1.1 概述

　　自動化系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)通常為低壓配電系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)這類子系統(tǒng)的工程技術(shù)人員非常關(guān)心emc（電磁兼容性）或emi（電磁干擾），因為不友好的emc環(huán)境常使他們的系統(tǒng)或系統(tǒng)中電子設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至損壞，如：自動化系統(tǒng)停機(jī);

　　傳動系統(tǒng)燒設(shè)備;

　　數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障;

　　電腦和服務(wù)器損壞;

　　打印機(jī)失靈;

　　局域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率降低甚至停頓;

　　報警系統(tǒng)誤報警;

　　金屬管路和接地線嚴(yán)重腐蝕。

　　在安裝和調(diào)試自動化系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)時，通常從三方面著手：即找出干擾源，即干擾來自系統(tǒng)本身或外部其他原因；采取措施，隔離或切斷傳播干擾的途徑（也稱耦合機(jī)理）；提高系統(tǒng)和設(shè)備自身抗電磁干擾的能力。見圖1。

　　在尋找干擾源時，常用示波器觀測干擾信號的波形。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號線或控制線的直流電平上疊加諧波，50hz或150hz的交流干擾電平時，這些干擾信號多半來自于配電系統(tǒng)本身。如不從配電系統(tǒng)本身考慮，采用如圖1中的推薦的（如接地，屏蔽，濾波等）措施很難消除這些干擾信號。在分析配電系統(tǒng)如何消除這類電磁干擾信號前，有必要先對電磁干擾的傳播途徑或耦合機(jī)理作簡要的說明。

　?。?） 電位耦合

　　兩個或兩個以上線路通過一個公共阻抗連接在一起時，就會產(chǎn)生電位耦合機(jī)理。該公共阻抗可以是電源內(nèi)阻，電源接頭，零電位導(dǎo)線，保護(hù)地線（pe線），或與接地系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)施。分析圖2中的電位耦合原理圖，強(qiáng)電線路a與信號線路b有一個公共阻抗zk，兩個線路的電流ia和ib在公共阻抗zk上產(chǎn)生電壓降uxab。該電壓降是線路a和線路b的干擾源。一個線路（或多個）多點接地后會形成環(huán)路，電壓降是形成環(huán)電流的根源。

　?。?）電容耦合

　　具不同電位的兩根導(dǎo)線間可能會產(chǎn)生電容耦合。分析圖2中電容耦合原理圖，兩根導(dǎo)線間電位差就是電場，導(dǎo)線間存在的分布電容就是阻抗，所以線路1與線路2會流通電流，并在線路2中產(chǎn)生干擾電壓u2。耦合電容值取決于導(dǎo)線敷設(shè)的條件。實際施工時，應(yīng)避免兩線平行敷設(shè)，信號線貼近地走。靜電放電等屬電容耦合機(jī)理。

　?。?）感應(yīng)耦合

　　兩個或兩個以上的線路在周圍產(chǎn)生的磁通相互交聯(lián)時，就會產(chǎn)生感應(yīng)耦合。分析圖2中電感耦合原理圖，一個磁路的磁通變化會在另一線路的導(dǎo)線環(huán)路中（相當(dāng)于一線圈繞組）感應(yīng)干擾電壓。這也說明為什么一個很簡單的線路也會受到干擾。該瞬態(tài)磁場可能是由如雷電，操作過電壓或靜電放電等現(xiàn)象引起；另外一個線路中的電流變化也會在另一個線路中感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓主要取決于電流的變化率和互感系數(shù)mk。而mk取決于磁場強(qiáng)度以及磁場的導(dǎo)磁率。

　?。?）電磁線耦合

　　兩根或兩根個以上的長線之間同時存在電和磁干擾時，則會發(fā)生電磁線干擾現(xiàn)象。所謂長線是指干擾脈沖的上升沿時間遠(yuǎn)小于該脈沖通過該線的時間。

　　這些長線中的電流和電壓相互有關(guān)聯(lián)的，并非毫不相干?？捎梦⒎址治龇椒ㄓ嬎惝a(chǎn)生的干擾電磁場。

　?。?）輻射耦合

　　一個線路的電磁場可產(chǎn)生的電磁波，以光速傳播作用于另一個線路的現(xiàn)象稱輻射耦合。當(dāng)離干擾源距離很近時，我們主要處理的是來自電位耦合，感應(yīng)耦合或電容耦合的干擾;當(dāng)離干擾源距離很遠(yuǎn)時，我們主要處理的來自輻射耦合的干擾。

2 低壓配電線路對周圍電子設(shè)備的干擾

　　低壓配電線路本身是一個大電場，電源設(shè)備的容量越大，電能越足，可向固定負(fù)載，移動負(fù)載和電動機(jī)等用電設(shè)備提供的電流也越大。低壓電場（電壓）通過電容耦合（分布電容）會在臨近的其他線路中產(chǎn)生干擾的電壓和電流；配電線路中電流在它的周圍產(chǎn)生磁場，交變磁場可在環(huán)型線路中感應(yīng)電勢；配電線路中的電流也會產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生輻射干擾，以光速傳播干擾距離較遠(yuǎn)的線路。配電線路在周圍產(chǎn)生的磁場其磁通密度達(dá)1μtesla時，可使14/15英寸的lcd屏幕圖像閃爍；而0.5μtesla的磁通密度足以使17/21英寸lcd屏幕（或crt監(jiān)視器屏幕）的圖像閃爍。德國曾把配電線路作為干擾源，lcd顯示屏幕作為電磁干擾的受害者，研究兩者之間的相互關(guān)系，即配電線路的工況與敷線方式對顯示屏幕的干擾距離之間的關(guān)系。圖3是通過試驗得出的結(jié)果。其中縱坐標(biāo)為線路在空間產(chǎn)生的磁通密度，橫坐標(biāo)為線路對屏幕的干擾距離。分析該試驗例子可說明：

　?。?） 三相電流不平衡時，干擾距離增大，干擾距離與三相電流的不平衡度有關(guān)。

　?。?） 三相電流平衡工況下，電流越大，干擾距離越遠(yuǎn)。

　?。?） 三相電流平衡工況下，三相導(dǎo)線按e方式布線，干擾距離最短。

　　該試驗是基于低壓三相三線制的供電方式，有其一定的局限性。

3 低壓配電系統(tǒng)中性線的負(fù)荷工況

　　中性線配出的三相電源稱三相四線制系統(tǒng)，滿足了額定電壓為220v大量的單相負(fù)荷的電能需求。對三相四線制系統(tǒng)來說，如三相負(fù)荷平衡又無諧波電流的活，則流過中性線的電流的向量和為零。目前，在公共建筑物，高層住宅和辦公大樓中均配有大量的計算機(jī)，電子信息設(shè)備；電子娛樂設(shè)備，變頻空調(diào)，調(diào)光器，以及電子節(jié)能燈等器件已深入到每家每戶。這類設(shè)備通過整流器，從正弦電壓波形的電網(wǎng)中吸取非正弦波形的電流，非正弦電流在線路上的電壓降又造成正弦電壓波形的失真。非正弦波電流含有大量的高次諧波分量，其中主要的是3次諧波分量。由于三相電源中接入大量的單相負(fù)載，事實上很難做到三相負(fù)荷電流平衡。三相負(fù)荷不平衡指的是接入三相電源的各相的功率不平衡，各相負(fù)載的功率因素不平衡以及各相負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流不平衡。此時，中性線流過的電流為三相不平衡負(fù)荷（基波50hz）電流的向量和，三次諧波（三倍頻次）電流的算術(shù)和，以及其他高次諧波電流的向量和，詳見圖4。正是由于上述原因，n線上會出現(xiàn)過電流（或過載）現(xiàn)象。因此設(shè)計低壓配電系統(tǒng)時，很多場合不再減少n線截面，把n線的截面等同于相線截面。也正是由于n線上的不平衡電流和諧波電流，造成系統(tǒng)嚴(yán)重的電磁干擾（emi）現(xiàn)象。

4 接地系統(tǒng)與emi

　　低壓配電系統(tǒng)中的帶電（流通電流的）導(dǎo)線是指電源相線（l1，l2，l3），n線（中性線）；pe線（保護(hù)地線）僅在電氣系統(tǒng)（或其中的設(shè)備）故障時，才流通故障電流，實質(zhì)上也是帶電導(dǎo)線。低壓配電系統(tǒng)有三種接地制式，詳見圖5。配電系統(tǒng)不同的接地制式可用兩個字母表示并加以區(qū)分：

　　第一個字母表示電源設(shè)備接地的條件， 其中：

　　t= 電力變壓器低壓繞組中性點直接接地；

　　i= 電力變壓器低壓繞組中性點對地絕緣或通過阻抗接地。

　　第二個字母表示電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)體的接地的條件，其中：

　　t= 電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)電體接地，該接地點遠(yuǎn)離于變壓器低壓繞組中性點的接地點。

　　n= 電氣設(shè)備（裝置）外露導(dǎo)電體部分與變壓器低壓繞組中性點（系統(tǒng)地）連接。

　　對tn系統(tǒng)， 還用第三個字母來說明n線與pe線的關(guān)系；其中：

　　tn-c:n線與pe線合并為一根線，即pen線（4根線）。

　　tn-s:n與pe兩根導(dǎo)線，與三根相線一起配出（5根線）

　　tn-c-s：近電源側(cè)為tnc （4根線），配出后把pen線分成2根線后成為tn-s。

　　低壓配電系統(tǒng)的接地制式（系統(tǒng)）決定了系統(tǒng)本身的線路保護(hù)技術(shù)和措施，也決定了系統(tǒng)本身的電磁兼容性。依據(jù)實際經(jīng)驗，低壓tn-s系統(tǒng)具有最好的性價比，因為正常工況下，pe線上無剩余電流，大地中無雜散電流。當(dāng)發(fā)生三相（或單相）短路故障時，短路電流通過線纜（而不是大地）返回電源，優(yōu)化了電磁兼容性，由于故障電流大，可用簡單的線路保護(hù)電器（如熔斷器或斷路器）切斷故障。

5 單電源系統(tǒng)tn接地制式與emc

　　20-30年前，掛接在tnc配電系統(tǒng)上的電子設(shè)備很少，諧波問題不嚴(yán)重，emc的問題不太突出。三相負(fù)載平衡的情況下，n線上基本上無電流。然而，目前的低壓配電系統(tǒng)的負(fù)載性質(zhì)與以往有很大的不同。大功率的單相負(fù)載多了，帶整流電源的電子設(shè)備多了，很多負(fù)載具有很高的3次諧波分量和高次諧波分量。因此三相負(fù)荷很難平衡，如前面已分析的那樣：n線上除了不平衡負(fù)載電流外，還有疊加的3次（以及三倍頻）諧波電流和其他高次諧波電流分量，n線上的電流很大，并在n線上產(chǎn)生電壓降。圖6.a為tn-c接地制式，其特征是pe線與n線合二為一成pen線。為了防止人身接觸電擊事故的發(fā)生，接在配電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備的外殼都是接地的。而電子設(shè)備除金屬外殼接地外，電子設(shè)備之間用帶屏蔽的通信線連接，其屏蔽層也是接地的，因而出現(xiàn)了多點接地的現(xiàn)象。

　　正常工況下，電源提供設(shè)備的負(fù)荷電流il由pen線返回電源，通過pen線返回電源的電流包含50hz的三相基波不平衡電流，三相疊加的150hz電流，以及其他的高次諧波電流，并在pen線上產(chǎn)生電壓降。該電壓降作為干擾源（電場），以pen線為公共阻抗，形成電位耦合的干擾方式，導(dǎo)致在通信線屏蔽層上產(chǎn)生寄生電流ist。該寄生電流又可通過電耦合或磁的耦合途徑在一些敏感的設(shè)備上感應(yīng)干擾電壓和電流。

　　該干擾源也會通過設(shè)備的接地點在建筑物中產(chǎn)生雜散電流，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，在建筑物的金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生火花，腐蝕金屬管路。因此該系統(tǒng)emi或emc性能差的根源是由n線上的一部分電流流向大地（和屏蔽層）造成的。

　　圖6b tn-s系統(tǒng)

　　圖6b是tns系統(tǒng)，n線與pe線是分開的。正常工況下，盡管n線有三相不平衡電流，也有諧波電流，但pe線上沒有電流，不存在驅(qū)動雜散電流或寄生電流的電場， pe線和大地是干凈的，消除了由金屬結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的電磁干擾和輻射干擾，因而emc性能友好。此時配電線路的干擾源僅是配電線路本身，與大地?zé)o關(guān)。只有故障時，pe線才出現(xiàn)故障電流，并導(dǎo)致emc性能短時劣化。但線路保護(hù)電器會在規(guī)定的時間內(nèi)切斷故障，因而，不友好的emc環(huán)境是短暫的。

6 多電源系統(tǒng)的tn-s接地制式

　　多電源系統(tǒng)由正常供電電源和備用（安全）供電電源組成。通常，正常供電電源由兩臺或兩臺以上電源變壓器并聯(lián)或母線分段的方式組成（簡稱gps）；安全電源一般采用發(fā)電機(jī)組（簡稱sps），gps通過atse（雙電源自動切換裝置）與sps聯(lián)絡(luò)；對于數(shù)據(jù)中心或計算中心，通信等系統(tǒng)和設(shè)備，有的還需ups作為不停電電源，以避免電源故障造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。前面分析的是單臺電源變壓器的tns系統(tǒng)，具有友好的emc性能，因為在正常工況下消除了大地中的雜散電流。設(shè)計多臺電源設(shè)備的配電系統(tǒng)時，只有從系統(tǒng)上消除或避免n線上的負(fù)荷電流向大地（pe線）分流的問題，才能實現(xiàn)具有emc友好的環(huán)境。

　　圖7是國內(nèi)常采用的布置方式，兩臺變壓器分別就近接地，即一組電源兩點（或多點）接地。兩臺變壓器通過母聯(lián)開關(guān)聯(lián)絡(luò)，采用tns系統(tǒng)。如變壓器主保護(hù)開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的均選擇3極斷路器的話，整個配電系統(tǒng)就會出現(xiàn)不友好的emc環(huán)境。

　?。?）正常工況下n線有三相不平衡電流和諧波電流，返回變壓器t1的負(fù)荷電流除了n線的正常路徑外，還有一條通過n線母排，t2變壓器中性點入pe母排的路徑，由此在pe線上產(chǎn)生干擾電場，引發(fā)很大的雜散電流，以及由此引發(fā)的電磁干擾和輻射干擾。接在該系統(tǒng)的電子設(shè)備就會出現(xiàn)工頻50hz和高次諧波的干擾，干擾來自多種耦合途徑，很難排除。假如t1變壓器容量為2000kva，配出總電流可達(dá)3000a，如3次諧波電流分量為5%，則在n線上的3次諧波電流為3×3000×5%=450a。如果其中有10%的電流分流，即有45a頻率為150hz的電流，通過n線母排經(jīng)pe線返回t1電源。如3相負(fù)荷不平衡時，還有50hz不平衡零序電流經(jīng)pe線返回t1電源。這是一個強(qiáng)大的電磁干擾源，通過各種耦合途徑及電磁輻射干擾配電系統(tǒng)中的自動化子系統(tǒng)和敏感的電子設(shè)備。10a的電流可在2m以外的空間產(chǎn)生0.7a/m的磁場強(qiáng)度，足以使顯示終端圖像亂動。

　?。?）如t1負(fù)載m出現(xiàn)絕緣故障或單相接地故障時，故障電流經(jīng)m設(shè)備外殼入pe線后返回變壓器t1，返回電流不再通過剩余電流保護(hù)器1（簡稱rcd1）的電流互感器。該故障電流稱剩余電流，有兩條通路返回電源變壓器t1：一路為正常路徑從pe線直接返回t1；另一路是從pe線向右走，通過t2中性點后從n線母排返回t1，該路徑的剩余電流通過了rcd2和rcd1，其后果是在無故障的線路rcd2的電流互感器感應(yīng)信號，可能引起rcd2的誤動作，該路徑的剩余電流同時又通過有故障線路的rcd1，使電流互感器的感應(yīng)信號減少，可能引起rcd1的不動作。

　?。?）為保證低壓配電系統(tǒng)具有良好的emc性能，不應(yīng)采用這樣的系統(tǒng)。采用這樣系統(tǒng)必須條件是的選用4極開關(guān)，斷開聯(lián)絡(luò)的n線，不與pe線之間形成環(huán)路，保證正常工況下pe線上無電流，以及故障時不出現(xiàn)環(huán)流形式的剩余電流。需注意的是tn系統(tǒng)要謹(jǐn)慎使用4極開關(guān)。

7 emc環(huán)境友好的多電源配電系統(tǒng)

　　一個配電系統(tǒng)通常有多臺電源設(shè)備，變壓器緊靠變電所布置，而發(fā)電機(jī)組可臨近變電所或遠(yuǎn)離變電所布置。如把多臺電源稱為一組電源，此時電源設(shè)備的布置可分成兩種方式：

　　電源設(shè)備集中布置方式：發(fā)電機(jī)組臨近變電所。

　　電源設(shè)備分散布置方式：發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)離變電所

　　7.1 電源集中布置方案

　　多電源設(shè)備的低壓配電系統(tǒng)的布置應(yīng)周密考慮系統(tǒng)的接地制式，原則上是不允許pe線上出現(xiàn)正常工況時的負(fù)荷電流，必須消除對地可引發(fā)寄生電流和雜散電流的電場。

　　圖8是西門子公司推薦的一個典型的應(yīng)用方案，該方案能保證gps（a）系統(tǒng)和sps（b）系統(tǒng)并聯(lián)工作時，也能提供友好的emc性能。該方案的特征是一組電源采用一點接地的方式，pe線與n線之間不可能出現(xiàn)環(huán)路，因而消除了引發(fā)寄生電流和雜散電流的電場，西門子低壓配電柜sivacan-8pt 的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能保證了該應(yīng)用方案的實施。圖中，pen線為黃色，pe線為綠黃式。在研究該配電方案的布置時應(yīng)注意如下幾點：

　　（1）正常供電電源：兩臺變壓器分列運(yùn)行，通過母聯(lián)聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)絡(luò)，變壓器相線與中性點分別與主配電柜（gps）的l1、l2、l3和pen線相連。即變壓器至gps柜實質(zhì)為tnc系統(tǒng)。

　　（2）安全（備用）供電電源：發(fā)電機(jī)就在變電所傍邊，發(fā)電機(jī)相線與中性點分別與主配電柜（sps）的l1、l2、l3、和pen線。相連，發(fā)電機(jī)至sps柜實質(zhì)為tnc系統(tǒng)。

　?。?）pen線與pe線（兩個母排）貫通gps柜與sps柜，在gps柜內(nèi)pen線與pe線一點聯(lián)結(jié)，并在那里與主接地極一點接地，形成系統(tǒng)的主等電位體聯(lián)結(jié)。

　?。?）電源設(shè)備 （變壓器和發(fā)電機(jī)） 的等電位聯(lián)結(jié)分別與柜內(nèi)的pe線相連，接地。

　　（5）全部選用3wl框架斷路器，是3極開關(guān)，而不是4極開關(guān)，因此安全可靠性非常高。正常工作工況時，pe線無電流， 大地?zé)o雜散電流。

　　該系統(tǒng)由于一點接地， 剩余（接地故障）電流由pe線經(jīng)一點接地點回到n線，返回自己的電源。正常工作時，電源設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)采用3極開關(guān)。

　　由于pen線和pe線在gps柜內(nèi)一點聯(lián)結(jié)，一點接地，pen線和pe線（大地）之間不會出現(xiàn)環(huán)路。pen線上即使有不平衡電流和諧波電流，但不會流向pe線，pe線上無電流，不產(chǎn)生對地引發(fā)雜散電流的電場，因而具有很好的emc性能。

　　7.2 一組電源設(shè)備分散布置方案

　　如果變電所與發(fā)電機(jī)房有一段距離a1，且遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)至應(yīng)急電源柜的距離a2。由于發(fā)電機(jī)離變壓器房離較遠(yuǎn)，不可能實施一點接地的方案。西門子公司推薦如圖9配電系統(tǒng)方案。該方案的特征是需要在gps系統(tǒng)做一個主等電位聯(lián)結(jié)實施一點接地，同時又在sps系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)傍邊再做一個主等電位聯(lián)結(jié)實施一點接地。這就是說，一組電源存在兩個接地點。研究該配電方案的布置時應(yīng)注意：

　?。?）正常供電電源（gps）：變壓器相線與中性點分別與主配電柜（gps）的l1、l2、3和pen線相連，即變壓器至gps柜為tnc系統(tǒng)，兩臺變壓器主配電開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)均采用3極斷路器。

　　（2）pen線與pe線貫通gps柜， pen線與pe線（兩個母排）在柜內(nèi)連接與主等電位體聯(lián)結(jié)體一點接地。

　?。?）安全（備用）供電電源（sps）：發(fā)電機(jī)相線與中性點分別與主配電柜（sps）的l1、l2、l3和pen線相連，即發(fā)電機(jī)至sps柜為tnc系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)主配電開關(guān)為4極開關(guān)。

　?。?）sps柜中pe線連接發(fā)電機(jī)旁主等電位聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)一點接地。

　　（5）gps系統(tǒng) 與sps系統(tǒng)各有一個接地點。由于有兩個接地點，pen線與pe線間形成環(huán)路。為此gps系統(tǒng)與sps系統(tǒng)的母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)必須采用4極開關(guān)，即斷開pen線，切斷pen線上的正常工作電流對地形成的環(huán)流。

　　（6）gps系統(tǒng)與sps系統(tǒng)不允許并聯(lián)運(yùn)行。gps和sps用atse（雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置）相互切換時，會出現(xiàn)一段短暫并聯(lián)運(yùn)行的時間，此時emc環(huán)境不友好。

　?。?）不容許n線與pe線之間連接跨接橋，并要用儀器測量監(jiān)測，以保證一點接地的措施的落實。

8 結(jié)束語

　　國內(nèi)低壓配電系統(tǒng)，絕大部分都采用tn接地制式。三相四線制配電系統(tǒng)的中性線負(fù)荷電流引起的電壓降，在電源設(shè)備多點接地的情況下，容易出現(xiàn)環(huán)流，為了消除環(huán)流，常采用4極開關(guān)斷開（聯(lián)絡(luò)用）中性線。4極開關(guān)在國內(nèi)的實際應(yīng)用中出現(xiàn)了很多的問題。

　　一點接地等電位聯(lián)結(jié)布置方式消除中性線與pe線（大地）之間產(chǎn)生的環(huán)流，從根上改善了配電系統(tǒng)的emc環(huán)境。本文介紹的西門子兩種典型的配電方案，適用于多電源設(shè)備的配電系統(tǒng)，值得國內(nèi)同行研究。