客運(yùn)專線變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)電磁干擾問題的研究

靳忠福

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

客運(yùn)專線變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等高科技在鐵路領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。近年來,國內(nèi)客運(yùn)專線鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展,客運(yùn)專線變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。變配電所內(nèi)高壓開關(guān)操作或故障、雷擊所引起的浪涌電壓、高低壓電器設(shè)備操作、電器設(shè)備周圍的靜電場、高電壓大電流的電纜和設(shè)備向周圍輻射的電磁波都會(huì)引起電磁干擾。變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是由若干個(gè)低電平的弱電系統(tǒng)構(gòu)成的,它們所工作的環(huán)境是電磁干擾比較嚴(yán)重的強(qiáng)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(yùn)專線安全運(yùn)營的影響不容忽視。所以,提高變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)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(chǎn)生

2.1 電源干擾

電源作為各種系統(tǒng)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?！狈绞酱嬖凇！肮材！备蓴_是指電源對大地,或中線對大地之間的電位差?！安钅！备蓴_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(guān)操作、雷電、短路故障,電暈放電、高電壓大電流的電纜和設(shè)備向周圍輻射電磁波、高頻載波、對講機(jī)等輻射干擾源,以及附近電臺(tái)、通信等產(chǎn)生的電磁干擾、靜電放電等。

2.3 內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾是由自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、元件布置和生產(chǎn)工藝以及雜散電磁場通過感應(yīng)和幅射方式進(jìn)入信道的干擾(包括多路傳輸線之間的串?dāng)_),由于地阻抗耦合、漏電流等因素產(chǎn)生的干擾。

3 電磁干擾對變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的影響

3.1 干擾對電源回路的影響

監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)和通信管理機(jī),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(fù)荷,如采暖、通風(fēng)及照明負(fù)荷等。電網(wǎng)的電壓、頻率波動(dòng)都將直接影響到監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)。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(tǒng)各部分,受干擾后往往造成計(jì)算機(jī)工作不穩(wěn)定,甚至死機(jī)。

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(shù)據(jù)錯(cuò)誤,影響采樣精度和計(jì)算的準(zhǔn)確性,可能引起微機(jī)保護(hù)或自動(dòng)裝置誤動(dòng)作,甚至損壞設(shè)備。

3.3 干擾對開關(guān)量的輸入、輸出通道的影響

變配電所現(xiàn)場的斷路器、隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)處于惡劣的電磁干擾環(huán)境中,這些輔助觸點(diǎn)通過長引線到開關(guān)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(guān)的輔助觸點(diǎn)抖動(dòng)甚至造成分閘、合閘位置判斷錯(cuò)誤。開關(guān)量的輸出通道由計(jì)算機(jī)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(dòng)裝置內(nèi)部,微機(jī)上電過程也容易有干擾信號(hào),導(dǎo)致誤動(dòng)作。

3.4 干擾對 CPU和數(shù)字電路的影響

當(dāng)干擾侵入自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)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(fā)出錯(cuò)誤指令。如果 CPU在傳送數(shù)據(jù)的過程中,數(shù)據(jù)線受到干擾,會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,邏輯混亂,對于微機(jī)保護(hù)裝置來說也可能引起誤動(dòng)、拒動(dòng)或死機(jī)。在強(qiáng)干擾下,可能引起隨機(jī)存儲(chǔ)器中部分區(qū)域的數(shù)據(jù)或標(biāo)志出錯(cuò),后果嚴(yán)重。

4 變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)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(dòng)化系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響很大,若不采取有效措施,將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果?？稍谙到y(tǒng)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?wù)勛兣潆娝C合自動(dòng)化系統(tǒng)的抗電磁干擾措施。

4.1 隔離和屏蔽

變配電所的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置以及其他自動(dòng)化裝置所采集的模擬量,大多數(shù)來自一次系統(tǒng)的電壓互感器和電流互感器,它們均處于強(qiáng)電回路中,不能直接輸入到綜合自動(dòng)化系統(tǒng),必須經(jīng)過設(shè)置在自動(dòng)化系統(tǒng)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(hào)通過分布電容進(jìn)入自動(dòng)化系統(tǒng)的相應(yīng)部件。

變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)開關(guān)量的輸入,主要是斷路器、隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)等。開關(guān)量的輸出,大多數(shù)也是對斷路器、隔離開關(guān)的控制。這些斷路器和隔離開關(guān)都處于強(qiáng)電回路中,如果與自動(dòng)化系統(tǒng)直接相連,必然會(huì)引起強(qiáng)的電磁干擾。因此要通過光耦合隔離或繼電器隔離,這樣會(huì)取得比較好的效果。開關(guān)量輸入回路前及信號(hào)變換部分應(yīng)考慮采用濾波,開關(guān)量輸入信號(hào)送給 CPU之前,必須進(jìn)行隔離處理,可采用光電隔離,而且兩級光電隔離的效果會(huì)比較好,在開關(guān)量輸入板的出口處和 CPU板的入口處各設(shè)置一級光電隔離。開關(guān)量輸出回路也應(yīng)該在前端采取隔離措施,可通過光耦合或繼電器進(jìn)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(guān)量輸出板的入口處各設(shè)一級隔離。開關(guān)量輸出回路一般都用于控制現(xiàn)場的設(shè)備,要求實(shí)時(shí)性強(qiáng),所以一般不能加濾波器。

二次回路布線時(shí),應(yīng)考慮隔離,減少互感耦合,避免干擾由互感耦合侵入?？刂齐娎|盡可能離開高壓母線,并盡可能減少平行布設(shè)長度。避雷器和避雷針的接地點(diǎn)、電容式電壓互感器等都是高頻暫態(tài)電流的入地點(diǎn),控制電纜也應(yīng)盡可能離開它們,以便減少感應(yīng)耦合。強(qiáng)、弱信號(hào)的電纜不應(yīng)使用同一根電纜,信號(hào)電纜應(yīng)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(shè)長度。

4.2 接地

在變配電所中,一次系統(tǒng)接地是以防雷和保證安全(系統(tǒng)中性點(diǎn)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(nèi)的高頻瞬變電壓幅值,特別是減少電網(wǎng)中各點(diǎn)的瞬變電位差,減低了電網(wǎng)中的瞬變電位升高。這對二次設(shè)備的電磁兼容很有好處。例如:①避雷針、避雷器的接地點(diǎn)應(yīng)采用 2根以上的接地線和加密接地網(wǎng)絡(luò);②設(shè)備接地處要增加接地網(wǎng)絡(luò)互連線;③設(shè)備接地線要接于地網(wǎng)導(dǎo)體交叉處。

二次系統(tǒng)的接地,從電磁兼容的角度來說,應(yīng)做到:①多個(gè)電路共用接地線時(shí),其阻抗應(yīng)盡量減少;②由多個(gè)電子器件組成的系統(tǒng),各電子器件的工作接地應(yīng)連在一起,通過一點(diǎn)與安全接地網(wǎng)相連;③工作接地網(wǎng)各點(diǎn)的電位應(yīng)盡量保持一致。

電磁干擾可能進(jìn)入綜合自動(dòng)化系統(tǒng)弱電部分的主要途徑是通過微機(jī)電源。因?yàn)殡娫磁c干擾源的聯(lián)系比較緊密,同時(shí)電源線直接連接至系統(tǒng)各部分,因此來自電源的干擾很容易引起死機(jī)。所以對微機(jī)電源的地線處理很重要。微機(jī)電源地線與機(jī)殼的連接方法有一點(diǎn)連接、多點(diǎn)連接和不連接 3種。實(shí)踐中,多采用微機(jī)電源地線和機(jī)殼不連接,它的優(yōu)點(diǎn)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(tǒng)的安全性和可靠性。而缺點(diǎn)是:在電磁干擾下,對地電壓降在微機(jī)電源和機(jī)殼之間浮動(dòng),如果微機(jī)系統(tǒng)中某一關(guān)鍵部分對機(jī)殼的耦合電容較大,則可能引起邏輯判斷出錯(cuò)。針對電源地線與機(jī)殼不連接的缺點(diǎn),可采用以下方法來盡量減少微機(jī)電源地線對機(jī)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(jī)系統(tǒng)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(jī)電源的抗干擾

微機(jī)電源回路是電磁干擾最容易進(jìn)入的通道,所以在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中,對于同一試驗(yàn)等級,電源回路的試驗(yàn)電壓比其他回路高 1倍,例如采用 3級試驗(yàn)等級的 EFT試驗(yàn),電源回路的試驗(yàn)電壓為 2kV,其他回路為 1kV。由于這個(gè)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(jī)電源的抗干擾,實(shí)踐中,采取如下措施都是很有效的:①在電源的輸入側(cè)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(shí)有兩個(gè)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(wěn)壓電源濾波器、開關(guān)電源濾波器等。二是必須在電源進(jìn)線的最前端放置濾波器,使濾波器之前的電源進(jìn)線盡可能短,以盡量避免電磁干擾通過這段進(jìn)線竄入裝置內(nèi)對電路其他部分產(chǎn)生影響。在可能的情況下,可考慮將濾波器直接安裝在機(jī)箱上,讓濾波器的金屬外殼與機(jī)箱的金屬外殼緊密接觸;②在電源的輸入側(cè)安裝隔離變壓器,有隔離變壓器的輸出端直接向微機(jī)供電;③通過 UPS電源向微機(jī)系統(tǒng)供電,可有效地抑制電網(wǎng)低頻正常狀態(tài)下的干擾。

4.4 軟件的抗干擾設(shè)計(jì)

軟件上采用數(shù)字濾波技術(shù)和復(fù)合濾波方法。數(shù)字濾波技術(shù)可以有效地消除模擬輸入信號(hào)的噪聲。數(shù)字濾波技術(shù)有中值濾波、算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波等。復(fù)合濾波方法,對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,即:使用“中值濾波 +算術(shù)平均值濾波”的方法。具體按下述步驟實(shí)現(xiàn):

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(shù)平均得本次測量值

式中 N——采樣次數(shù)(N=6);

Xi——每次采樣值;

Xp——本次測量值。

5 結(jié)語

隨著近年來客運(yùn)專線鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展,電磁環(huán)境越來越惡劣,變配電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)作為鐵路系統(tǒng)安全運(yùn)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(yùn)專線的安全運(yùn)行。

[1]趙慧宏.工廠變配電所二次回路干擾及抗干擾措施[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2006(4).

[2]邊曉燕.鐵路配電所新型自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用[J].西鐵科技,2006(3):46-47.

[3]韓 剛,徐萬玉.工業(yè)控制裝置的抗干擾技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[4]蔡仁鋼.電磁兼容原理、設(shè)計(jì)和預(yù)測技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.