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电磁兼容与输变电环保技术新进展
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发布时间:2010-09-28 17:52:47  

 

1 电磁兼容技术新进展

根据《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》的规定,电磁兼容的定义为:“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态”。它有三个方面的含义:电磁环境应是给定的或可预期的;设备、分系统或系统不应产生超过标准或规范所规定的电磁干扰发射(EMI)限值的要求;设备、分系统或系统应满足标准或规范所规定的电磁敏感性(EMS)限值或抗扰度(Immunity)限值的要求。

较为系统的电磁兼容技术研究开始于上世纪40年代。自美国1945年颁布并完善了一系列电磁兼容方面的标准和设计规范后,电磁兼容技术进入新的阶段。目前,电磁兼容技术的频率范围宽达0-400GHz。各种测试方法和测试标准已展开广泛研究,如VDEFIEFCCBSMIL-STDVGPTBNAC-SIMIECCICPRITU-T等标准逐年更新,并趋向于全球公认化。各种EMC论证、设计、测试中心如雨后春笋般地出现,电磁兼容技术成为非常活跃的学科领域之一。美国、德国、日本、瑞士、波兰、西班牙、意大利、英国等电磁兼容技术发展较为迅速。

我国电磁兼容理论和技术的研究起步较晚,直到上世纪80年代初才有组织系统地研究并制订电磁兼容性标准和规范,经过多年的发展也取得了长足进步。

1.1 国内外电磁兼容技术的新进展

1.1.1 预测技术的新进展

随着电磁兼容技术的发展,电磁兼容性工程已经从事后检测处理发展到预先分析评估、预先检验、预先设计。由于传统的数模技术不能解决复杂的EMC问题,预测得到的结果与实际测量结果差异太大,而产品的EMC性能需要在研制末期通过测试来确认,在最后出现EMC问题将使产品开发费用与时间大量增加,并且对分析复杂EMC问题其实用性小。因此,世界各国研究人员积极研究EMC预测新方法。

1.1.2 仿真软件的新进展

目前,美国电磁兼容预测技术处在世界前列,如美国的休斯公司和波音公司都拥有各自的电磁兼容预测软件,但处于技术保密的原因,并未向外推出这些软件。表1是国外几家大公司的预测软件开发情况。

 

1.1.3 测试技术的新进展

传统的电磁干扰测量仪在分析信号及干扰的特性时,要求被分析信号及干扰来自比较清洁的电磁环境。目前,国际上新开发的一种分布式射频分析仪与之不同,它采用了随机处理技术,具有分析噪声环境中的信号特性的能力。此仪器称为电磁辐射检测处理图形自动化系统CASSPER。可以节约检查干扰问题的时间和费用。

测试场地如微波暗室、TEM横电磁波Transverse Electromagnetic室、GTEM(吉赫兹横电磁波)室、WTEM(金属线列横电磁波)室和电波混响室都在实际中应用。

1.1.4 电磁兼容标准的新发展

随着电磁兼容技术的不断发展,电磁兼容标准也不断更新版本和内容,以满足日益复杂的电磁环境。

2004-2008年,IEC 61000-4系列的相关抗扰度标准有多个进行了更新,其主要变化的内容为抗扰度测试的频率及波形、测试方法和设备等。具体更新的标准有:电快速瞬变/猝发抗扰度试验 IEC 61000-4-4  (2004年发布);电涌抗扰试验 IEC 61000-4-5(2005年发布);阻尼振荡磁场抗扰度试验IEC 61000-4-18(2006年发布);抗静电放电试验IEC 61000-4-2(2008年发布);辐射发射抗扰度试验IEC 61000-4-32008年发布)。

1.1.5 电磁兼容用材料的新发展

世界各国高度重视电磁兼容材料的开发和研制。目前新的电磁兼容用材料主要有以下几种:

1)工业硅钢材料

从高斯结构的硅钢材料转化为材料内部高斯结构变为一种立方结构,具有较高的相对磁导率,但该结构材料还处于实验室阶段,大量应用有待于技术的进一步发展。

2)铁镍合金

铁镍合金的电磁屏效要比工业硅钢片优越很多,尤其是在低频磁场中,铁镍合金具有相当高的初始磁导率、相对磁导率,低矫顽力和低反复磁化损耗等优点。改善材料的屏蔽效能。

3)导电高分子聚合物

本征型导电聚合物聚苯胺由于其结构多样化,环境稳定性好,易加工,价格低廉以及特殊的掺杂机制而成为导电聚合物的研究热点。尤其是在微波吸收和屏蔽电磁干扰方面,导电聚苯胺具有重量轻,韧性好,电导率易调节,用它做电磁干扰屏蔽材料可以弥补曲型金属型电磁屏蔽材料的成型缺陷。该类材料密度在1.2gcm3左右,比掺有金属粉末的掺合型屏蔽材料密度低,因此更有应用前景。

4)非晶型屏蔽材料

非晶型屏蔽材料是利用在原始屏蔽体上增加一层某一厚度的非晶态物质,通过非晶态物质的特殊性质和原来屏蔽体复合后达到较好的电磁屏蔽性能。

5)粉末导电材料

粒径从纳米级到微米级,主要用于填充化合物。从非金属类碳黑、石墨到银粉、银包铜粉。上世纪八十年代玻璃镀银粉、镍镀银粉、铝镀银粉。九十年代末,石墨镀镍粉和纤维。纳米粉通常在1100nm之间的超细粉末,其特殊结构导致奇异的表面效应和体积效应,使其具有特殊的微波吸收性能。同时具有吸收频带宽、多功能、质量轻、厚度薄等特点。将这些特殊功能的纳米材料与其它屏蔽材料复合所得的新型材料是一种极有前途的电磁屏蔽材料,如纳米羰基铁粉、空心微球吸收剂、超细铁氧体纳米镍粉吸收剂和纳米碳管吸收剂等。

1.2  小结

美、法、英、德等发达国家的电磁兼容技术发展十分迅猛,无论在顶层总体设计、预测、标准、测试还是在应用方面都已十分成熟。未来,随着电磁环境的日益复杂,电磁兼容技术必将在预测、仿真、测试、标准等领域出现新的研究热点。

2 输变电工程环保技术新进展

电力企业从工程建设入手,依据相关的环境保护法律法规及设计技术规程,从规划选线、选站开始,便采取了一系列的措施,从源头上避免、预防输变电工程建设对环境的影响,并利用各种新技术,降低对环境的影响。以下部分重点对有新进展的技术内容作介绍。

2.1科学的选线、选址

在设计优化和终勘定位过程中,对于敏感区域可采用全数字化摄影测量、全球卫星定位系统(GPS)等高新技术,尽可能避让环境保护敏感目标,从源头上减缓工程建设对环境的影响。为保证线路附近居民的正常生活环境,对电磁环境不能满足标准要求的,则予以拆迁。

2.2 实现设备紧凑化,缩小走廊占地面积

随着电力系统的不断发展,架空输电线路朝着大容量、高电压方向不断建设发展。另一方面,线路的走廊已经面临较困难的时代。要靠输电设施紧凑化将其对周围环境的影响控制在最低限度,通过推广同塔双回路、同塔多回路技术以及紧凑型输电技术,减少输电线路走廊占用、压缩输电线路走廊宽度,节约土地资源、减小对环境的影响。

2.3 积极采用环保方案以及利于环境保护的新技术

2.3.1 保护景观的措施

变电站在设计中,均针对不同环境选用了电场、磁场水平较低的先进设备。在变电站站址设计中,变电站的进出线方向尽量避开居民密集区。位于城市区域的变电站,采用了与周边环境高度协调的设计方案,仅从外观几乎难以辨认出是变电站。

随着输电系统的扩大,占用一些自然风景区、观光胜地等作为输电线路走廊的情况时有发生。为妥善解决影响景观问题,目前正在开发能将这种影响控制在最小范围的技术。技术主要内容是:按照地形数据描绘出三维图象,然后在其上加入输电线路图形成复合图象加以评价。而最近利用计算机成像(CG)技术使绘画技术进一步提高。它可以假设各种情况的构成图象,对完工后的景观进行预测,从而选出最好的方案,也就是对自然景观影响最小的方案。

为使输电线路与景观协调,过去采取的措施是给铁塔涂上茶色或绿色。从各方面调查结果表明,减小不协调感的办法是以钢材的灰色为基调,使输电线路的设施融颜色合于背景色调之中。其主要措施应放在表面处理技术上,以便抑制阳光的反射,这种技术目前己在使用。对导线和铁塔表面分别用热水、蒸汽或磷酸进行化学处理,以减少表面光泽度等措施还在继续开发。

近年来,欧美国家新型杆塔应用较多。如丹麦在2001年设计建造的一种铁塔,既考虑了输电线路的经济性又考虑了其外观效果。与传统的杆塔不同,这种新型杆塔考虑了线路的美观性,尽量保证不破坏自然风景。从远处看,绝缘子、塔头的网格等都无法看见,所以不会对景观造成影响;线路的走向也经过特殊设计,与周围的风景相适合,当然塔座、塔身都要进行加固。这种杆塔固然美观,但造价比一般的线路高出20%。此外,挪威等国也相继设计出了环保杆塔,降低电磁辐射等污染的同时,也保持了一定的经济性。

 

2.3.2 输变电工程噪音治理的措施

经济的持续快速发展和用电需求的日益增长,世界各国高度重视输变电工程的环境影响。在已运行的超高压交流输电和高压直流输电工程中,噪声污染是其中较为突出问题,噪声影响及其治理在输变电工程的建设与运行中必须得到考虑。

变电站(换流站)噪声治理主要分为无源消声和有源消声两种方式,前者是利用吸声、隔声、减振等手段,让声波的能量耗散掉,或是阻隔声的传播;后者则利用一个可被控制的次级声源产生次级声场,使之于噪声场的相位相反而抵消噪声场。输电线路噪声则包括风噪声和电晕噪声,其治理技术在发达国家得到广泛应用。

2.3.2.1 变压器噪音治理的措施

变电站内最大的噪声源变压器,目前主要采用变压器本体降噪技术、变压器冷却装置降噪技术、隔音技术、变压器有源消声法(ATNC)等方法和技术对变压器进行降噪。其中比较先进的是有源消声法。

所谓有源消声法,就是在变压器附近(通常离变压器lm 以内)放置若干个噪声发生器,使它们产生的噪声分别与变压器的基频噪声及二、三、四次高频噪声相互抵消,从而使变压器的噪声受到抑制和衰减。其基本工作原理是,首先将变压器的噪声信号转换为电讯号,并将电讯号调制放大以后用来激励噪声发生器,使各噪声发生器发射出来的噪声,其幅值分别与变压器噪声的基频及二、三、四次高频分量的幅值相等,而它们的相位却相反,从而使变压器的噪声受到破坏性干扰,使其声压和声功率明显降低。与传统的无源降噪方法相比,有源噪声控制不仅理论上消声量可达到很高,而且体积小,便于设计和控制,是在城市变电站中具有广阔的应用前景。

1980年美国的Angevine公司首先研制成功了变压器噪声的有源消声法。1996年起,有源消声的商业应用条件逐渐成熟,美国电力部门已在10台变压器上安装了有源消声系统。此套系统有三个硬件部分,它分别是调节器、传感器和电子控制器。调节器利用压电陶瓷制成,在100Hz400Hz之间有极高的灵敏度,降噪效果相当可观。美国西屋公司对60Hz电力变压器的试验结果表明。有源消声法对于l20Hz基频噪声和240Hz360Hz的二、三次高频噪声而言,其衰减量分别为20 dB(A)l5 dB(A)l3 dB(A)。德、英、日等其它一些国家用有源消声法来降低变压器的运行噪声,也都取得了明显的效果。

2.3.2.2 输电线路噪声防治措施

在输电线路噪声治理方面,主要是采取在导线表面采取缠绕扰流线或直接使用低噪音导线的方法来降低输电线路导线风噪声和电晕噪声水平。

日本由于国土狭窄,线路往往经过人口稠密地区,线路引起的噪音问题比较突出,从上世纪60年代后期建设超高压线路开始,日本即对输电导线风噪声和电晕噪声的机理及其防治对策进行不断的研究,在输电线路噪音机理与防治方法研究方面积累了丰富的经验,其经验可供借鉴。日本降低导线风噪声和电晕噪声水平的方法主要是在导线表面采取缠绕扰流线或直接使用低噪音导线。

1) 扰流线

比较有代表性的500kV 输电线路采用导线ACSR410×4采取缠绕扰流线措施后,处于风噪声的主要频率带的噪声水平降低了10dB以上。

 

在超高压输电线路导线上缠绕扰流线主要有3种不同的方式(见图3):(1)对角2条缠绕方式;(2)对角密着4条缠绕方式;(3)密着2条缠绕方式。经试验和现场实测证明,3种缠绕方式对降低导线风噪声均有效,而其中对角密着4条缠绕和密着2条缠绕方式不仅能降低导线风噪声,而且对降低导线电晕噪声也有很好的效果。

为了有效地降低导线风噪声,在需要采取缠绕扰流线措施的场合,从悬垂线夹出口处开始,在导线的全档长度上都要安装。在装有防振锤的场合,可从防振锤线夹出口处开始安装。扰流线的螺旋方向分为右旋和左旋2种方向。在分裂导线的场合,相邻的次档距上应安装不同旋向的扰流线,相邻的子导线上也应安装不同旋向的扰流线,以增强降低导线风噪声的效果。

2)低噪音导线

随着输电线路导线分裂数的不断增加,采取缠绕扰流线措施降低风噪声的场合越来越多。从设计方面,不仅要考虑缠绕扰流线以后引起导线自重的增加、风压荷载的增加,而且要考虑导线电晕噪声和无线电干扰水平的增加。从施工方面,要考虑导线分裂数增加以后缠绕扰流线作业人工安装费用的增加。综合考虑了以上各个方面,经过反复试验研究,日本在上世纪80年代开发出了低噪声导线,并从1987年开始在500 kV输电线路中实际使用。

低噪声导线是一种兼顾防风噪声和电晕噪声的特种导线。低噪声导线是在导线制造过程中,直接在其外层绞制上若干股类似扰流线的异型线股。这种异型线股的高度要比扰流线的直径小,而且具有一定的开角,使新型低噪声导线不会增加导线的电晕噪声和无线电干扰水平,而且与缠绕扰流线措施具有同等的防风噪声效果。为了降低导线的电晕噪声和无线电干扰水平,有的低噪声导线外层全部再用梯型截面的线股绞制,其中部分线股的高度较高,在导线表面形成一定的突起。图2.3为不同规格低噪声导线的结构简图,由图可见大截面导线的突起部分开角比一般导线的突起部开角小。

 

2.3.2.3 换流站降噪研究与措施

国外对换流站噪声治理的研究起步比较早,研究也比较深入,对换流站主要噪声源的噪声治理也有成功案例。如瑞典的ABB公司和德国SIEMENS公司等设备生厂商对换流站设备降噪有较深研究,并在世界上直流工程中换流站有应用,在换流站的设计上对主要噪声源设备的安装采取如下措施:一是将其整个设备隔离起来,以降低其辐射噪声;二是将设备周围的围墙采用吸声设施,以降低其噪声水平。采用降噪的方法是根据当地的环境噪声标准要求及经费多少来设计的,因为不同的降噪措施,造价是不同的,所以在不同的环境噪声标准要求下,采用不同的吸声、隔噪措施。

2.4  小结

经济的持续快速发展和用电需求的日益增长,世界各国高度重视输变电工程的环境影响。从设计环节开始,利用先进技术科学选线、选址;采用输电设施紧凑化技术将其对周围环境的影响控制在最低限度,减少输电线路走廊占用、压缩输电线路走廊宽度,节约土地资源;采用新型环境友好杆塔与实现周边环境高度协调;并采用降低输变电站内与线路的噪音的新技术,来最终实现对周围环境的最小影响。

 




 
 

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