电气控制系统电磁干扰及抑制策略

2012-06-26肖栋军张军锋赵志强胡淑霞

电气传动自动化 2012年2期

肖栋军，张军锋，赵志强，胡淑霞

（西安利雅得电气股份有限公司，陕西西安 710075）

1 引言

随着科学技术的发展，电气传动控制系统在工业控制中的应用越来越广泛，涵盖了冶金、石油、煤炭、化工、航天等各个领域。电气传动控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，而系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键因素之一。电气传动控制系统有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各种机电设备上，大多数处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高系统的抗电磁干扰能力，专业人员只有预先了解各种电磁干扰的产生、传输途径，才能有效保证系统可靠运行。

2 电磁干扰的产生

工业现场环境中的电磁干扰一般来源以下几个方面：①在大电流或高电压剧烈变化的部位导致感应电子剧烈移动的部位；②半导体电力电子器件形成的具有整流、逆变过程的交直流调速、控制设备工作时，由于电子器件具有非线性特点，使得回路电流形成方波，利用傅立叶级数分解为基波和各次谐波，而高次谐波也是电磁干扰源；③空间辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、无线电广播、电视、雷达等产生的，通常称为辐射干扰源。一般①、③属于偶发性干扰源，而②属于持续干扰源。

3 电磁干扰的危害及传播途径

3.1 电磁干扰的危害

工业现场电磁干扰的各种危害是通过电气装置（设备）的性能、技术指标及可靠性下降来反映的。电气传动控制系统的装置（设备）在电磁干扰作用下的表现是多种多样的，下面仅就常见的几种作简要介绍。

（1）现场总线系统

使得现场总线的传输速率变慢、传输距离缩短甚至不间断通讯中断，造成语音系统、图像显示系统模糊不清，图像质量变差、清晰度变低和误差变大，总控室不能真实反映现场级的实时状况，致使监控系统失去意义。

（2）数字控制调速系统

使得交直流调速系统的调速精度下降，速度波动较大，可能出现失控、误控或误动作，严重时造成触发脉冲逻辑紊乱，导致功率器件击穿或烧断快速熔断器件。电气传动控制系统的可靠性和有效性降低，并危及安全。

（3）现场检测保护系统

使得现场级检测器件的精度、灵敏度降低或无法正常使用。如：电压电流互感器、霍尔器件、热电偶、料位、液位计等。致使电气传动控制系统无法得到有效信号。PLC系统收到的电压、电流以及脉冲信号紊乱，造成保护误动作甚至系统崩溃无法正常使用。

（4）现场电机、变压器、电抗器等设备

使得驱动回路的电机、变压器、电抗器等设备产生噪音，铁耗和铜损增大，发热增加，影响设备的使用寿命，给企业正常生产带来不利因素。

3.2 电磁干扰的传播途径

电气传动控制系统电磁干扰的传播一般为回路扩散、辐射、感应耦合，传播途径与其产生有密切关系，下面从电磁干扰的产生介绍几种常见的传播方式。

（1）高次谐波电磁干扰

高次谐波是由现场使用的交直流调速设备产生，在电网侧及主回路流动，引起电网畸变，影响电网的其他供电设备和系统的正常运行。如表1所示为1250kW变频器使用中的电流谐波量。表2为该变频项目加装滤波电抗器后的电流谐波量。

表1 1250kW变频器使用中的电流谐波量

表2 加装滤波电抗器后的电流谐波量

（2）辐射电磁干扰

电磁辐射是由现场大容量的交直流设备瞬间启动、制动或大电流运行时，对空间或线缆槽架产生的强电磁场，直接辐射到其他的电气控制设备而形成的，造成其他设备瞬间停机或击毁器件。

（3）感应耦合电磁干扰

感应耦合电磁干扰往往伴随在辐射干扰情况下，但其较为复杂而难以抑制，强电磁场辐射设备、线缆过程中，因为电磁感应原理，在其他设备和线缆上感应耦合出持续型、脉冲型及无序的电压、电流信号，这些信号的出现，导致电气传动系统的逻辑控制、逻辑保护发生错误而无法正常运行。

4 电气传动控制系统抑制电磁干扰的策略

为了抑制电磁干扰，总的原则是抑制和消除干扰源、切断干扰的传播途径、提高电气传动系统设备的EMC。针对具体的项目，要从电气传动系统设计、柜体组装、现场柜体安装以及现场调试各个环节都必须加以考虑，才能有效地抑制电磁干扰。

4.1 电气传动控制系统抑制电磁干扰的设计策略

电气传动控制项目最初设计阶段，设计工程师要考虑到所有可能发生的干扰现象。一般注意以下几个方面：①接地系统的设计，安装电控系统设备的建筑物必须有专门的接地极，一般包括防雷接地、强电接地，如变压器中性点；弱电接地如计算机、交换机等接地，接地电阻值不大于4Ω。②线缆的设计，应选合适的信号线、通讯线，作保守的管路设计，通讯管路最好采用全程金属管，通讯线进行隔离或最好采用光纤。③控制电源设计，在有谐波的场合，需特别注意控制电源的隔离，采用隔离变压器或交流净化稳压电源。④控制系统不同设备采用的各种直流电源的“共零线”需认真考虑，“共零线”能有效提高电气控制系统的抗扰性。⑤使用变频调速设备要充分考虑谐波影响，必须加装电抗器、隔离变压器等，必要时配置动态补偿装置。

4.2 电气传动控制系统抑制电磁干扰的柜体安装方面的策略

柜内安装元器件时要注意：①柜内所有金属板件尽可能连接于一体，且柜内设专门的接地母排，柜门要有专门接地电缆连接到柜体上。②柜内如使用接触器、电磁阀等线圈类器件，必须安装吸收元件，如RC元件、压敏电阻和二极管等。③柜内配线要使线缆的长度尽可能短，以减少耦合电感、电容。强电和弱电分开走线，信号电缆的屏蔽要接地。④柜体在工业现场安装时，保证所有柜体单独接地良好，采用焊接扁钢或大于16mm2的接地线。

4.3 电气传动控制系统抑制电磁干扰的现场线缆安装方面的策略

（1）电气传动控制设备安装前，施工单位须依据设计要求做好控制室的接地网，包括防雷接地、电气接地，二者最好单独做好专用接地极且保持有效距离。防雷接地主要防止自然雷爆放电，消除对电气传动控制系统的损害。电气接地分为安全接地、系统接地、信号屏蔽接地。

（2）产生强磁场及变频率干扰的系统，如应用直流电磁铁、变频器等设备，一般选用铠装且屏蔽的线缆，布线时强电和控制、信号线缆分层布置保留一定距离；同时电缆槽架的宽度、高度需合理、有效，布线完成后盖好槽盖，具有良好的抗扰作用。

（3）线材必须按要求选用，对开关量信号（如按钮、限位开关、接近开关等提供的信号）一般对电缆无特殊要求，可选用一般的电缆，信号传输距离远时，可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线（如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号）应选择屏蔽电缆。通讯电缆要求可靠性高，有的通信电缆的信号频率很高，一般应选择设备生产厂家推荐的专用电缆，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的双绞线电缆，但品质要好。

（4）管路布线应使通讯线、信号线、控制线等弱电信号远离强电，间距不得少于20cm。电源电压220V以上、电流10A以上的电源电缆与信号电缆之间的距离应该大于60cm。隔离强电或远离高频干扰源（如大功率可控硅装置、变频器、高频焊机和大型动力线）。在现场可采用线缆上套用金属管或金属网的方式。