温度控制系统布线的可靠性设计

张奚语

（湖南师范大学附属中学，湖南长沙410006）

温度控制系统布线的可靠性设计

张奚语

（湖南师范大学附属中学，湖南长沙410006）

简述了高功率温度控制系统线路分布和装配需要解决的主要难题，重点论述了线路装配和分布在各重要环节上的优化措施，并介绍了采用这些措施后的实际效果。

线路分布和装配；温度控制系统；线路串扰；接地

在高速发展的工业应用中，电气系统线路的分布和装配已不是简单的电缆布放和连接，因设备或设施特性的不同，系统正在向个性化方向发展，高功率温度控制系统线路复杂，运行环境恶劣，为了保证系统长期可靠运行，线路分布和装配采取针对性的优化设计措施非常必要。

1　需要解决的主要问题

在高功率温度控制系统中存在大负载电缆和晶闸管，电缆因大电流而在周围产生强大磁场，是内部主要的电磁干扰源，晶闸管是极易受干扰的器件，需要采取适当的线路分布和装配技术措施，在有限的空间内成功地解决问题。

温度控制系统应用了大量的模拟信号电缆、数字通讯电缆和控制电缆，运行现场高功率设备的工频干扰、电网尖峰脉冲干扰、空间电磁波干扰、静电干扰的存在，给电气系统的正常运行造成了影响，采取相应的预防技术措施非常必要。

温度控制系统接地措施是保障设备安全、操作人员安全和设备正常运行的必要手段，是系统抗干扰重要手段，不良的接地方式反而会成为引入干扰的途径。

2　线路分布与装配

2.1线路分布与安装优化措施

2.1.1晶闸管RC回路分布和安装

在温度控制系统中，负载回路应用的晶闸管属于大功率开关元件，其触发和关断的可靠性直接影响负载回路运行，晶闸管控制的主要对象是感性负载，晶闸管两端电压上升率过大，容易产生误动作，RC吸收回路能缓冲晶闸管关断时的电压变化，提高电路的可靠性，一般情况下，R为100 Ω、C为0.1 μF就能使电压变化率降低到1 V/μs以下，但RC吸收回路安装不当，引入的分布参数将影响吸收回路发挥作用，由于温度控制系统的装配柜都是金属构件，走线槽贴装在金属构件上，连接线路过长或布线弯曲时，容易引入极大的电气分布参数，使RC吸收回路实际作用参数严重偏离正常值，影响晶闸管正常工作，RC吸收回路最好的安装方法是直接安装在晶闸管两管脚螺钉上，正确的安装方式见图1a，图1b的安装方式就容易引起RC回路实际的电气参数偏移。

图1　晶闸管安装方式

2.1.2电缆的布置与安装

负载回路电缆周围磁场强度高，是重要的电磁干扰源；为了降低负载电缆周围的磁场强度，负载电缆采用以每控制区的三相电缆分组捆扎方式，根据毕奥-萨伐尔定律，无限长直导线周围某点的磁场强度与该点到直导线的距离成反比，与该导线所通过的电流成正比，磁场强度方向与电流在直导线中流向对应，其简化公式为：

式中，B为磁场强度，μ为真空磁导率，I为经过无限长直导线的电流，d为该点到无限长直导线的垂直距离。在应用中主要考虑导线附近磁场强度，因此d值远远小于电缆长度，柜内导线看作无限长直导线来定量分析，通常在正常情况下，每控制组三相电流基本平衡，所以I1、I2、I3的矢量和接近于零，总磁场强度B近似于零，这样，三根电缆内的电流在其周围产生的磁场很大程度上相互抵消，在工程实际应用中，该方法可大大降低温控柜内的磁场强度，降低电力电缆对其他部位的干扰，见图2所示。

图2　线缆的布置与安装

2.1.3晶闸管和负载电缆散热安装

在焦尔定律作用下，负载电缆和晶闸管本身发热量大，容易提升周围环境温度，因此，发热元器件要安排合理位置，以利于散热降温，且不能对其他仪器仪表正常工作造成影响，温度控制系统负载回路电缆和晶闸管分布在柜体内靠近中间的垂直方向空间，该部位对流通风效果好，且在上下方向有强风冷却，散热效果明显，温度控制柜内的环境温度能够满足各元器件工作环境温度要求。

2012年发生的“7·16”洪灾，由于超前预警，准备充分，县委、县政府科学决策，组织有序，不仅提前安全转移群众24 986人，没有人员伤亡，而且沿河受淹范围内的大量物资财产也提前转移，减少经济损失1亿元以上。 与 2007年“7·26”的特大洪灾造成5.8亿元经济损失相比减灾效益明显。 如与 2000年“6·21”同等量级的洪灾相比，以现在的价格计算，损失要比当时减少2亿元以上。经2012年“7·16”洪灾的验证，建不建山洪灾害预警平台、建成的山洪灾害预警平台是否正常发挥作用、预警是否及时准确，对防洪减灾成效差别极大。

2.2信号电缆、数字电缆相关方面的优化措施

温控仪控制回路电缆、热电偶补偿电缆、数据监测系统通信电缆是系统内部最脆弱部分，必须采取优化安装措施。

2.2.1减少线缆间感应藕合条件

电缆与强干扰源采取隔离措施，增大与交流电源电缆距离，避免和大电流电缆、交流电源电缆并行，线芯之间距离增加能弱化线缆间的串扰和感应，特别在水平线槽中铺设电缆时，电缆顺直，避免交叉。避免线缆挤压、弯曲及裕量过长，线缆弯曲半径不能小于所安装线缆直径的4倍。

2.2.2合理利用电气金属结构件对线路电气分布参数造成影响

电力、控制回路的布线应尽量靠近机壳，以利用金属构件来吸收高频干扰，而温度控制系统的晶闸管调节-触发回路的布线却应该离开金属构件，最近距离不小于25 mm，以减少感应，避免触发脉冲失真，造成晶闸管工作失常；金属构件上的各种开孔，要以所穿电缆直径为参照，以小为宜，通过孔隙进入的干扰电磁场强度的大小与该孔直径的三次方成正比。

在铺设线缆时，要注意热电偶补偿电缆、数据监测系统通信电缆和可编程控制器控制回路线缆的拉力，避免过度拉引，线缆的拉力不能超过规定的最大承受拉力，电缆拉长会造成线缆内部对绞节距变长，引起信号衰减、信号延迟或失真。解决问题的方法就是：线缆排布整齐，布线时确保线缆自然展开，用系缆带固定线缆时，线缆外皮不变形；在配线柜中，线缆密度很高，为了保持线缆整齐，容易把线缆束的太紧，要使用专业的尼龙绑带，这种装置不会压迫线缆，每隔1.5～2 m绑扎固定，绑扎间距不宜过短。

2.3系统接地线的正确分布和安装

接地是提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一，正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外发生干扰，而错误的接地反而能引入严重的干扰，甚至使电子设备无法工作，窑炉电气系统有多种装置分配在多个位置，其接地线路往往形成较复杂的接地网络，在分布和安装地线时，需要进行周密的考虑，否则接地的作用就不可能得到充分的发挥。为了保证窑炉电气系统运行安全性和稳定性，电气系统接地线主要设置了保护接地和屏蔽接地两种方式，其总体分布和安装如图3。

图3　系统接地的正确安装

保护接地：为了防止设备的金属外壳带电而危及操作人员的人身安全，任何电气设备必须要有保护接地措施；温度控制系统保护接地的方式采用保护地线，不宜采用保护接零；保护接零的方式是，配电房有一专用地线PEN，中性点和保护接地线同时接PEN线，当设备绝缘层受损时，保护接地线中会有很大的短路电流，造成接地电位急剧上升，对其他地线造成干扰，而保护地线方式是中性点不接地，即使设备绝缘层受损时，由于供电系统未通过地线形成回路，保护接地线中通过的电流不大，引入地线的电流相应就小，有利于设备的抗干扰，温度控制系统保护接地具体布置是:先确定接地装置位置，用尽量短的电缆，将设备各部分的金属外壳连接起来后直接接入接地装置。

屏蔽接地：温度控制系统电缆屏蔽层接地采用一点接地原则，即每根屏蔽线的屏蔽层只有一点接地，所有屏蔽接地线必须连接到一个接地点；选择信号源或接收器一侧接地同时在线路上对地电容大的一端接地，减少信号电缆本身对地分布电容对数据或信号传送的影响；屏蔽层实行单端接地，防止任何一根电缆的屏蔽层形成闭合环路，一方面避免电缆屏蔽层内部电流串入，另一方面避免感应磁场在屏蔽层中产生感应电流及雷击时通过大地向屏蔽层引入干扰电流。

3　结束语

在早期的温度控制系统中，通常采用晶闸管过零触发方式，该方式对外产生的干扰相对较低，但在实际应用过程中会发现有误触发现象，在对温度控制系统线路分布与装配技术采用了优化设计技术后，此类现象得以消除，现在，为了满足用户要求，温度控制系统的晶闸管触发模式采用了移相触发方式，此方式产生的电磁干扰比过零触发严重，由于继续采用了电气控制系统线路分布与装配技术，晶闸管误触发现象没再发生，电气控制系统线路分布与装配优化技术在应用上很有实效。

［1］郭银景.电磁兼容原理及应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［2］张松春，竺子芳，赵秀芬，等.电子控制设备抗干扰技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，1989.

The Optimized Design of the Electric Circuit Distribution and Assembly Technology in Temperature Control System

ZHANG Xiyu

（The High School Attached To Hunan Normal University，Changsha 410006，China）

This article briefly describes the main difficult problems which the temperature control system needs to solve，and elaborated the optimized design measures of line distribution and assembly with emphasis on each important link.The practical implementation of these measures is also demonstrated.

Electric circuit distribution and assembly；Temperature control system；The electric circuit string harasses；Line-to-ground

TN703

B

1004-4507（2016）10-0051-04

2016-09-14

张奚语（1999－），男，湖南长沙人，湖南师范大学附属中学，学生，课余从事电子技术的应用研究。