EMC环境友好的西门子低压配电系统

　　1.1 概述

　　自动化系统或监控系统通常为低压配电系统中的子系统，负责这类子系统的工程技术人员非常关心emc（电磁兼容性）或emi（电磁干扰），因为不友好的emc环境常使他们的系统或系统中电子设备出现故障，甚至损坏，如：自动化系统停机;

　　传动系统烧设备;

　　数据网络故障;

　　电脑和服务器损坏;

　　打印机失灵;

　　局域网络数据传输率降低甚至停顿;

　　报警系统误报警;

　　金属管路和接地线严重腐蚀。

　　在安装和调试自动化系统或监控系统时，通常从三方面着手：即找出干扰源，即干扰来自系统本身或外部其他原因；采取措施，隔离或切断传播干扰的途径（也称耦合机理）；提高系统和设备自身抗电磁干扰的能力。见图1。

　　在寻找干扰源时，常用示波器观测干扰信号的波形。当发现信号线或控制线的直流电平上叠加谐波，50hz或150hz的交流干扰电平时，这些干扰信号多半来自于配电系统本身。如不从配电系统本身考虑，采用如图1中的推荐的（如接地，屏蔽，滤波等）措施很难消除这些干扰信号。在分析配电系统如何消除这类电磁干扰信号前，有必要先对电磁干扰的传播途径或耦合机理作简要的说明。

　　（1） 电位耦合

　　两个或两个以上线路通过一个公共阻抗连接在一起时，就会产生电位耦合机理。该公共阻抗可以是电源内阻，电源接头，零电位导线，保护地线（pe线），或与接地系统相关的设施。分析图2中的电位耦合原理图，强电线路a与信号线路b有一个公共阻抗zk，两个线路的电流ia和ib在公共阻抗zk上产生电压降uxab。该电压降是线路a和线路b的干扰源。一个线路（或多个）多点接地后会形成环路，电压降是形成环电流的根源。

　　（2）电容耦合

　　具不同电位的两根导线间可能会产生电容耦合。分析图2中电容耦合原理图，两根导线间电位差就是电场，导线间存在的分布电容就是阻抗，所以线路1与线路2会流通电流，并在线路2中产生干扰电压u2。耦合电容值取决于导线敷设的条件。实际施工时，应避免两线平行敷设，信号线贴近地走。静电放电等属电容耦合机理。

　　（3）感应耦合

　　两个或两个以上的线路在周围产生的磁通相互交联时，就会产生感应耦合。分析图2中电感耦合原理图，一个磁路的磁通变化会在另一线路的导线环路中（相当于一线圈绕组）感应干扰电压。这也说明为什么一个很简单的线路也会受到干扰。该瞬态磁场可能是由如雷电，操作过电压或静电放电等现象引起；另外一个线路中的电流变化也会在另一个线路中感应电压。该感应电压主要取决于电流的变化率和互感系数mk。而mk取决于磁场强度以及磁场的导磁率。

　　（4）电磁线耦合

　　两根或两根个以上的长线之间同时存在电和磁干扰时，则会发生电磁线干扰现象。所谓长线是指干扰脉冲的上升沿时间远小于该脉冲通过该线的时间。

　　这些长线中的电流和电压相互有关联的，并非毫不相干。可用微分分析方法计算产生的干扰电磁场。

　　（5）辐射耦合

　　一个线路的电磁场可产生的电磁波，以光速传播作用于另一个线路的现象称辐射耦合。当离干扰源距离很近时，我们主要处理的是来自电位耦合，感应耦合或电容耦合的干扰;当离干扰源距离很远时，我们主要处理的来自辐射耦合的干扰。

2 低压配电线路对周围电子设备的干扰

　　低压配电线路本身是一个大电场，电源设备的容量越大，电能越足，可向固定负载，移动负载和电动机等用电设备提供的电流也越大。低压电场（电压）通过电容耦合（分布电容）会在临近的其他线路中产生干扰的电压和电流；配电线路中电流在它的周围产生磁场，交变磁场可在环型线路中感应电势；配电线路中的电流也会产生电磁波，产生辐射干扰，以光速传播干扰距离较远的线路。配电线路在周围产生的磁场其磁通密度达1μtesla时，可使14/15英寸的lcd屏幕图像闪烁；而0.5μtesla的磁通密度足以使17/21英寸lcd屏幕（或crt监视器屏幕）的图像闪烁。德国曾把配电线路作为干扰源，lcd显示屏幕作为电磁干扰的受害者，研究两者之间的相互关系，即配电线路的工况与敷线方式对显示屏幕的干扰距离之间的关系。图3是通过试验得出的结果。其中纵坐标为线路在空间产生的磁通密度，横坐标为线路对屏幕的干扰距离。分析该试验例子可说明：

　　（1） 三相电流不平衡时，干扰距离增大，干扰距离与三相电流的不平衡度有关。

　　（2） 三相电流平衡工况下，电流越大，干扰距离越远。

　　（3） 三相电流平衡工况下，三相导线按e方式布线，干扰距离最短。

　　该试验是基于低压三相三线制的供电方式，有其一定的局限性。

3 低压配电系统中性线的负荷工况

　　中性线配出的三相电源称三相四线制系统，满足了额定电压为220v大量的单相负荷的电能需求。对三相四线制系统来说，如三相负荷平衡又无谐波电流的活，则流过中性线的电流的向量和为零。目前，在公共建筑物，高层住宅和办公大楼中均配有大量的计算机，电子信息设备；电子娱乐设备，变频空调，调光器，以及电子节能灯等器件已深入到每家每户。这类设备通过整流器，从正弦电压波形的电网中吸取非正弦波形的电流，非正弦电流在线路上的电压降又造成正弦电压波形的失真。非正弦波电流含有大量的高次谐波分量，其中主要的是3次谐波分量。由于三相电源中接入大量的单相负载，事实上很难做到三相负荷电流平衡。三相负荷不平衡指的是接入三相电源的各相的功率不平衡，各相负载的功率因素不平衡以及各相负载产生的谐波电流不平衡。此时，中性线流过的电流为三相不平衡负荷（基波50hz）电流的向量和，三次谐波（三倍频次）电流的算术和，以及其他高次谐波电流的向量和，详见图4。正是由于上述原因，n线上会出现过电流（或过载）现象。因此设计低压配电系统时，很多场合不再减少n线截面，把n线的截面等同于相线截面。也正是由于n线上的不平衡电流和谐波电流，造成系统严重的电磁干扰（emi）现象。

4 接地系统与emi

　　低压配电系统中的带电（流通电流的）导线是指电源相线（l1，l2，l3），n线（中性线）；pe线（保护地线）仅在电气系统（或其中的设备）故障时，才流通故障电流，实质上也是带电导线。低压配电系统有三种接地制式，详见图5。配电系统不同的接地制式可用两个字母表示并加以区分：

　　第一个字母表示电源设备接地的条件， 其中：

　　t= 电力变压器低压绕组中性点直接接地；

　　i= 电力变压器低压绕组中性点对地绝缘或通过阻抗接地。

　　第二个字母表示电气设备（装置）外露导体的接地的条件，其中：

　　t= 电气设备（装置）外露导电体接地，该接地点远离于变压器低压绕组中性点的接地点。

　　n= 电气设备（装置）外露导电体部分与变压器低压绕组中性点（系统地）连接。

　　对tn系统， 还用第三个字母来说明n线与pe线的关系；其中：

　　tn-c:n线与pe线合并为一根线，即pen线（4根线）。

　　tn-s:n与pe两根导线，与三根相线一起配出（5根线）

　　tn-c-s：近电源侧为tnc （4根线），配出后把pen线分成2根线后成为tn-s。

　　低压配电系统的接地制式（系统）决定了系统本身的线路保护技术和措施，也决定了系统本身的电磁兼容性。依据实际经验，低压tn-s系统具有最好的性价比，因为正常工况下，pe线上无剩余电流，大地中无杂散电流。当发生三相（或单相）短路故障时，短路电流通过线缆（而不是大地）返回电源，优化了电磁兼容性，由于故障电流大，可用简单的线路保护电器（如熔断器或断路器）切断故障。

5 单电源系统tn接地制式与emc

　　20-30年前，挂接在tnc配电系统上的电子设备很少，谐波问题不严重，emc的问题不太突出。三相负载平衡的情况下，n线上基本上无电流。然而，目前的低压配电系统的负载性质与以往有很大的不同。大功率的单相负载多了，带整流电源的电子设备多了，很多负载具有很高的3次谐波分量和高次谐波分量。因此三相负荷很难平衡，如前面已分析的那样：n线上除了不平衡负载电流外，还有叠加的3次（以及三倍频）谐波电流和其他高次谐波电流分量，n线上的电流很大，并在n线上产生电压降。图6.a为tn-c接地制式，其特征是pe线与n线合二为一成pen线。为了防止人身接触电击事故的发生，接在配电系统中的电气设备的外壳都是接地的。而电子设备除金属外壳接地外，电子设备之间用带屏蔽的通信线连接，其屏蔽层也是接地的，因而出现了多点接地的现象。