电工技术的发展与电磁兼容性

1  引言
    21世纪的电工技术与其他科技领域一样，将获得飞速的发展。伴随着这些发展，一方面会使得周围的电磁环境变得恶劣;另一方面，为适应这些发展，电工技术领域也需要“干净”的电磁环境。即:要求妥善地解决电磁兼容问题。
    在电工技术领域，有些系统虽然也会产生电磁骚扰[*1]。但或者布点分散，或因数量不多，其影响范围较小(例如:发电厂)。现仅就其中影响面广的系统举例说明。
2  高压输电线路
    如果不计由于事故产生的危险影响，其可能对周围事物造成干扰[*2]的因素主要包括:
    (1) 电晕:是由于导体表面的电位梯度过大，引起向空气中放电而产生的高频电磁噪声。其频谱的主要分量在几兆赫以下。以dB表示的强度，随电位梯度的升高而增加。而导体表面的电位梯度不仅取决于电压等级，而且还直接与导线的等效表面积有关。
    (2) 火花放电:由于线路上局部的绝缘被破坏、绝缘子污秽、元件接触不良等而产生的火花放电，其频谱范围可能高达百兆赫，其幅度变化范围很大，可能远大于电晕放电。
    (3) 工频电场:其表现形式主要存在于导线对大地之间。其强度主要取决于电压等级。对于直流输电线路，则为一个纯的静电场。
    (4) 工频磁场:由于工频频率很低，波长很长(50Hz的波长为6000km)，因而距线路虽较远仍为近场，磁场与电场必须分别考虑。其强度主要取决于导线的载流量。但其随距离的衰减很快。
    (5) 无源干扰:输电线路及其杆塔，即使在未送电的条件下，也会对电磁波的传播形成影响(例如对雷达信号、短波通信等)，称为无源干扰。
    (6) 地电流:对于交流三相系统不平衡时的中线或直流输电线路以地做为回路的情况，地电流有时颇为可观。当处理不当时，会造成地电位升高或对地下管线腐蚀。
    以上数种骚扰源，可能会对不同的敏感设备造成干扰。不同的骚扰源的影响不同。值得注意的是:如处理不当，这些骚扰的强度将随线路的电压等级而提高。而提高电压是输电系统的必然趋势。因之对电磁兼容性提出了相应的高要求。必需探讨科学的计算分析方法并认真处理工程问题。
3  电牵引系统
    一般说电牵引系统专指从地面获取电能，而不由车辆自身携带电池的地面运载工具。例如:干线铁路、城市(有轨、无轨)电车、地下铁道或轻轨系统等。此类系统的电磁骚扰源主要来自受流系统(车顶的受电弓与接触网或者是接近地面的电刷与第三轨)。其表现形式包括:电平相对稳定的连续电磁噪声、一系列的脉冲噪声以及突发的孤立脉冲。
    此外，由于当前的牵引电机绝大多数仍为直流电机，因而无论在牵引变电所或是在车上的整流设备都会成为供电网的低功率因数负荷与强谐波源。
磁悬浮列车在国际上已有了试验线路;在我国也对其科研给予了充分的注意，并已在上海开始运营。无疑，磁悬浮系统是目前已知的可商业运行的zui快地面运载工具。但随着使用超导或常导、吸力与斥力等机制的差别，对电磁环境的影响差别很大。
4  电动车(Electric Vehicle)
    电动车没有内燃机车辆的尾气排放，对于改善城市空气质量将是一大革命，是今后城市交通的主导工具。当前无论在全球还是我国都已有投入商业运行的型号。但当人们为它的净化大气环境呼吁的同时，却很少有人去研究其对电磁环境的影响。早在20年前，美国学者就对内燃机汽车对电磁环境的影响进行过大量的实地测量工作。结果表明:在横坐标为每小时流量(20～10000)的对数，纵坐标为平均噪声功率密度Fa(dB)的坐标系中，电磁噪声随着汽车流量线性增加。由此可见汽车对电磁环境的影响。电动车虽无汽油机的点火系统，但其低电压大电流的驱动系统与控制系统的电磁骚扰不容忽视。为此，在1999年北京举行的第十六届国际电动车大会(EVS 16)期间，笔者曾与欧洲电动车协会主席、第十五届国际电动车大会主席Dr.Gaston Maggetto探讨过电动车对电磁环境的影响问题。他认为，应该给予充分关注，但现在尚未引起人们的注意。
5  电力电子系统
    有人认为，电力电子技术是否被广泛地应用，反映了一个国家的科技水平。据统计，1995年发达国家电能中有75%左右是经过电力电子技术变换或控制后才使用的。预计21世纪初期，这一比例将可达95%以上。在电力电子器件中，为了减小损耗提率，则必须提高转换速度。因而伴随着电力电子器件的高电压、大功率化的同时，高频化是必然的趋势。上世纪末可达到的开关速度约为400～1000A/μs;而电压的变率已超过2～3kV/μs;结型SiC整流管的反向恢复时间已达0.01μs。在功率方面，光控SCR已有4000A/8000V的商品。1GBT也已超过2400A/3300V(EUPEC)、2500A/3300V(三菱)。人们清楚地知道，大的必然伴随着高的电磁骚扰发射。显然电力电子器件的发展趋势与改变电磁环境是存在着矛盾的。
    以上仅仅列举了几个方面说明电工技术的发展可能带来的环境问题。为此，一方面要求提高自动控制系统的抗电磁干扰能力;另一方面也要求优良的电磁环境。我们应注意到，在电工技术领域的控制对象往往是一个大的分系统或系统。一旦失误，其后果往往是恶性的。例如，东京市从新桥站至东京湾的有明站，共12个站运行着无人驾驶无列车员的公共交通系统。又如，从葛洲坝至上海1400km的500kV直流输电系统的运行控制可任意从上海或葛洲坝进行等。这些系统不过是上世纪90年代的水平。进入本世纪后自动化水平必然进一步提高，控制对象必然进一步扩展。
6  结论
    伴随着电工领域高新技术的发展，无论从电磁骚扰抑制方面还是从抗干扰方面都要求有相应的提高与长足的进步。否则，电磁兼容问题可能会成为电工科技发展的障碍