一種抗電磁干擾電氣控制柜的設(shè)計

查笑春 李龍星 張永強(qiáng)

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

0 引言

隨著國網(wǎng)公司對建設(shè)智能化變電站的要求越來越高，智能裝置在變電站內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。變電站內(nèi)由于感應(yīng)、耦合和傳導(dǎo)等引起的電磁干擾經(jīng)常影響智能裝置的正常工作。目前變電站內(nèi)二次控制系統(tǒng)向數(shù)字化、集成化和高速化方向發(fā)展，智能裝置的工作電壓降到0～5V，信號電壓小，工作頻帶寬，且與一次系統(tǒng)干擾源同頻段，使其對外界干擾的敏感度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的控制設(shè)備；而且其工作環(huán)境是電磁干擾非常嚴(yán)重的強(qiáng)電環(huán)境，一旦受到電磁干擾，將不能正常工作，給電力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。在變電站中，智能裝置一般安裝在就地的電氣控制柜內(nèi)，柜體的電磁屏蔽能力對智能裝置的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。因此，提高變電站內(nèi)電氣控制柜的電磁屏蔽能力具有重要的實際意義。

1 技術(shù)背景

電氣控制柜作為變電站中安裝智能裝置的主要載體，為裝置提供安全、穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境[2]。電氣控制柜內(nèi)的許多精密裝置是電氣控制柜的核心，對外界環(huán)境比較敏感，只有在干燥、少塵、無電磁干擾的工況下才能保持長期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。在變電站中，電磁干擾主要來源于各種輸電線路、智能裝置和無線電通信設(shè)備，它們嚴(yán)重影響了控制柜內(nèi)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，為保證站內(nèi)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要根據(jù)電磁干擾的性質(zhì)，從材料、表面處理及走線接地等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以做好屏蔽措施，有效減少控制柜內(nèi)的干擾現(xiàn)象[3]。

2 技術(shù)方案

2.1 電磁干擾分析

根據(jù)對變電站內(nèi)電磁干擾源的分析發(fā)現(xiàn)，變電站中影響智能裝置穩(wěn)定運(yùn)行的電磁干擾主要有裝置之間的電磁干擾及變電站內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾。為了使裝置能夠在電磁環(huán)境中正常運(yùn)行，需要裝置本身具有抗環(huán)境電磁干擾的能力和電磁兼容能力，同時需要在電氣控制柜的設(shè)計中考慮電磁干擾和兼容性的問題[4]。

本文主要從提高電氣控制柜的電磁屏蔽能力角度對控制柜的設(shè)計進(jìn)行分析。

2.2 電磁屏蔽技術(shù)原理

電磁屏蔽的原理是基于電磁波穿過金屬屏蔽體產(chǎn)生波反射和波吸收的機(jī)理，它的作用是切斷電磁波的傳播途徑，從而消除干擾。

一般抗電磁干擾設(shè)計途徑如圖1所示[5]。

圖1 抗電磁干擾設(shè)計途徑

電磁干擾以電磁波的方式在空間中進(jìn)行傳播，屏蔽電磁干擾技術(shù)用來抑制電磁干擾在空間的傳播，即切斷電磁干擾的傳播途徑。在智能裝置的電磁兼容性設(shè)計中，屏蔽、接地、濾波是三種最常見的電磁干擾抑制方法。其中屏蔽就是用屏蔽體將干擾源或敏感體（受干擾的設(shè)備或部件）包圍起來，以隔離被包圍部分與外界電的、磁的或電磁的相互干擾[6]，是解決電磁干擾問題最重要的手段之一。

屏蔽是一種直接而有效的控制電磁干擾的方法，它對電磁輻射有良好的抑制作用，主要用于切斷通過空間輻射的電磁干擾的傳輸途徑[6]。在電氣控制柜的實際設(shè)計中因為維護(hù)、散熱等許多因素的影響，柜體上必然存在孔洞和縫隙，這些縫隙和孔洞是使控制柜電磁屏蔽效能降低的主要原因。因此，本文主要介紹幾種能有效處理這些縫隙和孔洞的方法，以使柜體的屏蔽達(dá)到理想效果[7]。

實際上，真正影響屏蔽體屏蔽效果的只有兩個因素：①整個屏蔽體表面必須是連續(xù)的；②不能有直接穿透屏蔽體的導(dǎo)體。所以在設(shè)計柜體時，外殼處采取無縫隙焊接結(jié)構(gòu)，不用或少用可拆卸式壓接縫及開啟式的活動縫，柜體和柜門之間采取一定的技術(shù)手段保證柜體的整體導(dǎo)電連續(xù)性，切斷電磁波的傳播途徑，從而達(dá)到電磁屏蔽的目的。

2.3 技術(shù)方案

根據(jù)上述影響柜體屏蔽效能的因素，在對變電站用電氣控制柜的設(shè)計中，主要從以下幾方面重點考慮，以改善柜體的電磁屏蔽效果。

1）柜體材料的選擇

根據(jù)電磁學(xué)基本原理可知，屏蔽材料的選擇對電磁屏蔽效果的影響是最大的，在選擇屏蔽材料時，一定要選用導(dǎo)磁性和導(dǎo)電性良好的材料，若要兼顧靜電屏蔽和電磁屏蔽，可采用電磁屏蔽和磁場屏蔽雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)來解決，其屏蔽效果為每層屏蔽效果之和。

對1kHz以下的低頻屏蔽體選用磁導(dǎo)率較高的磁性材料，如鐵、潑墨合金等；對高頻屏蔽體選用良導(dǎo)體。由于鋼材料具有較高的導(dǎo)電能力，因此其是用于磁場屏蔽的理想材料[8]。

一般來講，電氣控制柜的柜體通常采用導(dǎo)電能力較高的鋼材料，這種材料可確保柜體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，提高柜體的抗振性能。雖然屏蔽材料的厚度與其屏蔽效果成正比，但在實際應(yīng)用中考慮到厚度對其尺寸、質(zhì)量、適用性等方面的影響，因而應(yīng)該根據(jù)實際情況來確定厚度，在確保良好屏蔽效果的基礎(chǔ)上盡量薄一些[9]。

在實際工程應(yīng)用中控制柜柜體一般采用不銹鋼材料進(jìn)行連續(xù)焊接或鑄造加工成型。這種材料既可以抵抗外界電磁干擾對柜內(nèi)智能裝置的影響，同時可以保證柜體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使柜內(nèi)的電氣元件免受影響。

2）柜體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為保證屏蔽效果，目前電氣控制柜的柜體[10]（見圖2）采用正面開口，在開口位置安裝用于提供密封和屏蔽效能的柜門（見圖3），在柜體和柜門處采用整體鉸鏈（見圖2）結(jié)構(gòu)。其中，在柜體上設(shè)置有門沿（見圖3），該門沿采用向外翻邊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)水流進(jìn)入時，外翻邊可以對水流起到阻隔作用。此外，如果水流要進(jìn)入柜體，必須先越過外層的密封層才可能與門沿的外翻邊相接觸，這有效提高了柜體的密封防水性能[10]。這種柜體結(jié)構(gòu)已通過了國網(wǎng)公司組織的電氣控制柜性能檢測要求，并通過了防水試驗，戶外用柜體的防護(hù)等級達(dá)到IP54，報告編號為CEPRI—SY5—2015—078，該型電氣控制柜已大量應(yīng)用于實際工程中。

圖2 柜門設(shè)計

圖3 柜體接縫處設(shè)計

同時為保證柜體的電磁兼容性能，在實際柜體設(shè)計中柜體與柜門之間采用專用的屏蔽密封條進(jìn)行可靠連接，保證柜門與柜體的有效導(dǎo)通，不留縫隙，如圖4所示。

圖4 柜門與柜體屏蔽結(jié)構(gòu)

3）柜體表面處理

翻邊結(jié)構(gòu)的柜體表面金屬裸露處進(jìn)行導(dǎo)電涂敷，涂敷之后其電阻值為毫歐級，同時在門沿翻邊結(jié)構(gòu)上還包裹有一層導(dǎo)電金屬（見圖2）。

4）柜門設(shè)計

5）橡膠密封設(shè)計

柜體開口外沿處固定一圈橡膠密封墊（見圖2），柜門在門框外圈安裝有一圈橡膠密封圈（見圖2），當(dāng)柜門關(guān)閉時，橡膠密封墊和柜門上的橡膠密封圈緊密結(jié)合，確保二者有一定的壓縮變形量，與柜門之間形成致密狀，可有效避免雨水侵入，達(dá)到防水效果。橡膠密封圈安裝于柜門上，可以防止在施工過程中被踩踏損壞，保證控制柜的密封性能。

6）接縫處設(shè)計

當(dāng)屏蔽體存在縫隙時，對反射和衰減的影響較大。當(dāng)縫隙最大尺寸大于λ/4（λ為最大頻率下的波長）時，幾乎沒有屏蔽效果；小于λ/20時有基本的屏蔽效果；小于λ/100時有理想的屏蔽效果。當(dāng)縫隙的深度較大時，由于多次反射的累計作用，可以大大提高縫隙的屏蔽效果，因此屏蔽體的表面應(yīng)該是平滑而成一體的表面，無縫隙、無孔洞，才能確保屏蔽體良好的電磁屏蔽效果。但在實際中，電氣控制柜的機(jī)殼采用焊接、螺紋聯(lián)接等方法加工而成，焊接質(zhì)量和螺絲緊固件之間存在的不密閉空間使得屏蔽體表面的金屬板之間經(jīng)常存在一些細(xì)長的縫隙，導(dǎo)致屏蔽效果下降。

因此，為保證屏蔽效果，在電氣控制柜設(shè)計過程中：①在柜體接縫處進(jìn)行連續(xù)焊接；②柜體的縫隙不平整處采用導(dǎo)電襯墊填充構(gòu)成導(dǎo)電連續(xù)體，連接柜體和柜門的整體鉸鏈通過螺紋盲孔套（見圖3）固定于柜體上，即在柜體上開設(shè)螺紋盲孔套，該螺紋盲孔套為盲孔，既具有密封作用，又具有屏蔽電磁干擾的作用，整體鉸鏈與柜體采用螺釘固定，防止雨水通過螺釘孔進(jìn)入柜體，提高柜體的電磁屏蔽性能；③柜體的焊縫處沒有虛焊、漏焊及裂紋、燒穿等情況。

7）布線的抗干擾防護(hù)設(shè)計

由于不同電纜中電位各不相同，因此，電纜的電磁泄漏也會造成電磁干擾，需要采取合理的布線設(shè)計，才能有效抑制這類干擾。布線設(shè)計中：①要將容易受到干擾的弱電線與發(fā)射干擾的強(qiáng)電線分開布置，使二者盡量遠(yuǎn)離，布線設(shè)計時合理安排好強(qiáng)電和弱電的分區(qū)；②要減少回路的布線網(wǎng)孔，利用膠合線完成布線；③要使接線盡量短、直，切忌迂回繞彎。因此在布局中應(yīng)將空開和接觸器等分開布置于控制柜內(nèi)的上、下格子中，以減少干擾的產(chǎn) 生[11]。實際的電氣控制柜布線設(shè)計如圖5所示，柜體左側(cè)為強(qiáng)電控制回路，右側(cè)為弱電控制回路。

圖5 柜內(nèi)布線設(shè)計

8）接地設(shè)計

接地一般分為安全接地、防雷接地及工作接地。前兩種接地主要是從安全角度考慮，直接接在大地上；第三種接地根據(jù)不同的種類可分為直流地、信號地、電源及屏蔽地等。屏蔽與接地配合使用，可以使柜體的屏蔽效果增強(qiáng)。當(dāng)整個控制柜內(nèi)的設(shè)備需要抵抗外界電磁屏蔽干擾時，需要將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。

在高頻電路中，導(dǎo)線存在趨膚效應(yīng)，即導(dǎo)線內(nèi)部實際上沒有任何電流，電流集中在臨近導(dǎo)線外表的薄層上，使導(dǎo)線的電阻增加，進(jìn)而使導(dǎo)線的損耗功率增加，因此，趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線性傳輸線在高頻時效率很低，因為其傳輸?shù)男盘査p很大。因此為了削弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中通常采用編制電纜作為接地線使用，同時在電纜連接端子上增加金屬片，加大接觸面積，增強(qiáng)傳輸效果。

實際的電氣控制柜設(shè)計中，根據(jù)國網(wǎng)公司對柜內(nèi)接地銅牌的尺寸要求，柜內(nèi)安裝有40×3mm2的接地銅牌，柜內(nèi)智能裝置的接地點與接地銅牌通過黃綠接地線進(jìn)行連接，保證柜內(nèi)裝置的接地。

同時在柜體外圍的左右兩側(cè)各設(shè)計一個接地凸臺，與大地同電位，可有效減小接地電阻，提高柜體的屏蔽效能。接地設(shè)計如圖6所示。

圖6 接地設(shè)計

9）柜體通風(fēng)口設(shè)計

對于柜體的通風(fēng)口，采取在通風(fēng)窗內(nèi)加裝波導(dǎo)材料（見圖7）來達(dá)到屏蔽目的。柜體內(nèi)形成了一個空氣屏蔽的空間，取得了良好的屏蔽效果[12]。

圖7 通風(fēng)口的屏蔽結(jié)構(gòu)

10）電線電纜的選擇

屏蔽柜在試驗室中不連接任何電纜時能夠滿足電磁屏蔽的嚴(yán)格要求，但在現(xiàn)場使用時卻經(jīng)常只有50dB左右的屏蔽效能甚至完全無效。這是因為在現(xiàn)場使用時電纜與機(jī)柜的連接不正確，在將連接電纜拔掉后機(jī)柜的屏蔽效能又恢復(fù)正常。這說明電纜是導(dǎo)致系統(tǒng)屏蔽效能降低的直接原因。在工程實際應(yīng)用中電纜一般選用帶有屏蔽層的電纜。當(dāng)電纜僅有一層屏蔽層時，采用一端接地；當(dāng)電纜有兩層以上絕緣隔離的屏蔽層時，最外層兩端接地，內(nèi)層一端接地。內(nèi)層一端接地是為了防止電容性干擾源，即強(qiáng)電產(chǎn)生的電磁干擾；外層兩端接地是為了防止電感性干擾源[4]。

實際工程中電纜采用兩端接地的方式，在GIS一次本體側(cè)，電纜的屏蔽層接到一次本體側(cè)的接地點上[13]；電氣控制柜內(nèi)電纜的屏蔽層與柜內(nèi)的接地銅牌進(jìn)行連接，柜內(nèi)的電纜接地如圖8所示。

圖8 電纜接地

以上幾種設(shè)計方案實現(xiàn)了電氣控制柜柜體的密封防護(hù)，保障了柜體的防水防塵功能，并在保證密封效果的前提下，使柜體的屏蔽效能得到提高，可以同時解決現(xiàn)有的柜體在密封防護(hù)和屏蔽電磁干擾方面的技術(shù)問題。

3 試驗驗證

按照以上方法對原有的控制柜進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計后，為了驗證屏蔽效果，在試驗室利用儀器按照GB/T 18663.3—2007中規(guī)定的一級要求進(jìn)行測試。低頻段30～230MHz，屏蔽性能大于20dB；高頻段230～1 000MHz，屏蔽性能大于10dB。最終電氣控制柜的電磁屏蔽性能達(dá)到了GB/T 18663.3—2007中規(guī)定的一級要求。

電磁屏蔽試驗儀器如圖9和圖10所示。

圖9 試驗儀器1

圖10 試驗儀器2

柜體設(shè)計完成后，在相關(guān)試驗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了電磁屏蔽效能驗證，測試結(jié)果見表1。

表1 屏蔽效能測試結(jié)果

參加國網(wǎng)性能檢測柜體的外觀如圖11所示。

圖11 柜體外觀

4 結(jié)論

通過對變電站中電磁產(chǎn)生的原因、電磁干擾對智能裝置的影響及電氣控制柜柜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、研究，在電氣控制柜設(shè)計中選用一系列可以有效預(yù)防電磁干擾的方法，減少或抑制了電磁干擾對變電站內(nèi)智能裝置的影響，保證了站內(nèi)電子裝置可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。