1.1 概述

　　自動化系統或監控系統通常為低壓配電系統中的子系統，負責這類子系統的工程技術人員非常關心emc（電磁兼容性）或emi（電磁干擾），因為不友好的emc環境常使他們的系統或系統中電子設備出現故障，甚至損壞，如：自動化系統停機;

　　傳動系統燒設備;

　　數據網絡故障;

　　電腦和服務器損壞;

　　打印機失靈;

　　局域網絡數據傳輸率降低甚至停頓;

　　報警系統誤報警;

　　金屬管路和接地線嚴重腐蝕。

　　在安裝和調試自動化系統或監控系統時，通常從三方面著手：即找出干擾源，即干擾來自系統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（也稱耦合機理）；提高系統和設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。當發現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本身。如不從配電系統本身考慮，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理作簡要的說明。

　　（1） 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，就會產生電位耦合機理。該公共阻抗可以是電源內阻，電源接頭，零電位導線，保護地線（pe線），或與接地系統相關的設施。分析圖2中的電位耦合原理圖，強電線路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路，電壓降是形成環電流的根源。

　　（2）電容耦合

　　具不同電位的兩根導線間可能會產生電容耦合。分析圖2中電容耦合原理圖，兩根導線間電位差就是電場，導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中產生干擾電壓u2。耦合電容值取決于導線敷設的條件。實際施工時，應避免兩線平行敷設，信號線貼近地走。靜電放電等屬電容耦合機理。

　　（3）感應耦合

　　兩個或兩個以上的線路在周圍產生的磁通相互交聯時，就會產生感應耦合。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線環路中（相當于一線圈繞組）感應干擾電壓。這也說明為什么一個很簡單的線路也會受到干擾。該瞬態磁場可能是由如雷電，操作過電壓或靜電放電等現象引起；另外一個線路中的電流變化也會在另一個線路中感應電壓。該感應電壓主要取決于電流的變化率和互感系數mk。而mk取決于磁場強度以及磁場的導磁率。

　　（4）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，則會發生電磁線干擾現象。所謂長線是指干擾脈沖的上升沿時間遠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聯的，并非毫不相干。可用微分分析方法計算產生的干擾電磁場。

　　（5）輻射耦合

　　一個線路的電磁場可產生的電磁波，以光速傳播作用于另一個線路的現象稱輻射耦合。當離干擾源距離很近時，我們主要處理的是來自電位耦合，感應耦合或電容耦合的干擾;當離干擾源距離很遠時，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備的干擾

　　低壓配電線路本身是一個大電場，電源設備的容量越大，電能越足，可向固定負載，移動負載和電動機等用電設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生干擾的電壓和電流；配電線路中電流在它的周圍產生磁場，交變磁場可在環型線路中感應電勢；配電線路中的電流也會產生電磁波，產生輻射干擾，以光速傳播干擾距離較遠的線路。配電線路在周圍產生的磁場其磁通密度達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系。圖3是通過試驗得出的結果。其中縱坐標為線路在空間產生的磁通密度，橫坐標為線路對屏幕的干擾距離。分析該試驗例子可說明：

　　（1） 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。

　　（2） 三相電流平衡工況下，電流越大，干擾距離越遠。

　　（3） 三相電流平衡工況下，三相導線按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 低壓配電系統中性線的負荷工況

　　中性線配出的三相電源稱三相四線制系統，滿足了額定電壓為220v大量的單相負荷的電能需求。對三相四線制系統來說，如三相負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，電子信息設備；電子娛樂設備，變頻空調，調光器，以及電子節能燈等器件已深入到每家每戶。這類設備通過整流器，從正弦電壓波形的電網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載，事實上很難做到三相負荷電流平衡。三相負荷不平衡指的是接入三相電源的各相的功率不平衡，各相負載的功率因素不平衡以及各相負載產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荷（基波50hz）電流的向量和，三次諧波（三倍頻次）電流的算術和，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線上會出現過電流（或過載）現象。因此設計低壓配電系統時，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，造成系統嚴重的電磁干擾（emi）現象。

4 接地系統與emi

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

　　第一個字母表示電源設備接地的條件， 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備（裝置）外露導體的接地的條件，其中：

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

　　n= 電氣設備（裝置）外露導電體部分與變壓器低壓繞組中性點（系統地）連接。

　　對tn系統， 還用第三個字母來說明n線與pe線的關系；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兩根導線，與三根相線一起配出（5根線）

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

　　低壓配電系統的接地制式（系統）決定了系統本身的線路保護技術和措施，也決定了系統本身的電磁兼容性。依據實際經驗，低壓tn-s系統具有最好的性價比，因為正常工況下，pe線上無剩余電流，大地中無雜散電流。當發生三相（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，優化了電磁兼容性，由于故障電流大，可用簡單的線路保護電器（如熔斷器或斷路器）切斷故障。

5 單電源系統tn接地制式與emc

　　20-30年前，掛接在tnc配電系統上的電子設備很少，諧波問題不嚴重，emc的問題不太突出。三相負載平衡的情況下，n線上基本上無電流。然而，目前的低壓配電系統的負載性質與以往有很大的不同。大功率的單相負載多了，帶整流電源的電子設備多了，很多負載具有很高的3次諧波分量和高次諧波分量。因此三相負荷很難平衡，如前面已分析的那樣：n線上除了不平衡負載電流外，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生，接在配電系統中的電氣設備的外殼都是接地的。而電子設備除金屬外殼接地外，電子設備之間用帶屏蔽的通信線連接，其屏蔽層也是接地的，因而出現了多點接地的現象。

　　正常工況下，電源提供設備的負荷電流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，導致在通信線屏蔽層上產生寄生電流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備上感應干擾電壓和電流。

　　該干擾源也會通過設備的接地點在建筑物中產生雜散電流，產生強磁場，在建筑物的金屬結構中產生火花，腐蝕金屬管路。因此該系統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

　　圖6b是tns系統，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，消除了由金屬結構物產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，與大地無關。只有故障時，pe線才出現故障電流，并導致emc性能短時劣化。但線路保護電器會在規定的時間內切斷故障，因而，不友好的emc環境是短暫的。

6 多電源系統的tn-s接地制式

　　多電源系統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或母線分段的方式組成（簡稱gps）；安全電源一般采用發電機組（簡稱sps），gps通過atse（雙電源自動切換裝置）與sps聯絡；對于數據中心或計算中心，通信等系統和設備，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濟損失。前面分析的是單臺電源變壓器的tns系統，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。設計多臺電源設備的配電系統時，只有從系統上消除或避免n線上的負荷電流向大地（pe線）分流的問題，才能實現具有emc友好的環境。

　　圖7是國內常采用的布置方式，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開關聯絡，采用tns系統。如變壓器主保護開關和聯絡開關的均選擇3極斷路器的話，整個配電系統就會出現不友好的emc環境。

　　（1）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線上產生干擾電場，引發很大的雜散電流，以及由此引發的電磁干擾和輻射干擾。接在該系統的電子設備就會出現工頻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pe線返回t1電源。如3相負荷不平衡時，還有50hz不平衡零序電流經pe線返回t1電源。這是一個強大的電磁干擾源，通過各種耦合途徑及電磁輻射干擾配電系統中的自動化子系統和敏感的電子設備。10a的電流可在2m以外的空間產生0.7a/m的磁場強度，足以使顯示終端圖像亂動。

　　（2）如t1負載m出現絕緣故障或單相接地故障時，故障電流經m設備外殼入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信號減少，可能引起rcd1的不動作。

　　（3）為保證低壓配電系統具有良好的emc性能，不應采用這樣的系統。采用這樣系統必須條件是的選用4極開關，斷開聯絡的n線，不與pe線之間形成環路，保證正常工況下pe線上無電流，以及故障時不出現環流形式的剩余電流。需注意的是tn系統要謹慎使用4極開關。

7 emc環境友好的多電源配電系統

　　一個配電系統通常有多臺電源設備，變壓器緊靠變電所布置，而發電機組可臨近變電所或遠離變電所布置。如把多臺電源稱為一組電源，此時電源設備的布置可分成兩種方式：

　　電源設備集中布置方式：發電機組臨近變電所。

　　電源設備分散布置方式：發電機組遠離變電所

　　7.1 電源集中布置方案

　　多電源設備的低壓配電系統的布置應周密考慮系統的接地制式，原則上是不允許pe線上出現正常工況時的負荷電流，必須消除對地可引發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用方案，該方案能保證gps（a）系統和sps（b）系統并聯工作時，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線之間不可能出現環路，因而消除了引發寄生電流和雜散電流的電場，西門子低壓配電柜sivacan-8pt 的結構和技術性能保證了該應用方案的實施。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注意如下幾點：

　　（1）正常供電電源：兩臺變壓器分列運行，通過母聯聯絡開關聯絡，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柜實質為tnc系統。

　　（2）安全（備用）供電電源：發電機就在變電所傍邊，發電機相線與中性點分別與主配電柜（sps）的l1、l2、l3、和pen線。相連，發電機至sps柜實質為tnc系統。

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

　　（4）電源設備 （變壓器和發電機） 的等電位聯結分別與柜內的pe線相連，接地。

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

　　該系統由于一點接地， 剩余（接地故障）電流由pe線經一點接地點回到n線，返回自己的電源。正常工作時，電源設備之間的聯絡采用3極開關。

　　由于pen線和pe線在gps柜內一點聯結，一點接地，pen線和pe線（大地）之間不會出現環路。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，不產生對地引發雜散電流的電場，因而具有很好的emc性能。

　　7.2 一組電源設備分散布置方案

　　如果變電所與發電機房有一段距離a1，且遠大于發電機至應急電源柜的距離a2。由于發電機離變壓器房離較遠，不可能實施一點接地的方案。西門子公司推薦如圖9配電系統方案。該方案的特征是需要在gps系統做一個主等電位聯結實施一點接地，同時又在sps系統的發電機傍邊再做一個主等電位聯結實施一點接地。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注意：

　　（1）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，兩臺變壓器主配電開關和母聯開關均采用3極斷路器。

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

　　（3）安全（備用）供電電源（sps）：發電機相線與中性點分別與主配電柜（sps）的l1、l2、l3和pen線相連，即發電機至sps柜為tnc系統。發電機主配電開關為4極開關。

　　（4）sps柜中pe線連接發電機旁主等電位聯結，實現一點接地。

　　（5）gps系統 與sps系統各有一個接地點。由于有兩個接地點，pen線與pe線間形成環路。為此gps系統與sps系統的母線聯絡開關必須采用4極開關，即斷開pen線，切斷pen線上的正常工作電流對地形成的環流。

　　（6）gps系統與sps系統不允許并聯運行。gps和sps用atse（雙電源自動轉換裝置）相互切換時，會出現一段短暫并聯運行的時間，此時emc環境不友好。

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

8 結束語

　　國內低壓配電系統，絕大部分都采用tn接地制式。三相四線制配電系統的中性線負荷電流引起的電壓降，在電源設備多點接地的情況下，容易出現環流，為了消除環流，常采用4極開關斷開（聯絡用）中性線。4極開關在國內的實際應用中出現了很多的問題。

　　一點接地等電位聯結布置方式消除中性線與pe線（大地）之間產生的環流，從根上改善了配電系統的emc環境。本文介紹的西門子兩種典型的配電方案，適用于多電源設備的配電系統，值得國內同行研究。