1. Prefacio
En el sistema eléctrico, con el aumento de la capacidad de la red eléctrica y el voltaje de transmisión, la protección de relés, el control de la red eléctrica y los equipos de comunicación basados en computadoras y microprocesadores se utilizan ampliamente. Por lo tanto, el problema de compatibilidad electromagnética del sistema eléctrico se ha vuelto muy prominente. Por ejemplo, el equipo de energía integrado de la subestación que integra la protección de relés, la comunicación y las funciones SCADA generalmente se instala cerca del equipo de alto voltaje de la subestación. La condición previa para el funcionamiento normal del equipo es que pueda soportar la interferencia electromagnética extremadamente fuerte generada en la subestación en condiciones de funcionamiento normal o de accidente. Además, debido a que los interruptores de alto voltaje modernos a menudo se integran con equipos de control y protección electrónicos, el equipo combinado con equipos de corriente fuerte y débil no solo necesita probarse con alto voltaje y gran corriente, sino que también debe pasar la prueba de compatibilidad electromagnética. Cuando se opera el seccionador de GIS, puede generar un voltaje transitorio rápido con una frecuencia de hasta varios megahercios. Esta sobretensión transitoria rápida no solo pone en peligro el aislamiento del transformador y otros equipos, sino que también se propaga a través de la red de puesta a tierra, lo que interfiere en el funcionamiento normal de los equipos de control y protección de relés de la subestación. Con la mejora de la automatización de los sistemas eléctricos, la importancia de la tecnología EMC es cada vez más evidente.
Según la definición de la Comisión Electrotécnica Internacional (1EC), la compatibilidad electromagnética (CEM) se refiere a la capacidad del equipo o sistema para funcionar normalmente en su entorno electromagnético sin causar interferencias electromagnéticas insoportables a nada en el entorno. La CEM es una nueva disciplina de aplicación integral interdisciplinaria. Como tecnología de vanguardia, se basa en la teoría básica de la tecnología eléctrica y de radio, e involucra muchos campos técnicos nuevos, como la microelectrónica, la tecnología informática, la tecnología de microondas, la tecnología de comunicaciones y la tecnología de redes, así como nuevas aplicaciones de materiales. El alcance de investigación de la tecnología CEM es muy amplio y cubre casi todos los campos de aplicación de la automatización, como la energía, la comunicación, la radio, el transporte, la industria aeroespacial, el ejército, la informática y la medicina.
Todos los tipos de equipos eléctricos en el mismo sistema de energía están estrechamente conectados e interactúan entre sí a través de una conexión eléctrica o magnética. La oscilación electromagnética causada por el cambio de modo de operación, falla, operación de interruptores, etc. afectará a muchos equipos eléctricos, lo que afectará el rendimiento de trabajo de estos equipos eléctricos o incluso los dañará. Todo esto indica que el problema de compatibilidad electromagnética del sistema de energía se ha convertido en un problema que no se puede ignorar.
2. Algunos conceptos de compatibilidad electromagnética
1) Entorno de compatibilidad electromagnética (EME)
Se refiere a la suma de todos los fenómenos electromagnéticos existentes en un lugar determinado. Un lugar determinado es el espacio, que se refiere a todos los fenómenos electromagnéticos, incluido todo el tiempo y todo el espectro.
2) Compatibilidad electromagnética (EMC)
La compatibilidad electromagnética (EMC) se refiere a que el equipo o sistema puede funcionar normalmente en su entorno electromagnético y no causa interferencias electromagnéticas a nada en el entorno. Como disciplina, la EMC se puede traducir como "compatibilidad electromagnética". La capacidad EMC de un dispositivo o sistema se puede llamar "EMC". De la definición se desprende que la EMC incluye dos aspectos: la emisión electromagnética generada por el equipo o sistema no afectará el funcionamiento de otros equipos o sistemas; la capacidad antiinterferencias del equipo o sistema es suficiente para evitar que el funcionamiento del equipo o sistema se vea afectado por otras interferencias.
3) Interferencia electromagnética (EMI)
La interferencia electromagnética se refiere a cualquier fenómeno electromagnético que pueda reducir el rendimiento de los dispositivos, equipos y sistemas o dañar las sustancias vivas. Está formada por la fuente de interferencia, el canal de acoplamiento y el receptor. Según la forma de propagación de la interferencia, la interferencia electromagnética se divide en interferencia de radiación e interferencia de conducción. La interferencia radiada (IR) se transmite a través del espacio con las características y leyes de las ondas electromagnéticas, pero no todos los dispositivos pueden radiar ondas electromagnéticas; la interferencia conducida (IC) es la interferencia que se propaga a lo largo del conductor, es decir, debe existir una conexión de circuito completo entre la fuente de interferencia y el receptor.
4) Sensibilidad electromagnética (EMS)
Si la sensibilidad es alta, la antiinterferencia es baja. EMS refleja la capacidad antiinterferencia de dispositivos, equipos o sistemas desde diferentes ángulos. Cuanto menor sea el nivel de sensibilidad (el nivel en el que el rendimiento se degrada al principio), mayor será la sensibilidad y menor la antiinterferencia; Cuanto mayor sea el nivel de antiinterferencia, mayor será el nivel de antiinterferencia y menor la sensibilidad. La sensibilidad electromagnética se divide en sensibilidad a la radiación y sensibilidad a la conducción. En la actualidad, los temas de actualidad de la investigación de compatibilidad electromagnética (EMC) incluyen principalmente las características de las fuentes de interferencia electromagnética y sus características de transmisión, los efectos nocivos de la interferencia electromagnética, la tecnología de supresión de la interferencia electromagnética, la utilización y gestión del espectro electromagnético, estándares y especificaciones de compatibilidad electromagnética, tecnología de medición y prueba de compatibilidad electromagnética, fugas electromagnéticas y descargas electrostáticas, etc.
3. Principales modos de EMI y rutas de transmisión
La formación de la compatibilidad electromagnética de los equipos de potencia se debe principalmente al aumento de los equipos de potencia en todos los ámbitos de la vida, el uso extensivo de equipos de comunicación inalámbrica, equipos eléctricos y equipos de alta frecuencia en el entorno circundante, y la creciente interferencia electromagnética entre equipos. De acuerdo con la compatibilidad electromagnética de los equipos de potencia, los expertos de la industria saben que los equipos interfieren entre sí, es decir, algunos equipos no solo son vulnerables a diversas interferencias, sino que también interfieren con otros equipos. De hecho, muchos dispositivos tienen compatibilidad electromagnética, pero la interferencia entre ellos no se ha detectado claramente, pero estas amenazas potenciales han afectado al funcionamiento seguro de los equipos de potencia. Por supuesto, la compatibilidad electromagnética de los equipos también incluye los posibles peligros de seguridad causados por las fugas electromagnéticas. La fuga electromagnética se refiere a la fuga de información útil. Aunque son señales electromagnéticas débiles, para algunos atacantes malintencionados, una vez que están interesados en alguna información, pueden utilizar fácilmente medios modernos para interceptar, amplificar, descifrar o decodificar información.
Las interferencias electromagnéticas incluyen principalmente lo siguiente:
1) Interferencia armónica
La influencia y el daño de los armónicos en los equipos primarios se muestran principalmente en los siguientes aspectos: aumentan las pérdidas de los equipos, aumentan el aumento de temperatura y reducen la potencia y la vida útil de los equipos; aumentan la pérdida dieléctrica y la descarga local en el aislamiento para acelerar el envejecimiento del aislamiento; aumentan la vibración y el ruido del motor.
La principal influencia de los armónicos en los equipos secundarios es interferir en su estado de funcionamiento normal, como la precisión de la medición, la confiabilidad de la acción, etc.
En caso de avería, la protección de distancia tiene un mayor impacto en la interferencia de armónicos a los dispositivos de protección de relé. El relé de impedancia se ajusta de acuerdo con la impedancia de onda fundamental del sistema. La aparición de armónicos, especialmente el tercer armónico, provocará grandes errores de medición y puede provocar el rechazo o el mal funcionamiento en casos graves.
2) Funcionamiento del interruptor en el circuito primario
Se debe principalmente al funcionamiento de disyuntores, seccionadores, etc. en la red eléctrica, lo que provoca sobretensiones en bancos de condensadores, transformadores en vacío, reactancias, motores, etc., e interferencias electromagnéticas del pantógrafo.
3) Perturbación por rayos
Cuando un rayo cae sobre una subestación de la red eléctrica, la corriente de gran magnitud se drenará hacia la red de puesta a tierra a través del punto de puesta a tierra, lo que aumentará considerablemente el potencial del punto de puesta a tierra. Si el punto de puesta a tierra del circuito secundario está cerca del punto de impacto del rayo de gran corriente, el potencial del punto de puesta a tierra del circuito secundario aumentará en consecuencia, lo que formará una interferencia de modo común en el mismo circuito secundario, lo que provocará una sobretensión, que provocará la rotura del aislamiento del equipo secundario en casos graves.
4) Interferencia del propio circuito secundario
La interferencia del propio circuito secundario se genera principalmente por inducción electromagnética. Muchos de los dispositivos de circuitos integrados digitales de los equipos de potencia integrados en subestaciones o plantas de energía se realizan mediante sistemas de microcomputadoras de un solo chip. Debido a que los dispositivos en la placa de circuito impreso (PCB) del sistema se alimentan mediante una fuente de alimentación de CC y hay muchas bobinas de inductancia grandes en el circuito de CC, al conmutar, aparecerá una sobretensión en ambos extremos de la bobina, lo que inducirá una tensión inducida y una corriente inducida que no son propicias para el funcionamiento normal del equipo secundario, lo que provoca interferencias en los dispositivos de la PCB, lo que interfiere con el funcionamiento normal del sistema de microcontrolador.
La interferencia electromagnética puede transmitirse desde la fuente de interferencia a los equipos sensibles de dos formas, a saber, conducción y radiación. La conducción se divide en acoplamiento conductivo, acoplamiento directo, acoplamiento capacitivo, acoplamiento de campo eléctrico y acoplamiento inductivo. La radiación es principalmente acoplamiento electromagnético. La interferencia generada por el campo magnético es causada por la inductancia mutua entre conductores. Cuando la corriente en el circuito secundario cambia repentinamente, el flujo magnético del enlace cruzado al circuito secundario también cambia, y luego se induce el voltaje de interferencia. Cuanto mayor sea la amplitud y la frecuencia de la corriente transitoria en el circuito primario, más fuerte será la conexión magnética entre el circuito primario y el circuito secundario, y mayor será la interferencia causada por el acoplamiento inductivo. La interferencia del sistema eléctrico se transmite principalmente a los equipos de bajo voltaje a través de TA, CVT y cables de transmisión, seguido del acoplamiento por radiación de alta frecuencia. Las principales formas de acoplamiento son el acoplamiento conductivo y el inductivo.
4. Medidas para suprimir las interferencias electromagnéticas
En cualquier sistema, la formación de EMC debe cumplir tres condiciones básicas (llamadas tres elementos de interferencia electromagnética): la existencia de fuentes de interferencia, la existencia de unidades receptoras sensibles a las fuentes de interferencia y la existencia de canales para acoplar la energía de las fuentes de interferencia a las unidades receptoras.
Según el tipo y las características de la interferencia electromagnética, generalmente se adoptan métodos de blindaje, filtrado y puesta a tierra para suprimir la interferencia electromagnética.
4.1 Supresión del canal de transmisión de interferencias
4.1.1 El blindaje se puede dividir en blindaje de campo eléctrico, blindaje de campo magnético y blindaje electromagnético. Generalmente, el blindaje electromagnético se adopta para evitar la interferencia generada por campos electromagnéticos alternos. El blindaje tiene dos propósitos: a. limitar la fuga de energía electromagnética irradiada en el equipo hacia el exterior; b. evitar que la interferencia de radiación externa ingrese al equipo e interfiera con el funcionamiento normal del mismo.
a. Método de protección del campo eléctrico
La medida más sencilla es conectar a tierra la fuente inductiva y el inductor con una partición metálica para suprimir el acoplamiento capacitivo parásito y lograr el apantallamiento del campo eléctrico. En caso de interferencias de campo eléctrico fuertes, es mejor utilizar una cubierta metálica de alta conductividad para la conexión a tierra.
b. Método de protección del campo magnético
El campo magnético se divide en campo magnético de baja frecuencia y campo magnético de alta frecuencia, y se deben tomar diferentes medidas para diferentes campos magnéticos. Para el campo magnético de baja frecuencia, se pueden utilizar materiales de alta conductividad magnética como escudos para lograr el blindaje del campo magnético, pero los componentes blindados no deben tener huecos en la dirección paralela al campo magnético para evitar fugas magnéticas. Para el campo magnético de alta frecuencia, debido a la existencia de un componente de campo eléctrico y un componente de campo magnético, se requiere que el blindaje del campo eléctrico y el blindaje del campo magnético se realicen simultáneamente. Sin embargo, la protección del campo magnético de alta frecuencia de los materiales ferromagnéticos está limitada a menos de 100 kHz. Para campos magnéticos de frecuencia más alta, se deben tomar medidas especiales. Para evitar fugas magnéticas de huecos y agujeros, los huecos deben reducirse o la profundidad del hueco debe aumentarse tanto como sea posible. Los agujeros deben cubrirse con tapas metálicas. Si hay ejes metálicos que sobresalen, deben estar conectados a tierra de manera confiable o deben instalarse atenuadores de guía de ondas.
Cuando el campo magnético que se va a proteger es muy fuerte, el material de protección se saturará. Una vez que se produce la saturación, se perderá la eficacia de protección. En este caso, se puede utilizar un blindaje de doble capa, y la primera capa está hecha de material de baja permeabilidad, que no es fácil de saturar; La segunda capa está hecha de material de alta permeabilidad, pero es fácil de saturar. La primera capa de protección atenúa primero el campo magnético a una intensidad adecuada, de modo que la segunda capa de protección no se sature y el material de alta permeabilidad pueda dar rienda suelta al efecto de protección.
4.1.2 Filtrado
La tecnología de filtrado es una medida eficaz para filtrar las interferencias eléctricas. Las interferencias causadas por la contaminación eléctrica son las más comunes. Con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica, la aplicación de fuentes de alimentación conmutadas es cada vez más popular. Por lo tanto, desde la perspectiva de eliminar la interferencia electromagnética generada por las fuentes de alimentación conmutadas, también se debe considerar el filtro EMI. El diseño del filtro EMI es diferente al del filtro tradicional. Además de atenuar la interferencia electromagnética de alta frecuencia tanto como sea posible, también se requiere que la fuente de alimentación, la impedancia de carga y la impedancia del elemento correspondiente del filtro estén lo más cerca posible de la frecuencia de corte, y seguir dos principios básicos: a. La inductancia en serie del filtro debe estar conectada a una fuente de alimentación de baja impedancia o una carga de baja impedancia; B. El condensador en paralelo del filtro debe estar conectado a la fuente de alimentación de alta impedancia o carga de alta impedancia. De esta manera, se puede mejorar el efecto de aplicación práctica del filtro EMI.
El método de instalación correcto del filtro también es importante. Por ejemplo, cuando el filtro se instala en la placa de circuito, la interferencia electromagnética ingresa directamente al filtro, lo que reducirá el efecto de filtrado, por lo que el filtro debe estar protegido.
4.1.3 Puesta a tierra
La conexión a tierra es uno de los requisitos técnicos básicos para el funcionamiento de circuitos, equipos y sistemas, y también uno de los métodos más básicos para evitar interferencias. Dado que la conexión a tierra puede hacer que la corriente de interferencia en el circuito regrese a tierra, una conexión a tierra correcta puede suprimir eficazmente la influencia de la señal de interferencia en otros equipos.
Los tres métodos básicos de puesta a tierra, filtrado y blindaje pueden mejorar la compatibilidad electromagnética de los equipos electromagnéticos, que pueden implementarse por separado o de forma complementaria. Por ejemplo, la puesta a tierra fiable de los equipos puede evitar la interferencia electrostática y reducir los requisitos de blindaje de los equipos; un buen blindaje electromagnético puede evitar eficazmente la interferencia de la radiación electromagnética y los requisitos de los circuitos de filtrado pueden relajarse adecuadamente. Teniendo en cuenta el efecto global, una buena puesta a tierra puede reducir la energía de la frecuencia de interferencia; el blindaje puede aislar la ruta de acoplamiento de la radiación electromagnética y reducir la energía de la radiación; el filtrado puede atenuar la energía de interferencia transmitida a través de la fuente de alimentación.
4.2 Separación temporal
La regla de tiempo compartido es encender el dispositivo que interfiere y el dispositivo interferido en diferentes períodos de tiempo para evitar el uso simultáneo de dispositivos que interfieren en el mismo período de tiempo.
4.3 Medidas de gestión de frecuencia
La gestión de frecuencia incluye el control de frecuencia, la modulación de frecuencia, la transmisión digital y la conversión fotoeléctrica. El control de frecuencia significa que no se deben utilizar juntos equipos con la misma frecuencia y se debe prestar atención a la interferencia de doble frecuencia entre ellos. La tecnología de modulación de frecuencia consiste en utilizar la frecuencia para modular el equipo dos veces para evitar la frecuencia de interferencia. La transmisión digital se refiere a la conversión de señales analógicas en señales digitales para su transmisión, de modo que se puedan evitar diversas interferencias en la mayor medida posible. Las empresas pueden probar la tecnología de conversión fotoeléctrica y transmisión fotoeléctrica si pueden, porque las señales fotoeléctricas tienen una relación señal-ruido muy alta y una capacidad antiinterferencias.
4.4 Separación espacial
Selección de la ubicación y la ubicación, aislamiento de los edificios naturales, control del ángulo de instalación del equipo, control de la dirección vectorial del campo eléctrico y del campo magnético. Es decir, se adoptará la tecnología de evitación y desbloqueo, se utilizará razonablemente el aislamiento natural formado por los edificios, se seleccionará la ubicación y la dirección de instalación adecuadas y se controlará al máximo la interferencia causada por equipos con mala compatibilidad electromagnética. Por ejemplo, al instalar el monitor, la dirección del soporte de transmisión y recepción debe seleccionarse razonablemente y debe estar lo más lejos posible del ascensor, el televisor y la computadora.
5. Contenidos principales de la investigación sobre EMC
Los principales contenidos de la compatibilidad electromagnética del sistema eléctrico incluyen:
5.1 Evaluación del entorno electromagnético
El nivel de interferencia electromagnética (amplitud, frecuencia, forma de onda, etc.) al que puede estar sometido el equipo durante su funcionamiento se debe estimar mediante medición o simulación digital. Por ejemplo, el vehículo de prueba de compatibilidad electromagnética móvil se utiliza para medir diversas interferencias generadas por líneas de transmisión de alta tensión o subestaciones, o el campo electromagnético transitorio que se puede generar se simula digitalmente mediante un programa de cálculo de transitorios electromagnéticos. La evaluación del entorno electromagnético es una parte importante de la tecnología EMC y la base del diseño antiinterferencias.
5.2 Ruta de acoplamiento EMI
Descubra el camino a través del cual la interferencia electromagnética generada por la fuente de interferencia llega al objeto interferido. La interferencia se puede dividir en interferencia conducida e interferencia radiada. La interferencia conducida se refiere a la interferencia causada por la interferencia electromagnética que se propaga a través de líneas eléctricas, cables de tierra y líneas de señal hasta el objeto. Por ejemplo, la interferencia generada por la fuente de impulsos de un rayo transmitida a través de una línea eléctrica. La interferencia de radiación se refiere a la interferencia transmitida a equipos sensibles a través del espacio de la fuente electromagnética. Por ejemplo, la interferencia de radio o la interferencia de televisión generada por la corona de la línea de transmisión pertenece al tipo de interferencia de radiación. Estudiar la forma de acoplamiento de la interferencia es de gran importancia para formular medidas antiinterferencias y eliminar o suprimir la interferencia.
5.3 Evaluación de la inmunidad electromagnética
Estudie la capacidad de varios equipos y medidores sensibles en el sistema de energía, como protección de relé, dispositivo automático, sistema informático, instrumento de medición de energía eléctrica, para soportar interferencias electromagnéticas. Generalmente, la prueba se utiliza para simular la posible interferencia en el funcionamiento y probar si el equipo probado causará un mal funcionamiento o daño permanente cuando el equipo esté lo más cerca posible de las condiciones de trabajo. La inmunidad del equipo depende de su principio de funcionamiento, diseño del circuito electrónico, nivel de señal de trabajo y medidas antiinterferencias adoptadas. Con la amplia aplicación de varios sistemas de automatización y sistemas de comunicación en los sistemas de energía, y con la tendencia de integrar equipos de corriente fuerte y equipos de corriente fuerte, cómo evaluar la capacidad de estos equipos para soportar interferencias, estudiar métodos de prueba prácticos y efectivos y formular estándares de evaluación se convertirá en un tema importante de la tecnología de compatibilidad electromagnética en sistemas de energía.
6. Observaciones finales
Con la amplia aplicación de equipos de automatización de sistemas de energía y el progreso de la tecnología, el problema de la compatibilidad electromagnética se está volviendo cada vez más prominente. Es urgente promover la tecnología de compatibilidad electromagnética existente y madura, establecer un sistema de prueba y ensayo perfecto y estándares de inspección, y estudiar nuevos problemas y nuevas direcciones de compatibilidad electromagnética en la tecnología de aplicación de sistemas de energía. En el diseño y la aplicación de la ingeniería de automatización, se puede eliminar la interferencia electromagnética y se puede mejorar la estabilidad y confiabilidad de los equipos si se considera completamente la compatibilidad electromagnética de los equipos y se adoptan varias medidas técnicas y métodos de gestión.
