(cè)和DC側(cè)過(guò)電壓及過(guò)電壓抑制。高次諧波和諧波抑制；可控硅同步和觸發(fā)脈沖噪聲抑制；測(cè)量回路的噪聲抑制等。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3.勵(lì)磁裝置的電磁兼容設(shè)計(jì)3.1勵(lì)磁裝置的過(guò)電壓和過(guò)電壓抑制如圖1所示，微機(jī)勵(lì)磁裝置中的電源由與電網(wǎng)相聯(lián)的發(fā)電機(jī)端子通過(guò)勵(lì)磁干式變壓器(LB)供電，電網(wǎng)是一個(gè)非常嚴(yán)重的噪聲源。直接雷擊或雷電感應(yīng)引起的浪涌電壓線值可達(dá)6kV，地面可達(dá)12kV；各種電氣設(shè)備切換引起的浪涌電壓和電氣設(shè)備電源對(duì)地短路引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)也可達(dá)到常規(guī)電壓的4倍。此外，勵(lì)磁裝置的電源體運(yùn)行時(shí)也會(huì)出現(xiàn)影響設(shè)備安全運(yùn)行的過(guò)電壓。這些過(guò)電壓不僅會(huì)危及電力設(shè)備和發(fā)電機(jī)的絕緣安全，而且由于其頻譜豐富，還會(huì)形成嚴(yán)重的干擾源。如果不進(jìn)行有效抑制，將嚴(yán)重威脅勵(lì)磁裝置的安全運(yùn)行。3.1.1勵(lì)磁裝置過(guò)電壓分類(lèi)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置過(guò)電壓產(chǎn)生的原因有很多，根據(jù)過(guò)電壓方式的不同可分為以下幾類(lèi)：1。交流側(cè)過(guò)電壓：(1)大氣過(guò)電壓通過(guò)干式變壓器或發(fā)電機(jī)端傳遞到勵(lì)磁裝置，或運(yùn)行引起的暫態(tài)過(guò)電壓；(2)勵(lì)磁干式變壓器斷線引起的過(guò)電壓；(3)勵(lì)磁干式變壓器漏抗引起晶閘管整流器換相引起的過(guò)電壓；(4)勵(lì)磁干式變壓器耦合電容引入的操作過(guò)電壓。2.DC側(cè)的過(guò)電壓(1)由滅磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)引起的過(guò)電壓；(2)與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)非斷相合閘引起的過(guò)電壓；(3)干式變壓器高壓側(cè)兩相或三相短路引起的過(guò)電壓；(4)異步運(yùn)行引起的過(guò)電壓；(5)晶閘管整流橋運(yùn)行中的換相過(guò)電壓。3.1.2勵(lì)磁裝置過(guò)電壓抑制實(shí)際應(yīng)用中的過(guò)電壓抑制措施應(yīng)具體。

情況而定，通常選擇其中幾項(xiàng)以構(gòu)成合理的抑制。選用時(shí)應(yīng)以簡(jiǎn)單可靠、吸收暫態(tài)能量大、抑制過(guò)電壓能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等為總的原則。 1.采用壓敏電阻抑制交直流側(cè)過(guò)電壓 如圖1交流側(cè)保護(hù)柜（JB）、直流側(cè)過(guò)壓保護(hù)及初勵(lì)柜（ZB）內(nèi)抑制原理簡(jiǎn)圖所示，抑制交直流側(cè)過(guò)電壓簡(jiǎn)單而有效的方法是在交流電源輸入端、整流橋的輸出端及容易產(chǎn)生尖峰電壓的地方并接壓敏電阻。壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等材料燒結(jié)制成的非線性電阻元件，是一種較為理想的浪涌吸收器，壓敏電阻本身體積很小，當(dāng)電路電壓低于其標(biāo)稱(chēng)電壓U1mA時(shí)，電阻很大，只有幾μA的漏電流；當(dāng)電壓超過(guò)壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓U1mA時(shí)，電阻急劇減小，可通過(guò)高達(dá)數(shù)千安的放電電流，從而將過(guò)電壓的能量瀉放，以達(dá)到保護(hù)整流元件、主開(kāi)關(guān)元件的目的。 2.采用隔離屏蔽技術(shù)抑制電網(wǎng)噪聲 普通電源干式變壓器的初次級(jí)繞組之間存在著數(shù)百微法的分布電容，這種分布電容不僅容量大，而且有十分好的頻率特性，對(duì)高頻噪聲有很低的阻抗。通過(guò)初次級(jí)繞組之間的分布電容耦合而引入的噪聲是電網(wǎng)噪聲的主要傳輸渠道。

勵(lì)磁裝置中可采用初次級(jí)繞組之間加設(shè)接地屏蔽層的特制干式變壓器或在干式變壓器二次側(cè)直接接入對(duì)地電容的方法抑制電網(wǎng)噪聲。 3.采用五線式保護(hù)抑制換相過(guò)電壓#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

由勵(lì)磁干式變壓器或交流勵(lì)磁機(jī)供電的可控硅整流器勵(lì)磁裝置，由于整流元件之間存在著周期性換相，在換相瞬間將產(chǎn)生足以危機(jī)可控硅安全運(yùn)行的換相過(guò)電壓。采用圖2所示的由R1、C1、R2、C2、R3、C3、V11-V17組成的五線式保護(hù)方案可以獲得良好的抑制效果。3.2勵(lì)磁裝置的的諧波及諧波抑制 在采用整流器的勵(lì)磁裝置中，不論是由交流勵(lì)磁機(jī)供電還是由勵(lì)磁干式變壓器供電，整流器的交流相電流均發(fā)生畸變，具有非正弦波形，并存在高次諧波電流分量。諧波分析表明，對(duì)于周期為2π、對(duì)稱(chēng)于橫軸的交流電流波形，不存在直流分量及偶次諧波，除基波外只存在奇次諧波。在勵(lì)磁裝置中采用Y/d-11接線方式、二次繞組為三角形連接的干式變壓器，因無(wú)中性點(diǎn)接線，可以有效地抑制三次及三的倍數(shù)次奇次諧波。3.3量測(cè)回路的噪聲抑制 勵(lì)磁裝置是以發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為主要控制對(duì)象的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示其量測(cè)回路主要經(jīng)由電流互感器(CT)、電壓互感器（PT)構(gòu)成，該回路輸入一般是幾千安培到幾十千安培的交流電流信號(hào)或幾千伏到幾十千伏的交流電壓信號(hào)。電流互感器(CT)輸出一般為5安培、電壓互感器(PT)輸出一般為100伏。 微機(jī)勵(lì)磁裝置采用交流接口把發(fā)電機(jī)的電壓互感器付邊電壓以及電流互感器付邊電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)成比例的較低的交流電壓。微型計(jì)算機(jī)對(duì)這些電壓采樣，并計(jì)算出當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、定子電流、有功功率、無(wú)功功率等重要電量。這些信號(hào)相對(duì)于勵(lì)磁裝置來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，處理不好的話將對(duì)整個(gè)勵(lì)磁裝置的性能帶來(lái)非常大的影響。 如圖3.、圖4.所示交流電壓接口和交流電流接口，在勵(lì)磁裝置中除了完成其信號(hào)幅度變換的基本功能外，通過(guò)采取隔離屏蔽、雪崩二極管限副、模擬式低通濾波等噪聲抑制措施可以大大提高其電磁兼容特性。

3.4可控硅同步和觸發(fā)脈沖的噪聲抑制 由3.3可知，勵(lì)磁裝置是以發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為主要控制對(duì)象的閉環(huán)控制系統(tǒng)，而發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的控制是通過(guò)控制勵(lì)磁裝置功率器件可控硅的觸發(fā)角度完成的。在勵(lì)磁裝置中，由于電或磁的騷擾造成的同步和脈沖干擾可導(dǎo)致可控硅誤導(dǎo)通，從而引發(fā)發(fā)電機(jī)無(wú)功大幅度震蕩的事故時(shí)有發(fā)生。為了保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須采取必要的抑制防護(hù)措施。3.4.1利用采保技術(shù)抑制同步噪聲 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于可控硅換相引發(fā)的同步信號(hào)二次過(guò)零現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重破壞了作為觸發(fā)脈沖控制角的記時(shí)起點(diǎn)，這一現(xiàn)象的存在威脅著發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。 內(nèi)勵(lì)磁裝置中普遍運(yùn)用的方法是通過(guò)同步干式變壓器30°或90°相移接法，使同步電壓整形前超前30°或90°，然后通過(guò)RC低通濾波器回歸，借此將二次過(guò)零噪聲信號(hào)消除。這一方法由于電路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易在內(nèi)獲得了普遍應(yīng)用。但是30°移相低通濾波器回歸法在同步信號(hào)波形畸變嚴(yán)重時(shí)效果不佳，而90°移相低通濾波器回歸法又使得同步信號(hào)衰減嚴(yán)重在一定程度上也制約了其應(yīng)用。 我們知道，觸發(fā)脈沖引發(fā)換相過(guò)程，二次過(guò)零又在換相過(guò)程中產(chǎn)生，微機(jī)勵(lì)磁裝置利用可控硅觸發(fā)脈沖作為同步電壓采保信號(hào)源，通過(guò)計(jì)算機(jī)合理設(shè)置保持時(shí)間可以靈活適應(yīng)不同復(fù)雜條件。如圖5所示電氣原理簡(jiǎn)圖，同步采保技術(shù) 移相低通濾波技術(shù)完美地解決了這一難題。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3.4.2脈沖傳輸和噪聲抑制 可控硅的誤觸發(fā)通常是由于騷擾信號(hào)進(jìn)入門(mén)極電路而引起的。在勵(lì)磁裝置中產(chǎn)生控制脈沖的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和可控硅功率橋通常分別放置，兩者距離有時(shí)可達(dá)500米以上，因此除了對(duì)觸發(fā)電路本身采用的通用抑制措施之外，還必須針對(duì)勵(lì)磁裝置的特殊性采取進(jìn)一步措施以確保觸發(fā)脈沖的正確性。 （1）采用先立脈沖觸發(fā)電源以及彼此先立的觸發(fā)脈沖信號(hào)、地回路，降低傳導(dǎo)干擾； （2）在可控硅功率橋設(shè)置噪聲閾值及恢復(fù)整形電路提高觸發(fā)脈沖可靠度； （3）采用電流環(huán)提高脈沖遠(yuǎn)距離傳輸噪聲容限； （4）將可控硅觸發(fā)門(mén)極回路導(dǎo)線加以屏蔽。如采用有屏蔽層的的絞線，將金屬屏蔽層接地。此外，與大電流的導(dǎo)線以及易產(chǎn)生干擾的引線（如接觸器、繼電器操作回路）之間應(yīng)保證足夠的距離。 （5）單先敷線，走線徑直，避免和電感類(lèi)元件混合或其回路并行。

4.試驗(yàn) 到目前為止，我已經(jīng)制定了70多個(gè)有關(guān)電磁兼容的家標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的微機(jī)型產(chǎn)品的電磁兼容項(xiàng)目主要有：GB/T17626.2-1998《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗干擾試驗(yàn)》、GB/T17626.4-1998《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗

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