電工技術的發(fā)展與電磁兼容性
| 1 引言 21世紀的電工技術與其他科技領域一樣，將獲得飛速的發(fā)展。伴隨著這些發(fā)展，一方面會使得周圍的電磁環(huán)境變得惡劣;另一方面，為適應這些發(fā)展，電工技術領域也需要“干凈”的電磁環(huán)境。即:要求妥善地解決電磁兼容問題。 在電工技術領域，有些系統(tǒng)雖然也會產(chǎn)生電磁騷擾[*1]。但或者布點分散，或因數(shù)量不多，其影響范圍較小(例如:發(fā)電廠)。現(xiàn)僅就其中影響面廣的系統(tǒng)舉例說明。 2 高壓輸電線路 如果不計由于事故產(chǎn)生的危險影響，其可能對周圍事物造成干擾[*2]的因素主要包括: (1) 電暈:是由于導體表面的電位梯度過大，引起向空氣中放電而產(chǎn)生的高頻電磁噪聲。其頻譜的主要分量在幾兆赫以下。以dB表示的強度，隨電位梯度的升高而增加。而導體表面的電位梯度不僅取決于電壓等級，而且還直接與導線的等效表面積有關。 (2) 火花放電:由于線路上局部的絕緣被破壞、絕緣子污穢、元件接觸不良等而產(chǎn)生的火花放電，其頻譜范圍可能高達百兆赫，其幅度變化范圍很大，可能遠大于電暈放電。 (3) 工頻電場:其表現(xiàn)形式主要存在于導線對大地之間。其強度主要取決于電壓等級。對于直流輸電線路，則為一個純的靜電場。 (4) 工頻磁場:由于工頻頻率很低，波長很長(50Hz的波長為6000km)，因而距線路雖較遠仍為近場，磁場與電場必須分別考慮。其強度主要取決于導線的載流量。但其隨距離的衰減很快。 (5) 無源干擾:輸電線路及其桿塔，即使在未送電的條件下，也會對電磁波的傳播形成影響(例如對雷達信號、短波通信等)，稱為無源干擾。 (6) 地電流:對于交流三相系統(tǒng)不平衡時的中線或直流輸電線路以地做為回路的情況，地電流有時頗為可觀。當處理不當時，會造成地電位升高或對地下管線腐蝕。 以上數(shù)種騷擾源，可能會對不同的敏感設備造成干擾。不同的騷擾源的影響不同。值得注意的是:如處理不當，這些騷擾的強度將隨線路的電壓等級而提高。而提高電壓是輸電系統(tǒng)的必然趨勢。因之對電磁兼容性提出了相應的高要求。必需探討科學的計算分析方法并認真處理工程問題。 3 電牽引系統(tǒng) 一般說電牽引系統(tǒng)專指從地面獲取電能，而不由車輛自身攜帶電池的地面運載工具。例如:干線鐵路、城市(有軌、無軌)電車、地下鐵道或輕軌系統(tǒng)等。此類系統(tǒng)的電磁騷擾源主要來自受流系統(tǒng)(車頂?shù)氖茈姽c接觸網(wǎng)或者是接近地面的電刷與第三軌)。其表現(xiàn)形式包括:電平相對穩(wěn)定的連續(xù)電磁噪聲、一系列的脈沖噪聲以及突發(fā)的孤立脈沖。 此外，由于當前的牽引電機絕大多數(shù)仍為直流電機，因而無論在牽引變電所或是在車上的整流設備都會成為供電網(wǎng)的低功率因數(shù)負荷與強諧波源。 磁懸浮列車在國際上已有了試驗線路;在我國也對其科研給予了充分的注意，并已在上海開始運營。無疑，磁懸浮系統(tǒng)是目前已知的可商業(yè)運行的最快地面運載工具。但隨著使用超導或常導、吸力與斥力等機制的差別，對電磁環(huán)境的影響差別很大。 4 電動車(Electric Vehicle) 電動車沒有內(nèi)燃機車輛的尾氣排放，對于改善城市空氣質量將是一大革命，是今后城市交通的主導工具。當前無論在全球還是我國都已有投入商業(yè)運行的型號。但當人們?yōu)樗膬艋髿猸h(huán)境呼吁的同時，卻很少有人去研究其對電磁環(huán)境的影響。早在20年前，美國學者就對內(nèi)燃機汽車對電磁環(huán)境的影響進行過大量的實地測量工作。結果表明:在橫坐標為每小時流量(20～10000)的對數(shù)，縱坐標為平均噪聲功率密度Fa(dB)的坐標系中，電磁噪聲隨著汽車流量線性增加。由此可見汽車對電磁環(huán)境的影響。電動車雖無汽油機的點火系統(tǒng)，但其低電壓大電流的驅動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的電磁騷擾不容忽視。為此，在1999年北京舉行的第十六屆國際電動車大會(EVS 16)期間，筆者曾與歐洲電動車協(xié)會主席、第十五屆國際電動車大會主席Dr.Gaston Maggetto探討過電動車對電磁環(huán)境的影響問題。他認為，應該給予充分關注，但現(xiàn)在尚未引起人們的注意。 5 電力電子系統(tǒng) 有人認為，電力電子技術是否被廣泛地應用，反映了一個國家的科技水平。據(jù)統(tǒng)計，1995年發(fā)達國家電能中有75%左右是經(jīng)過電力電子技術變換或控制后才使用的。預計21世紀初期，這一比例將可達95%以上。在電力電子器件中，為了減小損耗提高效率，則必須提高轉換速度。因而伴隨著電力電子器件的高電壓、大功率化的同時，高頻化是必然的趨勢。上世紀末可達到的開關速度約為400～1000A/μs;而電壓的變率已超過2～3kV/μs;結型SiC整流管的反向恢復時間已達0.01μs。在功率方面，光控SCR已有4000A/8000V的商品。1GBT也已超過2400A/3300V(EUPEC)、2500A/3300V(三菱)。人們清楚地知道，大的必然伴隨著高的電磁騷擾發(fā)射。顯然電力電子器件的發(fā)展趨勢與改變電磁環(huán)境是存在著矛盾的。 以上僅僅列舉了幾個方面說明電工技術的發(fā)展可能帶來的環(huán)境問題。為此，一方面要求提高自動控制系統(tǒng)的抗電磁干擾能力;另一方面也要求優(yōu)良的電磁環(huán)境。我們應注意到，在電工技術領域的控制對象往往是一個大的分系統(tǒng)或系統(tǒng)。一旦失誤，其后果往往是惡性的。例如，東京市從新橋站至東京灣的有明站，共12個站運行著無人駕駛無列車員的公共交通系統(tǒng)。又如，從葛洲壩至上海1400km的500kV直流輸電系統(tǒng)的運行控制可任意從上海或葛洲壩進行等。這些系統(tǒng)不過是上世紀90年代的水平。進入本世紀后自動化水平必然進一步提高，控制對象必然進一步擴展。 6 結論 伴隨著電工領域高新技術的發(fā)展，無論從電磁騷擾抑制方面還是從抗干擾方面都要求有相應的提高與長足的進步。否則，電磁兼容問題可能會成為電工科技發(fā)展的障礙 |
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