一种抗电磁干扰电气控制柜的设计

查笑春 李龙星 张永强

（西安西电开关电气有限公司，西安 710077）

0 引言

随着国网公司对建设智能化变电站的要求越来越高，智能装置在变电站内得到了广泛的应用。变电站内由于感应、耦合和传导等引起的电磁干扰经常影响智能装置的正常工作。目前变电站内二次控制系统向数字化、集成化和高速化方向发展，智能装置的工作电压降到0～5V，信号电压小，工作频带宽，且与一次系统干扰源同频段，使其对外界干扰的敏感度远大于传统的控制设备；而且其工作环境是电磁干扰非常严重的强电环境，一旦受到电磁干扰，将不能正常工作，给电力系统的安全、可靠运行造成严重威胁。在变电站中，智能装置一般安装在就地的电气控制柜内，柜体的电磁屏蔽能力对智能装置的安全运行起着至关重要的作用[1]。因此，提高变电站内电气控制柜的电磁屏蔽能力具有重要的实际意义。

1 技术背景

电气控制柜作为变电站中安装智能装置的主要载体，为装置提供安全、稳定的运行环境[2]。电气控制柜内的许多精密装置是电气控制柜的核心，对外界环境比较敏感，只有在干燥、少尘、无电磁干扰的工况下才能保持长期安全稳定的运行。在变电站中，电磁干扰主要来源于各种输电线路、智能装置和无线电通信设备，它们严重影响了控制柜内装置运行的稳定性。因此，为保证站内装置的安全稳定运行，需要根据电磁干扰的性质，从材料、表面处理及走线接地等方面进行改进设计，以做好屏蔽措施，有效减少控制柜内的干扰现象[3]。

2 技术方案

2.1 电磁干扰分析

根据对变电站内电磁干扰源的分析发现，变电站中影响智能装置稳定运行的电磁干扰主要有装置之间的电磁干扰及变电站内产生的电磁干扰。为了使装置能够在电磁环境中正常运行，需要装置本身具有抗环境电磁干扰的能力和电磁兼容能力，同时需要在电气控制柜的设计中考虑电磁干扰和兼容性的问题[4]。

本文主要从提高电气控制柜的电磁屏蔽能力角度对控制柜的设计进行分析。

2.2 电磁屏蔽技术原理

电磁屏蔽的原理是基于电磁波穿过金属屏蔽体产生波反射和波吸收的机理，它的作用是切断电磁波的传播途径，从而消除干扰。

一般抗电磁干扰设计途径如图1所示[5]。

图1 抗电磁干扰设计途径

电磁干扰以电磁波的方式在空间中进行传播，屏蔽电磁干扰技术用来抑制电磁干扰在空间的传播，即切断电磁干扰的传播途径。在智能装置的电磁兼容性设计中，屏蔽、接地、滤波是三种最常见的电磁干扰抑制方法。其中屏蔽就是用屏蔽体将干扰源或敏感体（受干扰的设备或部件）包围起来，以隔离被包围部分与外界电的、磁的或电磁的相互干扰[6]，是解决电磁干扰问题最重要的手段之一。

屏蔽是一种直接而有效的控制电磁干扰的方法，它对电磁辐射有良好的抑制作用，主要用于切断通过空间辐射的电磁干扰的传输途径[6]。在电气控制柜的实际设计中因为维护、散热等许多因素的影响，柜体上必然存在孔洞和缝隙，这些缝隙和孔洞是使控制柜电磁屏蔽效能降低的主要原因。因此，本文主要介绍几种能有效处理这些缝隙和孔洞的方法，以使柜体的屏蔽达到理想效果[7]。

实际上，真正影响屏蔽体屏蔽效果的只有两个因素：①整个屏蔽体表面必须是连续的；②不能有直接穿透屏蔽体的导体。所以在设计柜体时，外壳处采取无缝隙焊接结构，不用或少用可拆卸式压接缝及开启式的活动缝，柜体和柜门之间采取一定的技术手段保证柜体的整体导电连续性，切断电磁波的传播途径，从而达到电磁屏蔽的目的。

2.3 技术方案

根据上述影响柜体屏蔽效能的因素，在对变电站用电气控制柜的设计中，主要从以下几方面重点考虑，以改善柜体的电磁屏蔽效果。

1）柜体材料的选择

根据电磁学基本原理可知，屏蔽材料的选择对电磁屏蔽效果的影响是最大的，在选择屏蔽材料时，一定要选用导磁性和导电性良好的材料，若要兼顾静电屏蔽和电磁屏蔽，可采用电磁屏蔽和磁场屏蔽双层屏蔽的结构来解决，其屏蔽效果为每层屏蔽效果之和。

对1kHz以下的低频屏蔽体选用磁导率较高的磁性材料，如铁、泼墨合金等；对高频屏蔽体选用良导体。由于钢材料具有较高的导电能力，因此其是用于磁场屏蔽的理想材料[8]。

一般来讲，电气控制柜的柜体通常采用导电能力较高的钢材料，这种材料可确保柜体结构的强度和稳定性，提高柜体的抗振性能。虽然屏蔽材料的厚度与其屏蔽效果成正比，但在实际应用中考虑到厚度对其尺寸、质量、适用性等方面的影响，因而应该根据实际情况来确定厚度，在确保良好屏蔽效果的基础上尽量薄一些[9]。

在实际工程应用中控制柜柜体一般采用不锈钢材料进行连续焊接或铸造加工成型。这种材料既可以抵抗外界电磁干扰对柜内智能装置的影响，同时可以保证柜体结构的强度和稳定性，使柜内的电气元件免受影响。

2）柜体结构的设计

为保证屏蔽效果，目前电气控制柜的柜体[10]（见图2）采用正面开口，在开口位置安装用于提供密封和屏蔽效能的柜门（见图3），在柜体和柜门处采用整体铰链（见图2）结构。其中，在柜体上设置有门沿（见图3），该门沿采用向外翻边的结构，当水流进入时，外翻边可以对水流起到阻隔作用。此外，如果水流要进入柜体，必须先越过外层的密封层才可能与门沿的外翻边相接触，这有效提高了柜体的密封防水性能[10]。这种柜体结构已通过了国网公司组织的电气控制柜性能检测要求，并通过了防水试验，户外用柜体的防护等级达到IP54，报告编号为CEPRI—SY5—2015—078，该型电气控制柜已大量应用于实际工程中。

图2 柜门设计

图3 柜体接缝处设计

同时为保证柜体的电磁兼容性能，在实际柜体设计中柜体与柜门之间采用专用的屏蔽密封条进行可靠连接，保证柜门与柜体的有效导通，不留缝隙，如图4所示。

图4 柜门与柜体屏蔽结构

3）柜体表面处理

翻边结构的柜体表面金属裸露处进行导电涂敷，涂敷之后其电阻值为毫欧级，同时在门沿翻边结构上还包裹有一层导电金属（见图2）。

4）柜门设计

5）橡胶密封设计

柜体开口外沿处固定一圈橡胶密封垫（见图2），柜门在门框外圈安装有一圈橡胶密封圈（见图2），当柜门关闭时，橡胶密封垫和柜门上的橡胶密封圈紧密结合，确保二者有一定的压缩变形量，与柜门之间形成致密状，可有效避免雨水侵入，达到防水效果。橡胶密封圈安装于柜门上，可以防止在施工过程中被踩踏损坏，保证控制柜的密封性能。

6）接缝处设计

当屏蔽体存在缝隙时，对反射和衰减的影响较大。当缝隙最大尺寸大于λ/4（λ为最大频率下的波长）时，几乎没有屏蔽效果；小于λ/20时有基本的屏蔽效果；小于λ/100时有理想的屏蔽效果。当缝隙的深度较大时，由于多次反射的累计作用，可以大大提高缝隙的屏蔽效果，因此屏蔽体的表面应该是平滑而成一体的表面，无缝隙、无孔洞，才能确保屏蔽体良好的电磁屏蔽效果。但在实际中，电气控制柜的机壳采用焊接、螺纹联接等方法加工而成，焊接质量和螺丝紧固件之间存在的不密闭空间使得屏蔽体表面的金属板之间经常存在一些细长的缝隙，导致屏蔽效果下降。

因此，为保证屏蔽效果，在电气控制柜设计过程中：①在柜体接缝处进行连续焊接；②柜体的缝隙不平整处采用导电衬垫填充构成导电连续体，连接柜体和柜门的整体铰链通过螺纹盲孔套（见图3）固定于柜体上，即在柜体上开设螺纹盲孔套，该螺纹盲孔套为盲孔，既具有密封作用，又具有屏蔽电磁干扰的作用，整体铰链与柜体采用螺钉固定，防止雨水通过螺钉孔进入柜体，提高柜体的电磁屏蔽性能；③柜体的焊缝处没有虚焊、漏焊及裂纹、烧穿等情况。

7）布线的抗干扰防护设计

由于不同电缆中电位各不相同，因此，电缆的电磁泄漏也会造成电磁干扰，需要采取合理的布线设计，才能有效抑制这类干扰。布线设计中：①要将容易受到干扰的弱电线与发射干扰的强电线分开布置，使二者尽量远离，布线设计时合理安排好强电和弱电的分区；②要减少回路的布线网孔，利用胶合线完成布线；③要使接线尽量短、直，切忌迂回绕弯。因此在布局中应将空开和接触器等分开布置于控制柜内的上、下格子中，以减少干扰的产 生[11]。实际的电气控制柜布线设计如图5所示，柜体左侧为强电控制回路，右侧为弱电控制回路。

图5 柜内布线设计

8）接地设计

接地一般分为安全接地、防雷接地及工作接地。前两种接地主要是从安全角度考虑，直接接在大地上；第三种接地根据不同的种类可分为直流地、信号地、电源及屏蔽地等。屏蔽与接地配合使用，可以使柜体的屏蔽效果增强。当整个控制柜内的设备需要抵抗外界电磁屏蔽干扰时，需要将屏蔽体接到系统地上。

在高频电路中，导线存在趋肤效应，即导线内部实际上没有任何电流，电流集中在临近导线外表的薄层上，使导线的电阻增加，进而使导线的损耗功率增加，因此，趋肤效应使导线性传输线在高频时效率很低，因为其传输的信号衰减很大。因此为了削弱趋肤效应，在高频电路中通常采用编制电缆作为接地线使用，同时在电缆连接端子上增加金属片，加大接触面积，增强传输效果。

实际的电气控制柜设计中，根据国网公司对柜内接地铜牌的尺寸要求，柜内安装有40×3mm2的接地铜牌，柜内智能装置的接地点与接地铜牌通过黄绿接地线进行连接，保证柜内装置的接地。

同时在柜体外围的左右两侧各设计一个接地凸台，与大地同电位，可有效减小接地电阻，提高柜体的屏蔽效能。接地设计如图6所示。

图6 接地设计

9）柜体通风口设计

对于柜体的通风口，采取在通风窗内加装波导材料（见图7）来达到屏蔽目的。柜体内形成了一个空气屏蔽的空间，取得了良好的屏蔽效果[12]。

图7 通风口的屏蔽结构

10）电线电缆的选择

屏蔽柜在试验室中不连接任何电缆时能够满足电磁屏蔽的严格要求，但在现场使用时却经常只有50dB左右的屏蔽效能甚至完全无效。这是因为在现场使用时电缆与机柜的连接不正确，在将连接电缆拔掉后机柜的屏蔽效能又恢复正常。这说明电缆是导致系统屏蔽效能降低的直接原因。在工程实际应用中电缆一般选用带有屏蔽层的电缆。当电缆仅有一层屏蔽层时，采用一端接地；当电缆有两层以上绝缘隔离的屏蔽层时，最外层两端接地，内层一端接地。内层一端接地是为了防止电容性干扰源，即强电产生的电磁干扰；外层两端接地是为了防止电感性干扰源[4]。

实际工程中电缆采用两端接地的方式，在GIS一次本体侧，电缆的屏蔽层接到一次本体侧的接地点上[13]；电气控制柜内电缆的屏蔽层与柜内的接地铜牌进行连接，柜内的电缆接地如图8所示。

图8 电缆接地

以上几种设计方案实现了电气控制柜柜体的密封防护，保障了柜体的防水防尘功能，并在保证密封效果的前提下，使柜体的屏蔽效能得到提高，可以同时解决现有的柜体在密封防护和屏蔽电磁干扰方面的技术问题。

3 试验验证

按照以上方法对原有的控制柜进行电磁屏蔽设计后，为了验证屏蔽效果，在试验室利用仪器按照GB/T 18663.3—2007中规定的一级要求进行测试。低频段30～230MHz，屏蔽性能大于20dB；高频段230～1 000MHz，屏蔽性能大于10dB。最终电气控制柜的电磁屏蔽性能达到了GB/T 18663.3—2007中规定的一级要求。

电磁屏蔽试验仪器如图9和图10所示。

图9 试验仪器1

图10 试验仪器2

柜体设计完成后，在相关试验机构进行了电磁屏蔽效能验证，测试结果见表1。

表1 屏蔽效能测试结果

参加国网性能检测柜体的外观如图11所示。

图11 柜体外观

4 结论

通过对变电站中电磁产生的原因、电磁干扰对智能装置的影响及电气控制柜柜体结构进行分析、研究，在电气控制柜设计中选用一系列可以有效预防电磁干扰的方法，减少或抑制了电磁干扰对变电站内智能装置的影响，保证了站内电子装置可靠稳定的运行。