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电力系统测试解决方案

     电力系统内电气和电子设备集中,电磁环境复杂,在正常和异常运行状态下都会产生或出现各种电磁干扰,如开关操作、短路故障等的暂态过程;高电压、大电流导线或设备附近的电场和磁场;射频电磁辐射;雷电;静电放电;供电网的电压波动、电压突降和中断;谐波;电子设备的工作信号和噪声等。

     在电力系统中运行的自动化设备是电磁干扰的敏感者。以微电子技术和计算机技术为基础的二次弱电设备,如继电保护、自动控制、远动和通信装置等在电力系统中广泛使用,它们的灵敏度高,且与强电设备靠近,很容易受到干扰。在我国电力系统中,由于开关操作、雷电、辐射电磁场、工频磁场等原因引起的干扰事件屡有发生,结果造成保护误动,自动化设备不能正常工作,甚至造成元件或设备损坏。

     随着电力系统的发展,电网容量增大,电压等级提高,电网结构更复杂,对自动化的程度和继电保护与自动化系统的灵敏度与可靠性要求更高;另一方面,由于高压电器设备制造技术、信息技术和计算机技术的进步,传统的一、二次设备的结构和布局正在发生变化,它们的发展趋向是小型紧凑化、集成组合化和智能化。如集继电保护、监控和通信功能于一体的分散式变电站综合自动化设备;集电子控制、监视甚至保护为一体的高压智能开关;SF6

封闭式开关设备(GIS);将高压断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压互感器等单个元件有机地组合在一起的紧凑组合型户外开关设备等都在发展中。控制和保护等二次设备会由原来各种环境条件都较好的控制室移置到开阔场或离一次设备很近的地方,甚至强电、弱电设备组合为一体,电磁环境恶化,电磁兼容问题更加突出。

     电力系统如果不妥善解决电磁兼容问题,不但要威胁安全可靠生产,也不利于新技术的采用,影响电力系统的发展。电磁兼容测试是研究和解决电磁兼容问题的关键,近几年国内各行业先后建设了针对不同产品的电磁兼容实验室,如通信、汽车、家电等。国外也有各种类型的实验室,但都没有针对电力系统自动化设备的电磁兼容实验室,鉴于目前电力行业对电磁兼容的迫切需要,准备建设了电力系统自动化设备电磁兼容实验室。实验室的建成,

为开展电力行业自动化设备电磁兼容的检测和研究工作提供了必要条件。 

1、自动化设备电磁兼容实验室设计和电磁兼容的含义相对应,电磁兼容测试包括抗扰性(或称电磁敏感性、EMS)试验和电磁骚扰(或称电磁发射、EMI)测试两方面。抗扰性试验是模拟运行中可能出现的各类干扰,并在被试设备尽可能接近实际运行的条件下,检验其是否能耐受规定的电磁干扰电平。通过调节干扰电平的输出,可模拟不同干扰程度的电磁环境。电磁骚扰(发射)测试是测量被试设备在实际运行条件下,经外连导线(电源、信号/控制、通信、接地等端口)或空间(外壳端口)向外发出的电磁骚扰电平,它不能超过规定的限值,以避免干扰其他设备或系统工作。在进行上述两种测试时,可以检验和比较各种抗干扰和抑制发射的技术措施的实际效果。

由于实验室是针对电力系统自动化设备而建设,因此在设计时重点考虑了其产品特点,包括:

(1 )模拟的各种干扰源类别为现场经常出现的干扰现象,如一次开关操作暂态、二次回路操作暂态、雷电、静电放电、工频磁场、手持式通信设备电磁发射等。

(2 )由于设备要在模拟正常运行状态下试验,故需要施加的各种输入输出辅助量很多,包括电压、电流、开关量、模拟量等。实验室在建设时充分考虑到这点,除配备有相应的仪器(如继电保护测试仪等)外,还预留了多路各种类型的连接通道(特别在暗室设计时),这样可很方便地给被试设备提供足够的辅助量,也可在试验时实时监控其各种功能是否正常。

(3 )实验室设计时充分考虑到电力系统自动化设备的外型、重量,在承重、空间、门的尺寸和形式等方面都进行了周全的设计。实验室的设计不仅适合电力系统自动化设备类产品,而且也适宜于其他类型产品,无论是在产品的外型尺寸、重量还是在外接辅助量上,都提供了足够的余量。同时在试验类别方面,实验室也兼顾到其他类型产品的标准要求,可按GB、

IEC、CISPR、E N 等通用标准进行各项试验。 

试验区主要由电波暗室、屏蔽室、通用试验室和控制室组成。

(1 )电波暗室是一个标准的3 m法暗室,主要为研究电磁波的传播、衰减提供性能稳定的测试场地。在其中可按IEC、GB、EN及CISPR等标准进行辐射发射测试和辐射敏感度试验

(2 )屏蔽室是一个6 面全屏蔽的空间,起到内外电磁场相互隔离的作用,提供了一个纯粹的电磁环境,便于对设备开展各种电磁场分析和研究而不受到外界的影响。同时可在其中开展按IEC、GB、EN及CISPR等标准进行的射频传导抗扰试验和射频传导发射试验。

(3 )通用试验室是用于进行抗扰度试验的场地,可按IEC、GB、EN等标准进行模拟各种干扰类型的试验,包括:阻尼振荡波抗扰试验、快速瞬变抗扰试验、浪涌抗扰试验、静电放电抗扰试验、工频磁场抗扰试验、脉冲磁场抗扰试验、谐波抗扰试验、电压暂降、短时中断和变化抗扰试验、谐波电流发射限值测试等。

2、电波暗室

 电波暗室是电磁兼容实验室中重要的也是耗资最大的试验设施,实验室一般采用的是标准

3m 法暗室,主要基于以下考虑:

 (1)3m法和10m法均是国际标准推荐的测试方案,而10m法造价甚高,从性能价格比看,采用3m法较合适。

 (2)3m法电波暗室在国内外建设最多,在技术上已很成熟,可达到较高的性能指标。

 (3)自动化设备要在电力系统复杂的电磁环境中可靠运行,其抗扰度指标(即设备能承受外界干扰的程度)尤为重要,3m法电波暗室是进行辐射抗扰度试验的标准试验场地。电波暗室外层采用双层2mm 镀锌钢板作为屏蔽层,以阻断内外电磁场的相互影响。内部采用复合型吸波材料即在铁氧体上加尖劈吸波材料,使暗室的有效空间和使用频宽得以大大提高,暗室使用频率可到18GHz。暗室中配备有直径2m承重2t 的自动转台、1~4m天线自动升降塔、电视监控系统、烟雾报警系统等,采用平移气动无门槛自动门,确保门的屏蔽性能长期稳定及被试设备无障碍进入暗室。同时暗室还配备了多路各种类型的控制电缆、光缆,可为各种设备试验提供多种辅助量,以更好地模拟设备正常运行状态。电波暗室建成后由第三方权威测试机构进行了屏蔽性能、场均匀性和归一化场地衰减测试,结果必须符合其各项性能指标。

 3、实验室主要仪器设备

实验室除拥有电波暗室、屏蔽室、控制室外,还配备有国内外最先进的电磁兼容测试仪器,可按国内外有关电磁兼容标准规定的最高等级要求测试设备的抗干扰能力和设备本身对外发射的电磁干扰程度。这些设施包括:

(1 )全套辐射抗扰度测试系统和辐射发射测试系统。

(2 )各种传导抗扰度试验仪器。

 (3)电磁场扫描仪是针对产品设计研制阶段的电磁干扰近场扫描设备,利用它可以很容易地探测出线路板或小装置中的辐射源位置和强度,并以二维或三维彩色图形直观显示出来。能及时发现潜在的问题,避免产品设计完成后再修改所带来的各种损失。

4、实验室工作

 实验室在建设过程中应逐步开展电磁兼容试验工作,为电力系统继电保护、远动监控等自动化装置及其他类型的设备进行多台/套的各种项目试验,同时也应给出多份试验报告,其中包含了新品开发或产品定型试验。在试验中不但发现了问题,还及时地解决了问题,这些工作能极大地丰富技术人员的电磁兼容测试经验。实验室拥有强大的技术力量,熟悉电力系统自动化设备的电磁兼容专业人员不仅能准确地考核设备的性能,还可以为提高设备的电磁兼容性能提供帮助。实验室建设立足于电力系统,同时也兼顾到了其他领域的产品需求,可以为信息技术设备、家用电器、电动工具等产品提供同样的服务。

 实验室还可以举办各种讲座和会议,普及宣传EMC知识,从中获得良好的社会效益。实验室按照国家认可的实验室标准并结合EMC特点进行管理运行,仪器设备均应通过计量单位的计量。

实验室可以在以下几个方面为电力系统及全社会提供良好的服务:

(1 )对电力系统及其他系统出现的各种电磁干扰源和现象进行测量并研究其在时域频域和传播方式上的特性;

(2 )对电力系统电磁环境及其影响进行评估;

(3 )进行电力系统一、二次设备间电磁兼容的评估;

(4 )进行各种电磁兼容检测试验;

(5 )研究对设备的电磁兼容检测方法;

(6 )研究设备的抗干扰措施;

(7 )研究控制设备电磁发射的措施;

(8 )在设备研制的每个阶段进行预测试,使设备的电磁兼容问题在研制初期就得到控制;