電工技術的發展與電磁相容性

2023-01-23 00:12:04 字數 2736 閱讀 4199

21世紀的電工技術與其他科技領域一樣,將獲得飛速的發展。伴隨著這些發展,一方面會使得周圍的電磁環境變得惡劣;另一方面,為適應這些發展,電工技術領域也需要「乾淨」的電磁環境,因此,要求妥善地解決電磁相容問題。

在電工技術領域,有些系統雖然也會產生電磁騷擾,但或布點分散,或因數量不多,其影響範圍較小(例如:發電廠)。現僅就其中影響面廣的系統舉例說明。

第一,高壓輸電線路。

如果不計由於事故產生的危險影響,其可能對周圍事物造成干擾的因素主要包括:

電暈:是由於導體表面的電位梯度過大,引起向空氣中放電而產生的高頻電磁雜訊,其頻譜的主要分量在幾兆赫以下。其以db表示的強度,隨電位梯度的公升高而增加,而導體表面的電位梯度不僅取決於電壓等級,而且還直接與導線的等效表面積有關。

火花放電:由於線路上區域性的絕緣被破壞、絕緣子汙穢。金具接觸不良等而產生的火花放電,其頻譜範圍可能高達百兆赫,其幅度變化範圍很大,可能遠大於電暈放電。

工頻電場:其表現形式主要存在於導線對大地之間。其強度主要取決於電壓等級。對於直流輸電線路則為乙個純的靜電場。

工頻磁場:由於工頻頻率很低,波長很長(50hz的波長為6000km),因而距線路雖較遠仍為近場,磁場與電場必須分別考慮。其強度主要取決於導線的載流量。但其隨距離的衰減很快。

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(例如對雷達訊號、短波通訊等),稱為元源干擾。

地電流:對於交流三相系統不平衡時的中線或直流輸電線路以地做為迴路的情況,地電流有時頗為可觀。當處理不當時,會造成地電位公升或對地下管線腐蝕。

以上數種騷擾源,可能會對不同的敏感裝置造成干擾。不同的騷擾源的影響不同。值得注意的是:

如處理不當,這些騷擾的強度將隨線路的電壓等級而提高。而提高電壓是輸電系統的必然趨勢。因之對電磁相容性提出了相應的高要求。

第二,電牽引系統。

一般說電牽引系統專指從地面獲取電能,而不由車輛自身攜帶電池的地面運載工具。例如:幹線鐵路、城市(有軌、無軌)電車、地下鐵道或輕軌系統等。

此類系統的電磁騷擾源主要來自受流系統(車頂的受電弓與接觸網或者是接近地面的電刷與第三軌)。其表現形式包括:電平相對穩定的連續電磁雜訊。

一系列的脈衝雜訊以及突發的孤立脈衝。

此外,由於當前的牽引電機絕大多數仍為直流電機,因而無論在牽引變電所或是在車上的整流裝置都會成為供電網的低功率因數負荷與強諧波源

磁懸浮列車在國際上已有了試驗線路;在我國也對其科研給予了充分的注意,並已在上海開工興建運營線路。無疑,磁懸浮系統是目前已知的可商業執行的最決地面運載工具。但隨著使用超導或常導。

吸力與斥力等機制的差別,對電磁環境的影響差別很大。

第三,電動車(electric vehicle)。

電動車沒有內燃機車輛的尾氣排放,對於改善城市空氣質素將是一大革命,是今後城市交通的主導工具。當前無論在全球還是我國都已有投入商業執行的型號。但當人們為它的淨化大氣環境呼籲的同時,卻很少有人去研究其對電磁環境的影響。

早在20年前,美國學者就對內燃機汽車對電磁環境的影響進行過大量的實地測量工作。結果表明:在橫座標為每小時流量(20~10000)的對數,縱座標為平均雜訊功率密度fa(db)的座標系中,電磁雜訊隨著汽車流量線性增加,由此可見汽車對電磁環境的影響。

電動車雖無汽油機的點火系統,但其低電壓大電流的驅動系統與控制系統的電磁騷擾不容忽視。為此,在2023年北京舉行的第十六屆國際電動車大會(evs l6)期間,筆者曾與歐洲電動車協會主席,第十五屆國際電動車大會主席dr. gaston maggetto**過電動車對電磁環境的影響問題。

他認為,應該給予充分關注,但現在尚未引起人們的注意。

第四,電力電子系統。

有人認為,電力電子技術是否被廣泛地應用,反映了乙個國家的科技水平,據統計,2023年發達國家電能中有75%左右是經過電力電子技術變換或控制後才使用的。預計21世紀初期,這一比例將可達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,高頻化是必然的趨勢。

上世紀末可達到的開關速度約為400~1000a/μ5 而電壓的變率已超過2~3kv/μs;結型sic整流管的反向恢復時間已達0.01μs。在功率方面,光控scr已有40ooa/8000v的商品。1gbt也已超過2400a/3300v(eupec)。

2500a/3300v(三菱)。人們清楚地知道,大的或必然伴隨著高的電磁騷擾發射。顯然電力電子器件的發展趨勢與改變電磁環境是存在著矛盾的。

以上僅僅列舉了幾個方面說明電工技術的發展可能帶來的環境問題。但另一方面,我們還應該看到,隨著電工技術的發展其控制系統的自動化程度必將越來越高。為此,一方面要求提高自動控制系統的抗電磁干擾能力;另一方面也要求優良的電磁環境。

我們應注意到,在電工技術領域的控制物件往往是乙個大的分系統或系統,一旦失誤,其後果往往是惡性的。例如,東京市從新橋站至東京灣的有明站,共12個站執行著元人駕駛元列車員的公共運輸系統。又如,從葛洲壩至上海1400km的500kv直流輸電系統的執行控制可任意從上海或葛洲壩進行等。

這些系統不過是上世紀90年代的水平。進入本世紀後自動化水平必然進一步提高,控制物件必然進一步擴充套件。

由上可見,伴隨著電工領域高新技術的發展,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的提高與長足的進步,否則,電磁相容問題可能會成為電工科技發展的障礙。

注1:電磁騷擾(disturbance):「任何可能引起裝置。

裝置或系統效能降低或對有生命或無生命物質產生損害作用的電磁現象」。其表現形式可以是電磁雜訊(一種明顯不傳送資訊的時變電磁現象),無用訊號或傳播媒介自身的變化。

注2:電磁干擾(1nterference):「由電磁騷擾引起的裝置。傳輸通道或系統效能的下降。」需**科學的計算分析方法並認真處理工程問題。

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