1. 序文
電力システムでは、送電網の容量と送電電圧の増加に伴い、コンピュータとマイクロプロセッサに基づくリレー保護、電力網制御、通信機器が広く使用されています。そのため、電力システムの電磁両立性の問題が非常に顕著になっています。たとえば、リレー保護、通信、SCADA機能を統合した変電所統合電力設備は、通常、変電所の高電圧設備の近くに設置されます。設備が正常に動作するための前提条件は、通常操作または事故条件下で変電所で発生する非常に強い電磁干渉に耐えることができることです。また、現代の高電圧スイッチは電子制御および保護装置と統合されていることが多いため、このような強電流および弱電流機器と組み合わせた設備は、高電圧および大電流でテストする必要があるだけでなく、電磁両立性テストに合格する必要もあります。GISの断路器を操作すると、最大数メガヘルツの周波数の高速過渡電圧が発生する可能性があります。 この高速過渡過電圧は、変圧器やその他の機器の絶縁を危険にさらすだけでなく、接地グリッドを通じて外側に広がり、変電所のリレー保護および制御機器の正常な動作を妨げます。電力システムの自動化の向上に伴い、EMC技術の重要性はますます明らかになっています。
国際電気標準会議（1EC）の定義によると、電磁両立性（EMC）とは、環境内のいかなるものに対しても耐え難い電磁干渉を引き起こすことなく、機器またはシステムがその電磁環境内で正常に動作する能力を指します。 EMCは新しい学際的な総合応用分野です。 エッジテクノロジーとして、電気および無線技術の基礎理論に基づいており、マイクロエレクトロニクス、コンピューターテクノロジー、マイクロ波テクノロジー、通信テクノロジー、ネットワークテクノロジー、および新素材のアプリケーションなど、多くの新しい技術分野に関係しています。 EMCテクノロジーの研究範囲は非常に広く、電力、通信、無線、輸送、航空宇宙、軍事、コンピューター、医療など、ほぼすべての自動化アプリケーション分野をカバーしています。
同じ電力システム内の各種電気機器は密接に接続されており、電気的または磁気的な接続を通じて相互に作用します。動作モードの変更、故障、スイッチ操作などによって引き起こされる電磁振動は、多くの電気機器に影響を及ぼし、これらの電気機器の動作性能に影響を与えたり、損傷したりします。これらすべては、電力システムの電磁両立性の問題が無視できない問題になっていることを示しています。
2. 電磁両立性のいくつかの概念
1）電磁両立性環境（EME）
それは、特定の場所に存在するすべての電磁気現象の総和を指します。特定の場所とは空間であり、すべての時間とすべてのスペクトルを含むすべての電磁気現象を指します。
2）電磁両立性（EMC）
EMC とは、機器またはシステムがその電磁環境内で正常に動作し、環境内のいかなるものに対しても電磁干渉を引き起こさないことを意味します。EMC は、専門分野として「電磁両立性」と訳すことができます。デバイスまたはシステムとしての EMC 機能は、「EMC」と呼ばれることがあります。定義から、EMC には 2 つの側面があることがわかります。機器またはシステムによって生成された電磁放射は、他の機器またはシステムの機能に影響を与えません。機器またはシステムの耐干渉機能は、機器またはシステムの機能が他の干渉の影響を受けないようにするのに十分です。
3）電磁干渉（EMI）
電磁干渉とは、デバイス、設備、システムの性能を低下させたり、生体に損傷を与えたりする可能性のある電磁現象を指します。干渉源、結合チャネル、受信機で構成されます。干渉の伝播方法に応じて、電磁干渉は放射干渉と伝導干渉に分けられます。放射干渉（RI）は、電磁波の特性と法則に従って空間を伝わりますが、すべてのデバイスが電磁波を放射できるわけではありません。伝導干渉（CI）は、導体に沿って伝わる干渉です。つまり、干渉源と受信機の間には完全な回路接続が必要です。
4）電磁波過敏症（EMS）
感度が高いと、耐干渉性は低くなります。EMSは、デバイス、機器、またはシステムの耐干渉能力をさまざまな角度から反映します。感度レベル（最初にパフォーマンスが低下するレベル）が低いほど、感度が高く、耐干渉性が低くなります。耐干渉レベルが高いほど、耐干渉性が高く、感度が低くなります。電磁感度は、放射感度と伝導感度に分けられます。現在、電磁両立性（EMC）研究のホットトピックには、主に電磁干渉源の特性とその伝送特性、電磁干渉の有害な影響、電磁干渉の抑制技術、電磁スペクトルの利用と管理、電磁両立性の標準と仕様、電磁両立性の測定とテスト技術、電磁漏れと静電放電などが含まれます。
3. 主なEMIモードと伝送経路
電力設備の電磁両立性の形成は、主に各界における電力設備の増加、周辺環境での無線通信設備、電気設備、高周波設備の広範な使用、設備間の電磁干渉の増加によるものです。電力設備の電磁両立性によると、業界関係者は設備が互いに干渉し合うことを知っています。つまり、一部の設備はさまざまな干渉に対して脆弱であるだけでなく、他の設備にも干渉します。実際、多くの機器は電磁両立性を備えていますが、それらの間の干渉は明確に検出されていませんが、これらの潜在的な脅威は電力設備の安全な操作に影響を与えています。もちろん、設備の電磁両立性には、電磁漏洩によって引き起こされる潜在的な安全上の危険も含まれます。電磁漏洩とは、有用な情報が漏洩することを指します。それらは弱い電磁信号ですが、一部の悪意のある攻撃者にとっては、いったん何らかの情報に興味を持つと、現代の手段を使って簡単に情報を傍受、増幅、復号化、またはデコードすることができます。
電磁干渉には主に以下のものが含まれます。
1) 高調波干渉
高調波が主要機器に与える影響と害は、主に以下の側面に現れます：機器の損失が増加し、温度上昇が増加し、機器の出力と寿命が減少します。絶縁体の誘電損失と局所放電が増加し、絶縁体の劣化が加速します。モーターの振動と騒音が増加します。
高調波が二次機器に及ぼす主な影響は、測定精度、動作信頼性など、二次機器の正常な動作状態に干渉することです。
障害が発生した場合、距離保護はリレー保護デバイスへの高調波の干渉に大きな影響を与えます。インピーダンスリレーは、システムの基本波インピーダンスに応じて設定されます。高調波、特に第 3 高調波の発生は大きな測定誤差を引き起こし、深刻な場合には拒否または誤動作につながる可能性があります。
2) 一次回路のスイッチ操作
これは主に電力網内の遮断器、断路器などの動作によるもので、コンデンサバンク、無負荷変圧器、リアクトル、モーターなどの過電圧やパンタグラフからの電磁干渉を引き起こします。
3) 雷による障害
電力網内の変電所に雷が落ちると、大電流が接地点を通じて接地網に流れ込み、接地点の電位が大幅に上昇します。二次回路の接地点が大電流の落雷点に近い場合、二次回路の接地点の電位もそれに応じて上昇し、二次回路にコモンモード干渉を形成して過電圧を引き起こし、深刻な場合には二次機器の絶縁破壊を引き起こします。
4) 二次回路自体の干渉
二次回路自体の干渉は主に電磁誘導によって発生します。変電所や発電所の統合電力設備のデジタル集積回路デバイスの多くは、シングルチップマイクロコンピュータシステムによって実現されています。システム内のプリント基板（PCB）上のデバイスはDC電源で駆動され、DC回路には大きなインダクタンスコイルが多数あるため、スイッチング時にコイルの両端に過電圧が発生し、二次機器の正常な動作に支障をきたす誘導電圧と誘導電流が発生し、PCB上のデバイスに干渉を引き起こし、マイクロコントローラシステムの正常な動作を妨げます。
電磁干渉は、干渉源から敏感な機器に伝導と放射の 2 つの方法で伝達されます。伝導は、伝導結合の直接結合、容量結合の電界結合、および誘導結合に分けられます。放射は主に電磁結合です。磁場によって発生する干渉は、導体間の相互インダクタンスによって引き起こされます。二次回路の電流が突然変化すると、クロスリンクから二次回路への磁束も変化し、干渉電圧が誘導されます。一次回路の過渡電流の振幅と周波数が大きいほど、一次回路と二次回路間の磁気接続が強くなり、誘導結合による干渉が大きくなります。電力システムの干渉は、主に TA、CVT、伝送ケーブルを介して低電圧機器に伝達され、次に高周波放射結合が続きます。主な結合形式は、伝導結合と誘導結合です。
4. 電磁干渉を抑制するための対策
どのようなシステムでも、EMC の形成には、干渉源の存在、干渉源に敏感な受信ユニットの存在、干渉源から受信ユニットにエネルギーを結合するチャネルの存在という 3 つの基本条件 (電磁干渉の 3 要素と呼ばれる) を満たす必要があります。
電磁干渉の種類と特性に応じて、電磁干渉を抑制するために、シールド、フィルタリング、接地などの方法が一般的に採用されます。
4.1 干渉伝送チャネル抑制
4.1.1 シールドは、電界シールド、磁界シールド、電磁シールドに分けられます。一般的に、電磁シールドは、交流電磁場によって発生する干渉を防ぐために採用されます。シールドには、次の 2 つの目的があります。a. 機器から放射される電磁エネルギーが外部に漏れるのを制限すること。b. 外部からの放射干渉が機器に入り込み、機器の正常な動作を妨げるのを防ぐこと。
a. 電界遮蔽法
最も簡単な対策は、誘導源とインダクタを金属パーティションで接地して、寄生容量結合を抑制し、電界シールドを実現することです。電界干渉が強い場合は、接地に導電性の高い金属カバーを使用することをお勧めします。
b. 磁場遮蔽法
磁場は低周波磁場と高周波磁場に分けられ、異なる磁場に対して異なる対策を講じる必要があります。低周波磁場の場合、高磁性伝導性材料をシールドとして使用して磁場シールドを実現できますが、シールドされたコンポーネントは、磁気漏れを避けるために、磁場と平行方向にギャップがあってはなりません。高周波磁場の場合、電界成分と磁界成分が存在するため、電界シールドと磁界シールドを同時に行う必要があります。ただし、強磁性材料の高周波磁場保護は 100kHz 未満に制限されています。より高い周波数の磁場の場合は、特別な対策を講じる必要があります。ギャップや穴からの磁気漏れを防ぐために、ギャップを小さくするか、ギャップの深さを可能な限り大きくする必要があります。穴は金属カバーで覆う必要があります。突出した金属シャフトがある場合は、確実に接地するか、導波管減衰器を取り付ける必要があります。
遮蔽する磁場が非常に強い場合、遮蔽材は飽和します。飽和すると、遮蔽効果が失われます。この場合、二重遮蔽を使用できます。第 1 層は飽和しにくい低透磁率材料で作られ、第 2 層は飽和しやすい高透磁率材料で作られています。第 1 層の遮蔽は、まず磁場を適切な強度に減衰させるため、第 2 層の遮蔽は飽和せず、高透磁率材料は遮蔽効果を十分に発揮できます。
4.1.2 フィルタリング
フィルタリング技術は、電源干渉をフィルタリングするための効果的な手段です。電源汚染によって引き起こされる干渉が最も一般的です。電子技術の急速な発展に伴い、スイッチング電源の応用はますます普及しています。したがって、スイッチング電源によって発生する電磁干渉を排除するという観点から、EMIフィルタも考慮する必要があります。EMIフィルタの設計は、従来のフィルタの設計とは異なります。高周波電磁干渉を可能な限り減衰させることに加えて、フィルタの電源、負荷インピーダンス、および対応する要素インピーダンスをカットオフ周波数で可能な限り近づけることも必要であり、次の2つの基本原則に従います。a.フィルタの直列インダクタンスは、低インピーダンスの電源または低インピーダンスの負荷に接続する必要があります。B.フィルタの並列コンデンサは、高インピーダンスの電源または高インピーダンスの負荷に接続する必要があります。このようにして、EMIフィルタの実際の適用効果を向上させることができます。
フィルターの正しい取り付け方法も重要です。たとえば、フィルターを回路基板に取り付けると、電磁干渉が直接フィルターに入り込み、フィルタリング効果が低下するため、フィルターをシールドする必要があります。
4.1.3 接地
接地は、回路、機器、システム作業の基本的な技術要件の 1 つであり、干渉を防ぐ最も基本的な方法の 1 つでもあります。接地により回路内の干渉電流が地面に戻るため、正しい接地により干渉信号が他の機器に与える影響を効果的に抑制できます。
接地、フィルタリング、シールドの 3 つの基本的な方法は、電磁機器の電磁両立性を高めることができ、個別に実装することも相互に補完的に実装することもできます。たとえば、機器の信頼性の高い接地は、静電気干渉を防ぎ、機器のシールド要件を軽減できます。優れた電磁シールドは、電磁放射干渉を効果的に防ぎ、フィルタ回路の要件を適切に緩和できます。全体的な効果を考慮すると、優れた接地は干渉周波数のエネルギーを低減できます。シールドは、電磁放射の結合経路を分離し、放射エネルギーを低減できます。フィルタリングは、電源を介して伝送される干渉エネルギーを減衰できます。
4.2 時間分離
タイムシェアリングルールは、干渉デバイスが同じ時間帯に同時に使用されるのを避けるために、干渉デバイスと干渉されるデバイスを異なる時間帯にオンにすることです。
4.3 周波数管理対策
周波数管理には、周波数制御、周波数変調、デジタル伝送、光電変換が含まれます。周波数制御とは、機器内で同じ周波数の機器を一緒に使用しないことを意味し、それらの間の二重周波数干渉に注意する必要があります。周波数変調技術は、周波数を使用して機器を2回変調し、干渉周波数を回避することです。デジタル伝送とは、アナログ信号をデジタル信号に変換して伝送することを指し、さまざまな干渉を最大限に防ぐことができます。光電信号は信号対雑音比と耐干渉能力が非常に高いため、企業は可能であれば光電変換と光電伝送技術を試すことができます。
4.4 空間分離
場所と位置の選択、建物の自然隔離、設備設置の角度制御、電界と磁界のベクトル方向制御。つまり、回避と遮断解除技術を採用し、建物によって形成される自然な隔離を合理的に利用し、適切な設置場所と方向を選択し、電磁両立性の悪い設備による干渉を最大限に制御する必要があります。たとえば、モニターを設置するときは、送受信ブラケットの方向を合理的に選択し、エレベーター、テレビ、コンピューターからできるだけ遠ざける必要があります。
5. EMC研究の主な内容
電力システムの電磁両立性の主な内容は次のとおりです。
5.1 電磁環境評価
機器が動作中に受ける可能性のある電磁干渉レベル（振幅、周波数、波形など）は、測定またはデジタルシミュレーションによって推定する必要があります。たとえば、移動可能な電磁両立性試験車両を使用して、高圧送電線または変電所によって発生するさまざまな干渉を測定したり、発生する可能性のある過渡電磁場を電磁過渡計算プログラムによってデジタル的にシミュレートしたりします。電磁環境評価は、EMC技術の重要な部分であり、干渉防止設計の基礎です。
5.2 EMI結合経路
干渉源によって生成された電磁干渉が干渉対象物に到達する経路を調べます。干渉は、伝導干渉と放射干渉に分けられます。伝導干渉とは、電力線、接地線、信号線を介して物体に伝播する電磁干渉によって引き起こされる干渉を指します。たとえば、雷インパルス源によって生成された干渉は、電力線を介して伝達されます。放射干渉とは、電磁源空間を介して敏感な機器に伝達される干渉を指します。たとえば、伝送線コロナによって生成される無線干渉またはテレビ干渉は、放射型干渉に属します。干渉の結合方法を研究することは、干渉対策を策定し、干渉を排除または抑制する上で非常に重要です。
5.3 電磁耐性の評価
電力システムにおけるリレー保護、自動装置、コンピュータシステム、電力量計測機器などのさまざまな敏感な設備や計器の電磁干渉に対する耐性を研究します。一般的に、このテストは、操作中に起こり得る干渉をシミュレートし、機器が作業条件にできるだけ近い場合に、テスト対象の機器が誤動作または永久的な損傷を引き起こすかどうかをテストするために使用されます。機器の耐性は、その動作原理、電子回路のレイアウト、動作信号レベル、および講じられた干渉防止対策に依存します。電力システムにおけるさまざまな自動化システムと通信システムの広範な応用、および強電流機器と強電流機器の統合の傾向により、これらの機器の干渉耐性をどのように評価し、実用的で効果的なテスト方法を研究し、評価基準を策定するかは、電力システムにおける電磁両立性技術の重要なトピックになります。
6. 結論
電力システム自動化設備の広範な応用と技術の進歩に伴い、電磁両立性の問題はますます顕著になっています。既存の成熟した電磁両立性技術を推進し、完璧な試験・検査システムと検査基準を確立し、電力システム応用技術における電磁両立性の新たな問題と新たな方向を研究することが急務です。自動化工学の設計と応用において、設備の電磁両立性を十分に考慮し、さまざまな技術的対策と管理方法を採用すれば、電磁干渉を排除し、設備の安定性と信頼性を向上させることができます。
