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风力发电机电磁兼容性接地技术分析Abstract: The electrical control system of Wind Turbine is composed of several kinds of electrical equipments. They form a special electro-magnetic environment during their run time. Not only is the environment affected by electrical equipments in kinds of ways, but also call for a certain electro-magnetic environment, that is, EMC. For the bad electro-magnetic environment of wind turbine, large quantity of measured data, big interference of electro-magnet wave, and the increasing automation level of windturbine,therequirementsof electro-magnetic environment are more and more strict and the EMC issue is evitable. This paper deals with the GND issues which exist in three actions in EMC. Analyze the situation of interference during the actual operation of (GOLDWIND) wind turbine with power of 1500KW, and a reasonable way is submit to improve the EMC performance, which uses filter wave connection and adoptsmore reasonable GND ways.Keywords: Electro Magnetic Compatibility、 Electro Magnetic Interference、wind farm、 GND摘要：风机的电控系统由各种不同类型的电气设 备组成，在运行中它们共同形成了一种特殊的电 磁环境。各种电气设备不仅以各种方式影响着电 磁环境而且对所处的电磁环境有一定的要求，即 存在电磁兼容的问题。由于风电场电磁环境恶劣，风机监测数据多，受电磁干扰影响大，并且 风机的自动化程度在不断升高，所以对电磁环境 的要求不断提高，系统的电磁兼容性成为一个不 可忽视的问题。本文对电磁兼容三大措施中的接地问题做 了阐述，并针对金风 1500KW 型机组的实际运行 受到的干扰情况做了一定的分析，提出了使用滤 波电连接器、合理接地的方法改善系统的电磁兼 容性。 关键词:电磁兼容；电磁干扰；风电场；接地。 前言随着对风能资源利用的飞速发展，大型风电 场逐年增多，风电已成为重要的能源形式之一。 但是，风电场的环境条件大多比较恶劣，存在大 量的电磁干扰。如交直流回路开关操作、扰动性 负荷、短路故障及雷击等因素，都会影响风电场 的正常工作，甚至损坏设备。又如，风速、风向 信号的误差，不仅会影响最大风能的捕获，而且 在高风速情况下，若不及时采取有效措施，会使 风机叶片因承受过大的剪切力矩而损坏。电磁干 扰对系统的影响主要表现在两个方面：一是影响 软件的正常执行，使程序执行紊乱；二是影响数 据采集的精度，从而影响系统的正常运行。由于 电子系统和设备数量的逐渐增多和性能的不断 提高，电磁干扰将越来越严重。如何在共同的电 磁环境中使电子系统和设备不受干扰的影响而 相容地正常工作是迫切需要解决的技术问题。这 正是研究电磁兼容的宗旨。因此，考虑风电场设 备中的电磁兼容性问题势在必行。一 电磁兼容的基本概念11 电磁兼容的含义一般来说电磁兼容这个术语描述一种共有状态、即能够共存，电磁兼容限于与电磁场及其 现象有关的那些学科、技术及生活的领域。国际 电工技术委员会(IEC)所给出的定义：“电磁兼容 是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成它 的功能，而不至于在其环境中产生不能容忍的干 扰。”可见从电磁兼容的观点出发，除了要求设 备(分系统、系统)能按设计要求完成其功能外还 有两点要求：(1)有一定的抗干扰的能力；(2) 不产生超过限度的电磁干扰。12 电磁兼容的实施电磁兼容是通过控制电磁干扰来实现的，因 此该学科是在认识电磁干扰、研究电磁干扰和对 抗电磁干扰的过程中发展起来的。为了实现系统 内、外的电磁兼容，需从技术上采取措施。所谓 技术措施，就是从分析干扰源、耦合途经和敏感 设备入手，采取有效的技术手段，抑制干扰源， 减少不希望有的发射，消除或减弱干扰耦合，增 加敏感设备的抗干扰能力，消弱不希望的响应。 这就要利用各种抑制干扰技术，它包括合适的接 地，良好的搭接，合理的布线、屏蔽、滤波和限 幅等技术以及这些技术的组合使用，此外还有电 磁干扰的分析与预测，电磁兼容设计和电磁干扰 测量技术等。13 形成电磁干扰的基本要素干 干 干 干由干扰源发出干扰电磁能量经过耦合途经 将干扰能量传输到敏感设备，使敏感设备的工作 受到影响，这一作用过程称为电磁干扰效应。因 此形成电磁干扰必须具备下列三个基本要素(见 图 1-1)：干 干 干干 干 干 干图 1-11电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元 件、器件、设备、系统或自然现象。2耦合途经或称耦合通道：指将电磁干扰 能量传输到受干扰设备的通路或媒介。3敏感设备：指受到电磁干扰影响，或者 说对电磁干扰发生响应的设备。分析电磁干扰问题，首先要确定形成干扰的 三要素，而后通过抑制干扰源、降低敏感设备对 干扰的响应，消弱干扰的耦合等措施来抑制干扰 效应的形成。实现设备和系统电磁兼容性是一项复杂的 技术任务，对于解决这个问题不存在万能的方 法。实际上，为保证设备电磁兼容性采取的技术 措施可相对地分为两类：其一是在设备和系统设 计时就注意选用相互干扰最小的元件、部件和电 路。并在结构上注意合理布局。以保证元件、部 件等级上的电磁兼容性。其二是采用接地、屏蔽、 滤波等技术，降低所产生的干扰电平，增加干扰 在传播途径上的衰减。接地、屏蔽和滤波是抑制电磁干扰的三大 技术。这是电子设备和系统在进行电磁兼容性设 计过程中通用的三种主要的电磁干扰抑制方法。 虽然每一种方法在电路和系统设计中都有其独 特的作用，但它们有时也是相互关联的。譬如， 设备接地良好，可以降低设备对屏蔽的要求；而 良好的屏蔽，也可处对滤波的要求低一些。 二、 目前 1500KW 机组接地21 风电场监测系统结构及其电磁干扰风电场监测系统包括两部分：一是风电场 的监测系统，用于分析和计算每台风力机和整个 风电场的电能质量；二是单台风力机的监测系 统，用于控制风力机的运行状态(如风力机的起、 停，电网的切入和切出，风力机的及时脱网等)。金风 1. 5MW 系列风机，基于 PROFIBUSDP 总线的风电场监测系统能快速获取数据， 及时进行电能质量分析。对风电场的监测具有多 数据性与实时性要求。风机内部通讯系统结构如 图 1 所示。变 桨 传 感 器变 桨 执 行 元 件变 桨 控 制 单 元变 桨 备 电1.5MW主控系统组成逆 变 单 元变桨系统主控系统控 制 单 元传 感 器 单 元执 行 单 元总 线 系 统变流系统补 单 元 偿整 流 单 元控 制 单 元滤 波 单 元图 21 金风 1.5 系列风机内部通讯系统 单机系统需要监测的参数有风速、电机转速、温度、机舱振动等。风速信号用于确定风力 机的起动与停机；电机转速影响并网状态及并网 时冲击电流的大小；温度和机舱振动等参数会影 响风力机的安全运行。监测与控制系统的终端大 多置于机舱内部，因而对单机控制系统的 EMC 性能要求更为严格。系统中的 EMC 的数学模型为：N (w) = G (w)gC (w)I (w)式中： N (w) 干扰对系统设备的影响；G (w) 干扰的强弱；C (w) 干扰传输的耦合函数；I (w) 抗干扰能力。 通过该数学模型，可以得到提高系统抗干扰性能的方法，即从阻塞耦合通道、提高敏感设 备抗干扰能力及合理设计泄放回路入手(包括接 地、滤波、屏蔽和隔离等)。对于风电场监测系 统，可从数据采集、传输部分、机箱和机箱内部 结构以及风电场专用接地等方面进行分析。本文 重点在接地方面。同样，1500KW 机组的接地也分为安全接地 和信号接地。安全接地主要为防雷接地和设备安 全接地。22 安全接地221 防雷接地雷电放电是一种自然现象。这种现象虽为人 们所熟知，但对其放电机理、效应及其防护方法， 则是人们长期研究的深题。利用高速摄影观察方 法，人们知道雷电放电过程大致经历三个阶段： 首先是先导阶段。或称先导放电。此时，从雷云 向大地方向的电离空气分子，一步一步地发展出 一条导电通道，为紧按而来的主放电阶段提供良 好的放电途径。这就像用导线一段一段地把雷云 和大地连接起来。为即将流过强大电流作好准备 一样。在这过程中，电流不大，发光非常微弱。 肉眼难以觉察，接着是主放电阶段。雷云中的电 荷，沿着先导阶段形成的放电通道，迅速泄放入 大地。这一过程电流很大，时间短促，瞬时功率 极大，闪光耀眼，空气受热膨胀，发出强烈的雷 鸣声。人们平常所称的雷电，就是这阶段的放 电，最后是余辉放电阶段，云中剩余电荷继续沿 上述放电通道向大地泄放，虽然电流较小，但持 续时间较长，能量也较大。雷电放电的效应有热效应，机械效应和电磁 脉冲效应(静电感应，电磁感应和行波及干扰效 应)。这里着重介绍电磁脉冲效应。静电感应 出现雷云放电前，雷云及随后的光导阶段中的通道与大地之间形成了一定的电场，此时位于 其中的金属物体会出现与雷云异号的感生电荷， 一旦发生了雷云放电，该物体上的电荷来不及泄 放，本身就会出现很高的对地电位，可能引起对 其他物体的火花放电。电磁感应 雷击时，主放电的电流幅值很高，陡度很大。雷电通道就像一条良好的发射天线。当雷电流流 经通道时，会在周围空间辐射出强大而又变化迅 速的电磁场。处在辐射范围内的金属物体因此而 感应高幅值的脉冲电压或电流，对与该物体相连的电子设备造成危害。行波及干扰效应 雷电直击通信线路时，除通过热和机械效应可能造成通信线路损坏外，还会在线路上形成行 波。行波也可能由上述的静电和电磁感应引起， 不论是雷电直击或雷电感应所形成的行波场要 沿线路向两边传播，危害较远处的设备，影响通 信质量或产生危害人体健康的音响冲击。雷电冲击是风电场最常见的电磁干扰。一般 说来，雷电冲击不会直接作用于二次回路，而是 通过两种渠道间接产生干扰：一种是雷电冲击在 高压线路上产生暂态过电压以大气行波方式传 输，然后经电流互感器(CT)、电压互感器(PT) 传递至二次回路；另一种是雷电冲击在变电站的 接地元件上，对接地网注人暂态电流，使地电位 发生变化，从而使流过两端接地电缆的电流增 加。此外，雷电冲击还会直接破坏设备，因而需 要优良的防雷措施。据统计，在瑞典 5. 8%的风力机因遭受雷电 冲击而损坏，在德国的高原地带该数字已经达到 了 14%。来自德国的统计数据显示，在风电场 所遭受的各种损坏中，有 70%的损坏来自于雷 击，下图 32 表示出了丹麦 900 台受雷电冲击 的风力机各部分损坏情况统计。群骚扰、静电放电骚扰、浪涌(冲击)骚扰及 1 MHz 脉冲群骚扰等。瞬态骚扰对电子设备的危 害较大，它既可通过电缆经设备端口进入设备， 也可通过辐射方式影响设备。目前大型并网型风力机受雷电冲击损坏的 概率一般随其高度的增加成平方关系上升。也就 是说，现在 110 m 高的大型风力机受雷电冲击的 可能性是多年前 45 m 高的风力机的 6 倍。因而 防雷保护对安装在弧岛、山顶和海上的大型风力 机来说至关重要。根据 IEC 61312-1：995，可将风力机组的防 雷区域划分为 LPZ0A、LPZ0B、LPZl、LPZ2， 如图所示(Lightning Protection Zones 简为 LPZ， 即雷电冲击保护区)。风机实体4%控制系统51%电力系统12%图 2-3 雷电冲击环境的分区图 3 中，雷电保护区 LPZ0A 指该区内的各 物体都可能遭受直接雷击，同时在该区内雷电产 生的电磁场能自由传播，没有衰减。雷电保护区 LPZ0B 指该区内的各种物体在接闪器保护范围叶片14%齿轮箱1%叶片11%发电机7%内，不会遭受直接雷击，但该区内的雷电电磁场 因没有屏蔽装置，雷电产生的电磁场也能自由传 播，没有衰减。LPZ0 防雷区包括叶片、轮毅、图 22 受雷电冲击损坏的风力机各部分比例雷电放电、静电放电、电力系统的开关动作 等因素都会在电力传输系统中产生一系列短暂 的高能量瞬态脉冲骚扰，常见的有快速瞬态脉冲风况传感器等；雷电保护区 LPZi（i=1，2，.） 指当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入 后续防雷区，并按照需要保护的系统所需求的环境选择后续防雷区的要求条件。LPZ1 包括采取 避雷和屏蔽措施的风轮叶片内部、机舱和塔架内 部以及中控室等；LPZ2 则包括在防雷区 LPZ1 内的设备。将被保护的风力机系统分为几个雷电 保护区，有利于根据被保护对象的不同而采取不 同的保护措施。对于风力机内部来说，钢架机舱底盘为其提 供了基本的保护。机舱内各部件通过连接螺栓可 靠地连接到机舱底座的金属支撑架上。机舱内不 与底盘连接的所有部件都与接地电缆相连。1）风电场接地技术1、接地系统结构接地是提高系统 EMC 的有效措施，也可提 高系统安全，可使流过设备的干扰电流经接地线 注入大地，减少和衰减干扰的传播及发出的能 量。考虑到风电场的特殊性:延伸范围超过几 km;风力机高度往往超过几十甚至上百 m，雷电 冲击现象时常发生;对于建在丘陵、山地上的风 电场，山顶接地还存在多阻抗值和高阻抗现象 等。所以，普通的接地方案不能满足风电场的接 地要求。风电场的接地系统与电力系统的传输线 合在一起时，还必须同时考虑电力系统故障状态 下接地的安全工作状态以及对接地系统的防雷 措施。通过连续的金属地线将所有设备连接起来 形成风电场的接地网是处理风电场大型接地系 统的上佳方案。具体实施时可在连接风电场各组 成部分的输电电缆中加入裸露的金属导线作为 地线，这样做还有利于降低接地系统的阻抗。在风力机地下 1 m 处，用一段导体环形成局 部地，并通过垂直导体 Rturbin 。与风电场接地 系统相连。众多局部地连接起来形成风电场的大 接地系统，可使风力机在遭受雷电冲击和漏抗电 流影响时依然保持同电位。Rturbin 的电阻值无 特定标准，根据经验一般可将其设定在 10以下。风力机之间的连接比较复杂，可以用 II 型 等价电路表示，其对地电阻和串联阻抗分别用 Rshunt，Rseries(金属线电阻)和 Lseries(地线环路 的自感系数)表示，如图 34 所示。图 24 风电场接地网示意图 在大型风电场的接地系统中，不能忽略串联阻抗。因为当雷电冲击（尤其是其高频分量）作 用于风力机时，串联电感可有效地将接地大系统 变为单台风力机的局部接地系统，增加了接地系 统的安全性；同时，网络型接地系统还可有效解 决因雷电冲击引起的风电场地电位升高的问题。 2）风电场实例研究某风电场安装 10 台风机，配有 4 台箱式变压器和 1 台高压开关柜，如图 35 所示。风力机间距为 200 -400 m，底座半径为 6.5 m。风电场的电力电缆外部包着厚 2.5 mm、半径为 5 cm 的金属外壳，金属外壳外面为 PVC 材料。风电 场土壤电阻率为 500m（这里整个风电场的 土壤电阻率取 500 m 只用作计算，与现实 情况有出入）。图 25 风电场结构图示例 首先考虑接地系统的防雷保护。当土壤电阻率为 500m 时，导体环半径大于 5 m 即可满足 IEC 61024 一级雷电保护标准。当故障出现 时，大部分故障电流会通过故障点进入电缆，其 中一部分流过接地系统进入大地，同时会提高地 电压而使设备处于非安全状态。当雷电冲击电流注入某台风力机时，单一风 力机接地系统和配有导体环的接地网系统对电 流的泄荷情况如图 36 所示。从图 36 中可以 很明显地看出，配有导体环的接地网系统的泄荷 响应能力比单台风力机快得多。图 26 两种接地系统的电流泄荷情况3）金风 1500KW 系列机组的防雷接地 雷电不但可以给风机带来机械损伤，造成损失严重，甚至可以带来人体健康的威胁，所以防 雷接地很重要。金风 FREQCON 系统 1500kW 系列 风机和金风 VERTECO 系统 1500KW 系列风机都对 防雷接地做了大量的工作。金风 1500KW 机组基础采用环形接地体， 包围面积的平均半径10m，单台机组的接地电 阻 4 ， 接地设计 符合 IEC61024-1 或 GB50057-94 的规定，这种设计雷电流迅速流散 入大地而不产生危险的过电压。风力发电机组的防雷系统中所采取的过压 保护和等电位连接措施，符合 IEC61024、61312、 IEC61400 和 GB50057-1994 的相关规定，在不 同的保护区的交界处，通过 SPD（防雷及电涌 保护器）对有源线路（包括电源线、数据线、测 控线等）进行等电位连接。其中在 LPZ0 区和 LPZ1 区的交界处，采用通过 I 类测试的 B 级 SPD将通过电流、电感和电容耦合三种耦合方式侵入 到系统内部的大能量的雷电流泄放并将残压控 制在2.5kV 的范围。对于 LPZ1 区与 LPZ2 的交 界处，采用通过 II 类测试的 C 级 SPD 并将残压 控制在1.5kV 的范围。为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设 备如：金属构架、金属装置、电气装置、通讯装 置和外来的导体作了等电位连接，连接母线与接 地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到 塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过 3 个接入点传输到接地网。在 LPZ0 与 LPZ1、 LPZ1 与 LPZ2 区的界面处应做等电位连接。比 如风向标、 风速仪、 环境温度传感器在机舱 TOPBOX 内作等电位连接； 避雷针、机舱 TOPBOX、发电机开关柜等在机舱平台的接地汇 流排上作等电位连接；主空开进线电缆接地线与 控制柜、变压器、电抗器在塔底接地汇流排上作 等电位连接。4）金风 1500KW 系列机组电控系统防雷金风 1500KW 系列机组主配电采用的是 TN-C 式供电系统，即系统的 N 线和 PE 线合为 一根 PEN 线。根据以上对不同电磁兼容性防雷 保护区的划分和应用 SPD 的原理，在塔底的 620V 电网进线侧和变压器输出 400V 侧安装 B 级 SPD 以防护直接雷击，将残压降低到 2.5kV 水平，同时做好风机的接地系统。图 27电控系统 B 级防雷示意图 在风向标风速仪信号输出端加装信号防雷模块防护，残余浪涌电流为 20kA（8/20s）,响应时间小于等于 500ns。如图 38 所示。部的干扰源所产生的各种电气瞬变信号，通过一 定途径窜入系统内，或是系统内部的各种信号相 互窜扰，而对系统正常工作造成一定程度的影 响。图 28 电控系统 C 级防雷示意图222 设备安全接地为了避免因事故导致金属外壳上出现过高 对地电压而危及操作人员和设备的安全，金属外 壳要与大地相接。金风 FREQCON 系统 1500kW 系列风机和金风 VERTECO 系统 1500KW 系列 风机都对设备安全接地做了充足的工作。发电机开关柜接地线使用 35mm2 黄绿双色 电缆，一端压 DT-35mm2 12 铜接线端头，连 接在发电机开关外壳的 A 点上，见下图 3-9；另 一端压 DT-35mm2 10 铜接线端头，接在发电 机开关柜的右下侧 B 点背面 D 点上，见图 3-10， 图 3-11 所示。图 29雷电放电、静电放电、电力系统的开关动作 等因素都会在电力传输系统中产生一系列短暂 的高能量瞬态脉冲骚扰，常见的有快速瞬态脉冲 群骚扰、静电放电骚扰、浪涌(冲击)骚扰及 1 MHz 脉冲群骚扰等。瞬态骚扰对电子设备的危 害较大它既可通过电缆经设备端口进入设备，也 可通过辐射方式影响设备。对于信号接地来说，设备接地良好，可以降 低设备对屏蔽的要求，降低屏蔽的要求就会大大 节约了设备屏蔽的成本，同时对滤波的要求也有 下降，降低了滤波设备的成本，对风机来说是切 实可行的。对于金风 1500KW 系列机组，设计了三条地 线，分别位 24V 信号地（0V），400V 交流地（PE）、 600V 直流地（PEN）。有效的减少了接地阻抗及 邻线干扰。金风 1500KW 系列机组风力发电机组 现场电气接线工艺规定电缆不允许有绞接、交叉 现象，并用规定的绑扎带进行固定；信号电缆和 动力电缆在安装时应保持 20cm 以上距离。对于信号接地金风 1500KW 系列机组变 频 柜1号变桨柜2号变桨柜3号变桨柜滑 环机舱柜（Topbox）主控和低压柜水冷图 212VERTECO 控制系统的通信连接变 频 柜1号变桨柜2号变桨柜3号变桨柜滑 环机舱柜（Topbox）主控和低压柜图 210图 211对于其他开关柜也做了类似的要求，有效的 保证了安全接地。23 信号接地系统中的信号干扰，是指系统设备外部和内图 213FREQCON 控制系统的通信连接FREQCON 机组和 VERTECO 机组都主要 采用 PROFIBUSDP 总线。231 变频系统与 DP 信号线的电磁感应效应 DP 线传输采用差分信号，所谓的差分信号 是指一根线以正电平方式传输信号，另外一根线电路理论告诉我们，一个周期性的非正弦波 可以用傅立叶级数分解成基波和一系列谐波，博 立叶级数的一般表达式为以负电平方式传输同一信号，当线路中出现干扰信号时，理论上对两根线的影响是相同的，因而F (wt ) = A0 +2( An=1cos nwt + Bn sin nwt )在接收端还原差分信号时就可以屏蔽掉该干扰 信号（可以理解为差分的两路信号执行减运算）。 所以差分信号可以有效抑制干扰。由于 DP 线所 处电磁环境恶劣，经现场运行发现，谐波干扰对A0 =n其中：1 2pp F (wt )d (wt )0信号干扰来说是一种常见且较严重的干扰。图中An =1 2p F (wt )cos nwtd (wt )2-14 主站在不停的摆动。p 0B = 1np2p F (wt )sin nwtd (wt )0图 2-14 主站摆动图N=1，2，3产生谐波的设备称为谐波源。电力系统中的 谐波源是多种多样的。在金风 1500KW 系列机组 中谐波源主要为：同步发电机和变频系统。对于 DP 线的干扰主要为谐波干扰。同步发电机产生 的谐波电动势是由于转子和定子之间空气隙中 的磁场非正弦分布所引起的。发电机每对磁极下 气隙中的磁场不可能完全校正弦分布，这是由磁 极的结构所决定的，由于发电机工艺不可能达到 理论的要求，因此，电动势中必然含有谐波分量。发电机发出的交流电的电压和频率都很不 稳定，随叶轮转速变化而变化；经过整流单元整 流，变换成直流电，再经过斩波升压，使电压升 高到正负 600V，送到直流母排上；再通过逆变 单元，把直流电逆变成能够和电网相匹配的形式 送入电网。当变频器工作于开关模式并高速切换时，产 生大量耦合性噪声。因此，变频器对系统内其他 的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。另一 方面 185 电缆存在谐波干扰，以 5 次、7 次、19 次谐波最为严重，带有谐波的电流会对变频器产 生干扰，该干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲、射频干扰。其次， 共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变 频器的正常工作。变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他 设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途 径是一致的，主要分电磁辐射、传导、感应藕合。 具体为:对周围的电子、电气设备产生电磁辐 射;变频器对相邻的其他线路产生感应藕合， 感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信 号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。下面 分别加以分析。1）电磁辐射：由法拉第原理可知，任何载 有时变电流的导体都能向外辐射电磁场，同样， 任何处于电磁场中的导体都能感应出电压，因 此，系统内的每根金属线在某种程度上可起发射 天线和接收天线的作用。变频器可以向外辐射电磁波，其辐射场强 取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗 以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网 来说是非线性负载，它所产生的谐波对其周围的 其他电子、电气设备产生谐波干扰。当变频器根 据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开 关模式时，其输出的电压和电流的功率谱是离散 的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高dV载波频率和场控开关器件的高速切换(可达dt1 kV/s 以上)所引起的辐射干扰问题相当突 出。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞，则 辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞的大小 与电磁波的波长接近时，会形成干扰辐射源向四 周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次 辐射。同样，变频器外部的辐射也会干扰变频器 的正常工作。2）传导干扰：上述的电磁干扰除了通过与 其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其他电路。与辐射干 扰相比，其传播的路程可以很远。3）感应耦合干扰：感应耦合是介于辐射与 传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较 低时，干扰的电磁波辐射能力相当有限，而该干 扰源又不直接与其他导体连接，但此时的电磁干 扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相 邻的导线或导体产生感应藕合，在邻近导线或导 体内感应出干扰电流或电压。感应耦合可以以导体间电容耦合的形式出 现，也可以以电感耦合的形式或电容、电感混合 的形式出现，这与干扰源的频率以及与相邻导体 的距离等因素有关。1500KW 系列机组采用差分信号传输，并且 DP 传输线采用了双层屏蔽措施。有效的减小了 传输过程中的电磁干扰。但是由于 DP 线处在条 件恶劣的电磁环境中，特别是变频器的干扰，185 电缆的谐波干扰。信号传输的质量直接影响到整 个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做 好信号线的抗干扰是十分必要的。就 1 个系统而 言，各种电磁干扰在接口处最为严重，它既能将 系统外部的 EMI 传导或辐射到系统内部，又可将 系统内部的 EMI 传导或辐射到系统外部。因此， 接口处的连接器在抗电磁干扰中起着极其重要 的作用。DP 线的一端工作在恶劣的电磁环境是 不可避免的，所以在接口处必然存在干扰。在军 品上应用带滤波电连接器、良好接地避免这种干 扰的方法，来消除这种干扰。带滤波装置的连接器在插针接触件上加装 滤波器组件，具体结构如图所示，专用的接地簧 片和连接器的外壳以及滤波器的接地极相接，连 接器的外壳和机柜相连，保证了接地，这样就通 过了接地、屏蔽和滤波几种方法的综合利用，有 效地抑制了 EMI。具体结构如图 315 所示。图 2 15滤波插针电连接器外形结构1.防尘盖 2.外壳 3.安装板 4.滤波插针组件5.安装板 6.接地簧片 7.安装板 8.外壳 管状电容器和管状磁芯组成的滤波元件装入插针和接线端子之间，通过压接后即构成滤波 插针接触件，如图 316 所示。图 316滤波插针接触件的结构1.插针 2.管状电容器 3.铁氧体电感器（磁 芯） 4.接线端子由图 316 可以看出滤波组件的电路原理图，如图 317 所示。LC1C2图 217滤波组件的电路原理L.电感器C1.输入电容器C2.输出电容器 根据要求可以定做带滤波器的电连接器来适应不同电磁环境下的干扰。这是在军品中常用 于电磁环境恶劣情况的一种办法。其滤波范围可 以由需要而确定。即能保证良好接地还能起到滤 波的作用，有效的防止了电磁干扰。此外信号传导式干扰也不容忽视，DP 屏蔽 的正确良好接地是非常重要的。当电缆长度 L0.15 时为高频电 缆，为了保证屏蔽层上的地电位，低频电缆屏蔽层一般采用单点接地，高频电缆一般采用多点接 地，一般将屏蔽层按 0.15 或 0.1 的间隔接 地，以降低地线电阻，减少地电位引起的干扰电 压。此外高频电缆的屏蔽层要求两端都接地。对 于 DP 线屏蔽线接地来说，由于其长度较长，多 点接地将带来较大工作量，并且由于塔架与高压 交流地相连，多点接地不能保证各个接地点的电 位相等。如果在接地点电位不等将会带来新的更 大的干扰（感性耦合和容性耦合同时存在），所 以采用多层屏蔽，并且各屏蔽层单点接地，是有 效去掉恶劣电磁环境下感性藕荷的有效途径。其 接地的具体方法为内屏蔽层在信号源接地，外屏 蔽层在负载端接地。采用光纤与地隔离，能从本质上消除电磁干 扰，提高信号传输的质量。可以有效的防止信号 的传导干扰。还应注意的一点是在使用以单片机、PLC、 计算机等为核心的控制系统中，编制软件的时 候，可以适当增加对检测信号和输出控制部分的 软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。 232 信号线的接地机舱控制系统采集机舱内的各个传感器、限 位开关的信号；采集并处理叶轮转速、发电机转 速、风速、温度、振动等信号，控制对风偏航和 液压站的工作。如图 318 所示：图 2-18机舱控制模块 机舱检测的信号有环境温度（模拟量信号）机舱温度（模拟量信号）发电机温度（模 拟量信号）发电机转速（数字量和模拟量信号）风向和风速（模拟量信号）机舱位置（模拟 量信号）机舱振动（模拟量信号）叶轮锁定 信号（数字量信号）发电机断路器的反馈信号（数字量信号）扭缆信号（数字量信号）11振 动开关信号（数字量信号）。1500KW 的 24V 控制线为模块控制供电回 路和机舱控制回路，机舱控制回路主要为继电器 控制。继电器是一种回路中有线圈电感的触点开 关，是在断开和闭合时都产生瞬变的一种器件， 数字电路对尖峰信号或瞬态信号容易敏感，这种 瞬变可以引起瞬变干扰，常常使系统和设备发生 假触发、假判断、逻辑或循环出错。通常假定，在所考虑的时间内，回路的电感 不变。因此，穿过电感回路的电流，在理论上不 能突变，所以在实际上甚至不能接近突变。因此 每一次通断都伴随着迅速的电流浪涌以及高压 浪涌。假定，回路中电容器两端的电压不能突变。 但这仅当连接到一个节点的总电容保持不变时 是正确的。而当电容接入电路或从电路断开时， 电容两端以及接到此节点的其他元件两端的电 压会发生变化。不能突变的是在一个节点上的总 电荷。用高速示波器测量继电器产生的干扰，可 以得出如下结论：(1)当继电器的线圈通断电流时，在开始的 几微秒内，不改变瞬态的形式。这表明，在此短 间隔内，分布电容使线圈有效地短路，它是引起 干扰瞬态的原因之一。(2)典型的继电器线圈的电感与分布电容的 比很大，这样，当电流截断时，继电器线圈周围 的磁场消失。产生具有陡峭波前的大幅度浪涌电 压。当电路闭合时，线圈两端的电压很快上升到7复闭合和断开，这时所产生的瞬态，比起断开时 所产生的瞬态具有更长的持续时间，而且干扰也 更严重。(4)除了机械弹性的瞬变之外，还产生电路 的迅速闭合与中断。这种瞬变具有更快的选取， 其波形也比较陡峭。电压尖峰的持续时间为几微 秒，这种短脉冲干扰可能很严重，对数字电路尤 为严重，可造成几个信息波特的错误。所以继电器的地线应该和模块供电的地线 分开，以保证供电电路的电压不受干扰。如图 319 所示：模块供电地继电器地线线0V图 2-19233 滑环走线的 EMC滑环是一个空间小、走线相当密集的部件， 各种信号都在滑环内集中，因此各信号间的互 感、互容效应较大。因为滑刷和环道接触处无法 屏蔽，其电容耦合尤其严重。在滑环走线时应注意如下几点：分配环道时将大、小信号，交、直流信号 远距离分开安排；易产生干扰的信号和易受干扰的信号线 要在分配环道时考虑分开排布；而且在环体内走线要采用屏蔽线，且屏蔽 层要一点接地；关键信号要采用边界环道作为专门的屏供电电压的10，而电路断开时，在大约 3S蔽环道，即将信号二边的环道进行良好接地，以之内，电压上升到近似为电源电压的 100 倍，然 后按线圈电感、分布电容和电阻所决定的速率下 降到零。(3)触点开关，除了水银开关以外，均呈现 机械弹性震颤。当开关闭台时，它引起电流的重起到环道间的屏蔽作用。 干扰的分布参数是很复杂的，因此在抗干扰时，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又 要考虑价格因素，还要因现场情况而定。采用的 措施只要能解决问题即可，往往过多的抗干扰措施有可能会产生额外的干扰。四结论提高风电场的 EMC 性能是提高风电质量 的重要因素，也是增大穿透功率极限的重要措 施。必须同时考虑各种因素，才能设计出满足系 统要求的 EMC 方案。风力发电的特殊性决定了 风电场 EMC 的实现比其他系统更复杂和困难， 不可避免地要考虑成本问题。对于商业化运营的 风电场来说，如何协调系统的 EMC 性能与成本 之间的矛盾是一个重要的研究方向。本文在对风机干扰浅显的了解之后得出对 于抑制风电场电磁干扰来说，信号线接口的滤波 接地处理、合理屏蔽合理接地，滑环环道的合理 分配以及滑环内部的合理屏蔽合理接地，信号线 的合理接地都是解决干扰的有效措施。致谢感谢陈伟工程师在论文撰写过程中给予的 亲