油田生产自动化控制装置电磁干扰的抑制

2014-05-23冯泽虎

油气田地面工程 2014年9期

冯泽虎

淄博职业学院

1 自动控制装置电磁干扰的分类

油田生产电子自动控制装置多位于地下深层工作区域内，在正常工作条件下，会产生对电子自动化控制装置有抑制作用的载波。这种载波依靠有用功率产生的抑制波，当功率传送频率大于1 000 MHz时，便会对传送的电磁信号产生干扰。产生的干扰信号与有用信号叠加后，会使传输信号失真，终端控制器无法识别传送的信息[1]。电磁干扰的方式可分为静电磁场对自动化控制的干扰、光感元器件对自动化控制的干扰、磁场间对自动化控制的干扰、电磁辐射对自动化控制的干扰等。

1.1 静电效应引起的电磁干扰

静电效应引起的电磁干扰是在较大电场周围引起的磁场效应，电场对电容元器件形成了磁场之间的耦合，这种耦合电磁感应便对周围电容产生了静电干扰。在油田生产工作环境中，大型功率装置的工作区域周围存在的较大负载，所引起的磁感应线圈半径也随之加大，在发电机正常运转时，发射的有用功率会达到100 kW。这时、电力传输线上随着交变电流的变化，会产生强大的电磁场，根据安培的右手螺旋定理可以辨别出磁场的方向。通常油井电力传输系统的传输功率较大，一般电力传输线的传输电压能达到10 kV，185芯的电力线每平方米传输的电流为400 A，所以整个电力线传输的功率为4 000 kW。为了避免传输线路的损耗，多数设备线路采用铝制传输线缆，但这种线缆引起的磁场效应波及范围也会成比例增加，在终端系统处对周围电容设备产生了磁场效应的耦合，进而引起静电干扰[2]。

1.2 光感元器件引起的电磁干扰

油田供电系统获得的电能是电网系统中由直流电转化为交流电过程而来，主要是因为直流电传输的波形信号为恒定均一的幅值，在传输过程中不会发生幅值上的变化。例如：在直流供电系统中的波形最大幅值波动关系为±1，那么在传输过程中的波形幅值始终保持为+1或-1，在波形上不会发生随机性的跳动，因此可以在一定程度上转变为电能。但在正常电力传输系统中，由于各个供电设备最大传输功率的不同，对要求的幅值变化曲率也不相同。若在极短时间内，电压幅度变化较大，高电位会立即变为低电位，点电荷的数量也随即由高电位指向低电位，造成在同频设备内信号的干扰。

1.3 磁场间引起的电磁干扰

磁场间引起的交变干扰是油田自动化控制装置系统中由磁感线圈之间引起磁感应的效应变化所致。在自动化控制装置变压器磁感线圈变化过程中，由霍尔效应得n1∶n2=B1∶B2，即在同一方向传输的控制电流大小相等、方向相同，所引起的磁感应强度的大小与线圈匝数成正比关系，线圈匝数越多，引起的磁感应强度就越大，如图1所示。例如：在同一传输系统中，两条电力线的传输电流大小均为300A，传输的方向都由北向南，但传输线路中变压器的匝数A为30匝，B为150匝，那么所形成的磁感线的方向相反，磁场强度B为A的5倍。在A磁感线分析图中，N极的指向为下端，B磁感线N极的指向方向为上端，两磁感线的传输方向相反，会引起磁场间的相互干扰；当B线圈产生的磁感强度为A线圈产生磁感应强度的5倍时，便会覆盖住A磁感线的一部分信号，对于邻区信号产生干扰。

图1 变压器线圈匝数与磁场强度对比

1.4 电磁辐射引起的电磁干扰

电磁辐射也会对信号产生一定的干扰。自动化控制装置中会有一些触电的元器件，在接通电流的瞬间会产生电火花或电弧，对周围的空气产生电磁波辐射。自动控制装置会吸收外界的电磁波，当电磁波的强度达到一定临界状态时，便会对内部的传输电子信号产生抑制作用。在油田自动控制装置设备中，部分部件处于隔离状态，当设备在正常工作状态下，会切断与外部连接的一切电源，这种运转环境达到一定程度后，便会重新连接。连接过程中会有短暂电流的经过，很可能产生短暂性的接通，这时接头感应部位会产生电弧或电火花现象，引起周围空气的变化效应。开始前的空气密度稀疏，位于电离层的初始状态，当火花或电弧击穿过程中，引起周围空气密度迅速增大，分子之间的间隔密度可达到0.001 nm。这时在电弧周围形成了一圈封闭的电磁场，这种效应产生的电磁场对自动化电力传输装置产生的电磁场具有抑制作用，但自动控制装置会同时吸收外界产生的电磁信号，使这种由电弧效应引起的磁场强度减弱，对传输功率的信号产生对应的抑制作用。

2 抑制技术

2.1 静电屏蔽

静电屏蔽技术主要原理为：导体壳内外之间电荷量相等时，可以减少因静电产生的磁场效应对电子控制装置产生的影响。图2为两组对比试验，甲组左端的球体内电荷量为“+”的点电荷，外部为“-”的点电荷，形成上端为负、下端为正的等差趋势。右端球体表面分别代表负电荷和正电荷，形成两个单独的个体效应。在左端半球实验时，两个半球之间形成等位电差，由公式Q=It可得，电荷量与时间和电流有关系，所以在相同时间内，通过相等的电流所得到的电荷量相等。在甲图中可以看出，两个等电位的球体分布的电荷量均匀相等，在正电荷与负电量中和的情况下，使电位差消失，不会引起电位的变化，并且在球内表体产生磁场，形成了静电屏蔽的效应。在乙组中，两个点电荷成为两个单独的结构主体，左边半球表面形成负点电荷的表层区域，右端形成正电荷的表层区域，在对等关系下，由正电荷向负电荷发射磁感线，引起磁场效应。由静电屏蔽实验得出结论，在油田电子自动化控制系统中，可以采用正负电荷均等的效应来减少电磁效应带来的干扰。

图2 静电屏蔽实验

2.2 电网干扰抑制

对电网干扰抑制主要从两方面着手，一方面采用交流稳压的方式引入电源，另一方面控制传输载波的频率。在这两方面因素的控制下，才能有效缓解因电磁干扰带来的弊端。交流稳压的作用体现在干阻抗元件发射的功率信号容易被电子控制装置吸收，形成信号之间的复合。高阻抗元件的功率关系式为P=U2R，即在电阻一定的情况下，功率与传输的电压成正比关系，所以在控制电压的情况下，所传输的功率值为一个界定值。当高阻抗元件传输的功率与电子自动化控制装置传输的功率一致时，不会形成功率之间的差价，因此也不会吸收多余的电磁信号。另外一种方式中，可在传输载波上对频率大的传输信号进行抽样，对传输波形信号频率进行整形。因为传输的波形形状不发生变化，如果将抽取波形的频率减为原来的二分之一，就能保证传输的功率与幅值不发生原变化。借助带通滤波器将信号整形，产生的信号为窄波低带宽信号，保证了高阻抗元件在正常运行时不会发生太大幅度的变化，引起电子自动化控制装置吸收外源的信号，减弱原有信号的功率。