電工技術(shù)的發(fā)展與電磁兼容性
| 1 引言 21世紀(jì)的電工技術(shù)與其他科技領(lǐng)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(yīng)這些發(fā)展，電工技術(shù)領(lǐng)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(shù)領(lǐng)域，有些系統(tǒng)雖然也會產(chǎn)生電磁騷擾[*1]。但或者布點(diǎn)分散，或因數(shù)量不多，其影響范圍較小(例如:發(fā)電廠)?，F(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(jì)由于事故產(chǎn)生的危險(xiǎn)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(dǎo)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(qiáng)度，隨電位梯度的升高而增加。而導(dǎo)體表面的電位梯度不僅取決于電壓等級，而且還直接與導(dǎo)線的等效表面積有關(guān)。 (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(dá)百兆赫，其幅度變化范圍很大，可能遠(yuǎn)大于電暈放電。 (3) 工頻電場:其表現(xiàn)形式主要存在于導(dǎo)線對大地之間。其強(qiáng)度主要取決于電壓等級。對于直流輸電線路，則為一個(gè)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(yuǎn)仍為近場，磁場與電場必須分別考慮。其強(qiáng)度主要取決于導(dǎo)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(dá)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(shí)的中線或直流輸電線路以地做為回路的情況，地電流有時(shí)頗為可觀。當(dāng)處理不當(dāng)時(shí)，會造成地電位升高或?qū)Φ叵鹿芫€腐蝕。 以上數(shù)種騷擾源，可能會對不同的敏感設(shè)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(dāng)，這些騷擾的強(qiáng)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(yīng)的高要求。必需探討科學(xué)的計(jì)算分析方法并認(rèn)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(yùn)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(dāng)前的牽引電機(jī)絕大多數(shù)仍為直流電機(jī)，因而無論在牽引變電所或是在車上的整流設(shè)備都會成為供電網(wǎng)的低功率因數(shù)負(fù)荷與強(qiáng)諧波源。 磁懸浮列車在國際上已有了試驗(yàn)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(yùn)營。無疑，磁懸浮系統(tǒng)是目前已知的可商業(yè)運(yùn)行的最快地面運(yùn)載工具。但隨著使用超導(dǎo)或常導(dǎo)、吸力與斥力等機(jī)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(jī)車輛的尾氣排放，對于改善城市空氣質(zhì)量將是一大革命，是今后城市交通的主導(dǎo)工具。當(dāng)前無論在全球還是我國都已有投入商業(yè)運(yùn)行的型號。但當(dāng)人們?yōu)樗膬艋髿猸h(huán)境呼吁的同時(shí)，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(xué)者就對內(nèi)燃機(jī)汽車對電磁環(huán)境的影響進(jìn)行過大量的實(shí)地測量工作。結(jié)果表明:在橫坐標(biāo)為每小時(shí)流量(20～10000)的對數(shù)，縱坐標(biāo)為平均噪聲功率密度Fa(dB)的坐標(biāo)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(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)，但其低電壓大電流的驅(qū)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(rèn)為，應(yīng)該給予充分關(guān)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(rèn)為，電力電子技術(shù)是否被廣泛地應(yīng)用，反映了一個(gè)國家的科技水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995年發(fā)達(dá)國家電能中有75%左右是經(jīng)過電力電子技術(shù)變換或控制后才使用的。預(yù)計(jì)21世紀(jì)初期，這一比例將可達(dá)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(zhuǎn)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(shí)，高頻化是必然的趨勢。上世紀(jì)末可達(dá)到的開關(guān)速度約為400～1000A/μs;而電壓的變率已超過2～3kV/μs;結(jié)型SiC整流管的反向恢復(fù)時(shí)間已達(dá)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(gè)方面說明電工技術(shù)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(yīng)注意到，在電工技術(shù)領(lǐng)域的控制對象往往是一個(gè)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(gè)站運(yùn)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(yùn)行控制可任意從上海或葛洲壩進(jìn)行等。這些系統(tǒng)不過是上世紀(jì)90年代的水平。進(jìn)入本世紀(jì)后自動化水平必然進(jìn)一步提高，控制對象必然進(jìn)一步擴(kuò)展。 6 結(jié)論 伴隨著電工領(lǐng)域高新技術(shù)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(yīng)的提高與長足的進(jìn)步。否則，電磁兼容問題可能會成為電工科技發(fā)展的障礙 |
