水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)電磁干擾研究

陳 宇

（貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司思林發(fā)電廠，貴州 銅仁565109）

1 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的作用

（1）使電站的運行滿足安全可靠的要求。安全運行是水電站第一要務，值班人員必須每時每刻對水電站的不同運行工況和所有設備進行嚴密監(jiān)測，才能保證水電站的安全可靠運行。水電站內(nèi)需要監(jiān)測的實時信息數(shù)量與水電站發(fā)電機的容量和發(fā)電機臺數(shù)有非常緊密的關系，大型水電站的信息量最多可達成千上萬個。為了快速發(fā)現(xiàn)處理各種故障，避免事故的產(chǎn)生，必須快速采集和處理大量信息，只有采用計算機監(jiān)控才能彌補操作人員的缺陷。假設只靠人工監(jiān)測，則不能迅速發(fā)現(xiàn)異常，不能及時采取措施，導致各種可能的事故發(fā)生。所以，采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)很大程度上提高了水電站的安全運行水平。

（2）能保證水電站的經(jīng)濟運行。水電站采用自動發(fā)電控制（AGC)以后，可以使水電站處于最優(yōu)工況下運行。各梯級水電站實現(xiàn)梯級優(yōu)化運行后，可以節(jié)約寶貴的水資源，提高經(jīng)濟效益。我國一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以大大提高水能利用率，能提高大約為1%的效益。效益也會隨水電站的調(diào)節(jié)能力的不同而有所變化，比如，調(diào)節(jié)性能較強的水庫和負荷曲線變化較大的電站的經(jīng)濟效益有可能增加顯著；再如，梯級水電站實行經(jīng)濟調(diào)度以后能獲得更大的經(jīng)濟效益，經(jīng)濟效益比不實行經(jīng)濟運行時可提高百分之幾。

（3）達到“無人值守或少人值守”。各水電站自從采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)之后，信息的監(jiān)測和操作大都由自動控制系統(tǒng)進行，而運行人員只進行監(jiān)視和少量的計算機操作，很大程度上減輕了運行人員的工作量。所以可以適量減少運行人員的數(shù)量，某些水電站甚至可以實行無人值守。減少運行人員后，則也可相應減少生活配套設施，大大節(jié)約投資的同時也可以提高經(jīng)濟效益和社會效益。

2 水電站電磁干擾及抑制方法研究

水電站的電磁干擾類別的區(qū)分，從干擾源的原理上可以分為：自然干擾和人為干擾，內(nèi)部干擾和外部干擾。水電站廠房內(nèi)的干擾主要有：①內(nèi)部干擾：電磁輻射主要由廠房的內(nèi)部一次元件通過親合產(chǎn)生的；②系統(tǒng)外接線干擾：稱為傳輸干擾，主要由信號線和電源的傳輸產(chǎn)生；③空間電磁輻射干擾：比如雷達、通信、雷電、無線電等等會產(chǎn)生干擾，由于外部空間的電磁輻射干擾分布極為普遍、復雜，它不但可以與計算機外圍設備及通信網(wǎng)絡產(chǎn)生親也合，能通過計算機內(nèi)部的電磁稱合產(chǎn)生干擾。由外圍設備和通信線路的電磁感應產(chǎn)生干擾，電磁場的大小、頻率是影響輻射干擾強度的主要因素，并且輻射干擾強度與水電站內(nèi)各種設備的地理位置有關，需要采取一定措施防止其進入系統(tǒng)，一般通過計算機的局部屏蔽、設置電纜等方法屏蔽體的屏蔽性能是以其屏蔽效能來衡量，因此需要得到屏蔽效能的理論計算公式。目前，對電磁屏蔽的分析方法有三種，分別為：

（1）應用電路中的電磁感應原理，可以由渦流的屏蔽效應來描述電磁屏蔽的原理。這種分析方法比較簡單形象，但它沒有反映出屏蔽體材料的導磁率對屏蔽效能的影響，也沒有把干擾源的場特性、傳播媒質(zhì)與屏蔽體分界面的特性考慮在內(nèi)，所以很難得到精確計算公式描述電磁屏蔽的效應。

（2）應用電磁場理論，可以計算出電磁波在各種介質(zhì)的分界面和介質(zhì)內(nèi)部傳播時產(chǎn)生反射以及衰減。對于平面電磁波垂直射入無限延伸的平面屏蔽體時，這種分析方法可以比較簡單導出屏蔽效能的計算公式，但對于其他場源特性和尺寸并不遠遠大于波長的實際屏蔽體，計算出的屏蔽效能誤差較大。

（3）應用傳輸線理論，行波在有損耗但非均勻傳輸線中傳輸時會產(chǎn)生反射和損耗，這種現(xiàn)象與電磁波通過金屬傳播時的現(xiàn)象類似，所以可以用它模擬行波的反射與衰減，而這種方法比經(jīng)典的電磁場理論要簡單方便。

可以從兩方面進行減少電磁干擾，即，一是消除干擾源，二是切斷稱合通道。一般的抑制措施有隔離、平衡、接地、屏蔽等等。因為不同水電站設備布置情況不同，受干擾程度也不相同，一般進行電磁干擾的抑制措施有：只采用其中一種方法，或同時采用幾種不同的方法進行抑制。①隔離。影響水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的最主要的外部因素是電磁干擾。我們都知道磁場強度的大小正比于距離的二次方。按照這一原理，根據(jù)水電站的實際情況，一般采用物理隔離，也就是增加計算機監(jiān)控系統(tǒng)與電磁干擾源的距離以達到抑制電磁干擾的目的，比如在輸電線或母線中使用變壓器隔離，信號采集系統(tǒng)中使用光電隔離等等。水電站中的各種電磁干擾的性質(zhì)雖有所不同，但它們都表現(xiàn)為不等電位干擾。要克服這種現(xiàn)象，需要將計算機監(jiān)控系統(tǒng)柜中的相對獨立部分進行分隔，把整個系統(tǒng)分為多個小系統(tǒng)，再將每個小系統(tǒng)單獨接地，各小系統(tǒng)之間采用絕緣強度高的絕緣材料進行隔離，這樣處理的方法是可以減小每個共地系統(tǒng)的空間距離，并且便于消除不等電位干擾。②抑制干擾源。增大容易受電磁干擾的設備與強干擾源之間的距離是抑制干擾源最有效可行的方法，并且同時要對干擾源采用屏蔽措施。比如，采用同軸電纜對干擾源進行屏蔽時，必須采用單端接地方式；采用屏蔽隔離板可以隔離系統(tǒng)各模板間的干擾，但是必須構成等電位屏蔽，即屏蔽板必須與系統(tǒng)保護接地點相連，這樣可以避免產(chǎn)生新的不等電位干擾。以上兩個方面，是進行干擾源屏蔽的關鍵問題。③屏蔽措施。計算機監(jiān)控系統(tǒng)的各個電氣部分均可能存在電磁稱合千擾，比如，電源線與系統(tǒng)的耦合、電器柜內(nèi)部電路的耦合、輸入/輸出信號線之間的耦合、板間耦合等等。保護易受干擾的通道和抑制干擾源是抑制耦合的兩種方法，以上兩種方法相結合就是所謂的屏蔽。

3 主要的磁場干擾計算

3.1 工頻穩(wěn)態(tài)磁場干擾強度的計算

各個發(fā)電機經(jīng)出口母線與升壓變壓器直接相連，把電能輸入電力網(wǎng)絡。水電站中都存在不同的電壓等級，因為同一條線路兩端傳輸?shù)墓β氏嗤?，由于發(fā)電機出口母線的電壓較低，所以電流很大。發(fā)電機出口母線的電壓一般不會變化很大，隨著發(fā)電機額定功率的增大，其額定電流卻增大很多。磁場強度正比于電流，當電流較大時，母線附近會產(chǎn)生很大的工頻磁場干擾。

在實際計算中應注意以下問題：

（1）敞露式母線額定狀態(tài)下運行時，機房的最大磁場強度有可能會超過國際規(guī)定的80A/rn的容許值。由此可見，對一些采用敞露式母線的電站，其單機容量雖然小一些，但如機組距離大電流回路較近，場強仍有可能超過標準容許值，并且裸露母線短路的機率也比封閉大，要注意進行環(huán)境場強的演算或實測。

（2）不連式封閉母線，外殼只有渦流作用，對殼外磁場的削弱作用并不大，因而也不滿足環(huán)境的要求；

（3）全連式分相封閉母線主要靠外殼環(huán)流還有禍流的聯(lián)合作用，使殼外磁場大大削弱，正常運行和短路情況的磁場均低于標準規(guī)定的容許值。

3.2 短路暫態(tài)與高頻磁場干擾強度計算

離相封閉母線的外殼在短路工況下會受到母線磁場強度的影響，當是全連式外殼時，不僅會在外殼中產(chǎn)生渦流，而且禍流會在各個絕緣段中來回流動而產(chǎn)生環(huán)流。當屬于不連式時，就會在全連段中產(chǎn)生相間環(huán)流和渦流。短路電流分為交流分量和直流分量兩分部分，因而禍流分也為兩個部分，即分別由短路電流的交流分量和直流分量產(chǎn)生。其中，由交流分量感應產(chǎn)生的渦流和環(huán)流與交流穩(wěn)態(tài)時相似，但是會隨母線電流的變化而變化；而直流分量不同，對應的時間常數(shù)Ta的變化率比工頻慢很多，因此它的電磁感應強度也會小很多，因為外殼電阻的作用，很大程度上限制了渦流和環(huán)流。

在實際計算中應注意以下問題：

（1）采用全連式分相封閉母線結構的電站，由于殼外磁場大為削弱，正常和短路情況下的磁場強度通常不會超過標準規(guī)定的容許值，一般不必考慮機房的磁屏蔽措施。但在運行中必須注意，因為殼外磁場的減小主要依靠環(huán)流的作用，因此封閉母線各段之間以及端板的連接必須良好以保證環(huán)流暢通。

（2）低頻磁屏蔽效能隨屏蔽體的體積增大而減小，由于計算機場所的體積都比較大，要得到較好的屏蔽效果，就要采用很厚的鋼板，致使投資巨大，施工也很困難。

（3）對于采用計算機監(jiān)控的大中型水電站，特別是采用敞露式母線結構的電廠，在設計階段就應對有關場所的環(huán)境磁場進行分析，如果不滿足環(huán)境場強的要求，應采取相應的措施，如機組遠離大電流母線回路，敞露式母線改為封閉母線或者對部分設備有針對性地采用局部的磁屏蔽措施等。

（4）目前，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的顯示部件CRT的抗工頻磁場干擾的性能很差，要研究采取有效的屏蔽措施以提高其抗干擾能力。

4 結語

計算機監(jiān)控系統(tǒng)對確保水電站的安全、可靠、穩(wěn)定運行有著十分重要的作用，影響計算機監(jiān)控系統(tǒng)正常工作的重要因素之一是各種工況下的電磁干擾。水電站本身是一個復雜的干擾源，存在著各種電磁干擾等。針對國內(nèi)一些釆用計算機監(jiān)控系統(tǒng)的大中型水電站已經(jīng)出現(xiàn)程度不同的因電磁干擾而影響正常工作的突出問題，一些科研院所、企業(yè)和專家已經(jīng)展開了卓有成效的研究，并取得了一定的效果，但加強計算機監(jiān)控系統(tǒng)電磁干擾研究的工作依然任重道遠。