沈志剛

(廈門華夏國(guó)際電力發(fā)展有限公司，福建 廈門 361026)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)控制中，低壓電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行單元，每一個(gè)生產(chǎn)子單元都起著關(guān)鍵作用。隨著生產(chǎn)工藝和操作要求的不斷提高，分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)原有的粗放型架構(gòu)已無(wú)法滿足需求，基于優(yōu)化和精密控制的角度，需要采集更多過(guò)程參量。為滿足這一需求，低壓電動(dòng)機(jī)開(kāi)始向智能化、集成化方向發(fā)展，智能型電動(dòng)執(zhí)行器獲得廣泛應(yīng)用，智能泵等技術(shù)也逐漸興起[1]。

低壓開(kāi)關(guān)柜作為各類電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)機(jī)構(gòu)，同樣隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程不斷升級(jí)換代。早期的開(kāi)關(guān)柜一般以硬接線回路將斷路器、接觸器和常規(guī)繼電器等普通電氣元件組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)。隨著低壓電動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展，智能低壓開(kāi)關(guān)技術(shù)也在礦山[2]、鋼鐵[3-4]、造紙[5]、水處理[6]等各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，基于現(xiàn)場(chǎng)總線和通信技術(shù)的智能馬達(dá)控制中心(motor control center,MCC)成為主流設(shè)計(jì)。

低壓電動(dòng)機(jī)與低壓開(kāi)關(guān)柜的技術(shù)發(fā)展又有一定的獨(dú)立性，如智能型電動(dòng)執(zhí)行器投入工業(yè)應(yīng)用的時(shí)間較早，其相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較早可追溯到2001年[7]。隨著其先期在各個(gè)工業(yè)企業(yè)推行，智能化設(shè)備電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)問(wèn)題的研究開(kāi)始成為低壓電氣領(lǐng)域的焦點(diǎn)，如發(fā)電廠[8]、變電站[9]等強(qiáng)電磁環(huán)境研究以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的解讀分析[10]。然而，現(xiàn)有的研究和設(shè)計(jì)中多關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的新建設(shè)計(jì)，恰好忽略了前述的工業(yè)技術(shù)進(jìn)程帶來(lái)的問(wèn)題。在規(guī)模以上的較早期生產(chǎn)企業(yè)，以普通300 MW火力發(fā)電廠為例，電動(dòng)執(zhí)行器開(kāi)關(guān)柜數(shù)量在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)低壓配電占比約20%，原始設(shè)計(jì)為普通電動(dòng)執(zhí)行器配合傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜，依技術(shù)發(fā)展進(jìn)程對(duì)先進(jìn)行智能型電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行改造。這個(gè)改造進(jìn)程將是長(zhǎng)期持續(xù)的，從而使開(kāi)關(guān)柜趨向混裝結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)此以往產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)柜電磁兼容改造設(shè)計(jì)難題，也就是本文的主要研究方向。

1 電磁兼容影響

討論電動(dòng)執(zhí)行器及配套開(kāi)關(guān)柜的電磁兼容影響，首先需要明確其在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的作用。在對(duì)系統(tǒng)功能安全的研究中[11]，執(zhí)行器作為三個(gè)子單元之一，在多數(shù)評(píng)估中已由于較低的可靠度而拉低系統(tǒng)的整體安全性，如化學(xué)儲(chǔ)罐的緊急斷料閥和大型風(fēng)機(jī)的出口電動(dòng)閥。當(dāng)其單方面改造為智能型電動(dòng)執(zhí)行器后，會(huì)因?yàn)榧呻娮与娐返氖褂枚a(chǎn)生各種電磁兼容問(wèn)題。

以前述的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為例，風(fēng)機(jī)保護(hù)事故樹(shù)如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)保護(hù)事故樹(shù)

對(duì)于低壓抽出式成套開(kāi)關(guān)設(shè)備，電磁兼容條文[12]即是“在正常運(yùn)行條件下，不裝有電子電路的成套設(shè)備不受電磁騷擾，因此不需進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)”。故較早期的開(kāi)關(guān)柜和控制系統(tǒng)保護(hù)信號(hào)如圖1所示。檢測(cè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)高壓電機(jī)開(kāi)關(guān)合閘觸點(diǎn)、出口電動(dòng)閥行程關(guān)到位觸點(diǎn)以及出口電動(dòng)閥行程開(kāi)未到位觸點(diǎn)。

當(dāng)?shù)蛪洪_(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化擾動(dòng)時(shí)，對(duì)于原始的機(jī)械計(jì)數(shù)齒輪壓動(dòng)的兩組微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)是無(wú)影響的。但智能電動(dòng)執(zhí)行器由于其行程觸點(diǎn)信號(hào)是經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)值編碼器-主控板-繼電器板一系列電子電路設(shè)備轉(zhuǎn)換輸出，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)因擾動(dòng)而初始化，使其行程觸點(diǎn)輸出由開(kāi)到位瞬變?yōu)殛P(guān)到位，進(jìn)而使風(fēng)機(jī)系統(tǒng)分閘保護(hù)信號(hào)誤動(dòng)作，造成生產(chǎn)子系統(tǒng)意外停運(yùn)。這種擾動(dòng)影響對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器而言是設(shè)置參數(shù)的初始化、反饋信號(hào)的誤發(fā)，以及執(zhí)行器因初始化未重新設(shè)置造成的拒動(dòng)，對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程則意味著事故。更為極端的影響還有化學(xué)儲(chǔ)罐爆炸事故。在文獻(xiàn)[13]～文獻(xiàn)[15]中，閥門故障以及誤操作泄漏均是爆炸事故樹(shù)中結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最高的基本事件。

此外，還有共模傳導(dǎo)騷擾的影響。和電壓暫降影響不同，傳導(dǎo)騷擾電壓會(huì)直接作用在電動(dòng)執(zhí)行器控制信號(hào)電纜端口。當(dāng)騷擾電壓上升到一定閾值，會(huì)直接導(dǎo)致電動(dòng)執(zhí)行器誤動(dòng)作，使其控制的工質(zhì)發(fā)生非預(yù)期的關(guān)斷或開(kāi)啟。這種干擾影響雖較前述略小，但由于騷擾的長(zhǎng)期存在，對(duì)生產(chǎn)子系統(tǒng)的能效和可靠性持續(xù)影響極大。

2 約束條件

如前所述的早期生產(chǎn)企業(yè)低壓開(kāi)關(guān)柜，在正常技術(shù)沿革進(jìn)程改造設(shè)計(jì)中將面臨以下約束條件。

2.1 負(fù)載約束

開(kāi)關(guān)柜下端負(fù)載兼有普通型電動(dòng)執(zhí)行器與智能型電動(dòng)執(zhí)行器，混裝結(jié)構(gòu)帶來(lái)的約束不僅需要設(shè)計(jì)兩種不同的開(kāi)關(guān)型式，且需針對(duì)智能型設(shè)備的電磁兼容水平[16](即GB 14048.1中表24“抗擾度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)”，設(shè)備抗擾度不明的情況下，應(yīng)統(tǒng)一視為C級(jí))設(shè)計(jì)布線系統(tǒng)。在一般的純智能型設(shè)備開(kāi)關(guān)柜中，僅有電源布線，信號(hào)及指令電纜是由DCS或其他控制系統(tǒng)直接敷設(shè)到就地設(shè)備?；煅b柜內(nèi)則匯集電源電纜、信號(hào)電纜、指令電纜共同敷設(shè)到就地設(shè)備。

這種布線系統(tǒng)是設(shè)備歷史沿革的一部分，通常整套開(kāi)關(guān)柜下端負(fù)載約80～100個(gè)，電纜數(shù)量是其2～3倍；各電纜長(zhǎng)度根據(jù)就地設(shè)備的分布，一般為150～300 m不等，更換布線系統(tǒng)的時(shí)間成本及人力成本將遠(yuǎn)超出開(kāi)關(guān)柜改造本身。而在留用這些電纜時(shí)，如不考慮專門設(shè)計(jì)柜內(nèi)布線系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)指令電纜與電源電纜之間加以屏蔽隔離，信號(hào)電纜將會(huì)因電源電纜的交流電壓出現(xiàn)容性耦合感應(yīng)電。其電壓與線間寄生電容、信號(hào)電纜對(duì)地阻抗及電纜電壓成正比。通常，兩個(gè)平行絕緣導(dǎo)線間隔0.25 cm時(shí)，其寄生電容大約為50 pF/m，而開(kāi)關(guān)柜至就地設(shè)備的物理距離會(huì)將這一數(shù)值放大很多。電動(dòng)執(zhí)行器開(kāi)關(guān)柜布線系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)執(zhí)行器開(kāi)關(guān)柜布線系統(tǒng)圖

2.2 環(huán)境約束

受前述的負(fù)載和電纜約束，機(jī)柜改造必須依據(jù)原機(jī)位布置，從而也需考慮原機(jī)位的周邊環(huán)境約束。這些約束不僅是空間尺寸的限制，還有周邊的工業(yè)電磁環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)定義[17]如下。

①由高壓或中壓變壓器供電的電力網(wǎng)，專用于給制造廠或類似工廠的設(shè)備供電。

②工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備。

③頻繁合、切的大容量感性或容性負(fù)載。

④大電流及其伴隨的強(qiáng)磁場(chǎng)。

以發(fā)電廠電動(dòng)閥MCC為例，在其周邊5～10 m距離應(yīng)布置軸封加熱器、6 kV開(kāi)關(guān)室、發(fā)電機(jī)封閉母線等高中壓線路和大容量負(fù)載。對(duì)于這些電磁干擾來(lái)說(shuō)，機(jī)柜屏蔽體壁的厚薄對(duì)于屏蔽效果差異不大，反而是過(guò)孔和縫隙這些結(jié)構(gòu)上的細(xì)微之處會(huì)極大影響地屏蔽效果。結(jié)合前文，如空間尺度對(duì)開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)造成擠壓，會(huì)因結(jié)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)致額外的非標(biāo)準(zhǔn)搭接和縫隙，同時(shí)周圍熱源體(如蒸汽管道)對(duì)機(jī)柜散熱的影響也會(huì)導(dǎo)致散熱孔增加，從而在屏蔽體壁上形成過(guò)多的過(guò)孔，降低抗擾性能[18]。屏蔽體結(jié)構(gòu)干擾原理如圖3所示。

由圖3可以看到，由于屏蔽體壁結(jié)合處縫隙形成的電壓ΔU，經(jīng)分布電容產(chǎn)生對(duì)內(nèi)部電路的干擾可能。而過(guò)孔阻抗的存在則實(shí)際形成作用于工作電路的干擾壓降ΔU1。

圖3 屏蔽體結(jié)構(gòu)干擾原理圖

2.3 接地約束

接地問(wèn)題是電磁兼容設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。早期低壓開(kāi)關(guān)柜并無(wú)較嚴(yán)格的接地設(shè)計(jì)，考察多數(shù)開(kāi)關(guān)柜僅依賴機(jī)位下金屬框架及地腳螺栓實(shí)現(xiàn)接地。這種接地系統(tǒng)在改造中如未作優(yōu)化處理，將會(huì)由于金屬地框的外形缺陷而產(chǎn)生共模噪聲。

接地體干擾原理如圖4所示。

圖4 接地體干擾原理圖

不完整的地平面將會(huì)產(chǎn)生共模電壓降UCM，激勵(lì)向外連接的電纜，使之成為一個(gè)輻射天線，產(chǎn)生共模電流ICM。

大部分接地引起的干擾都可以采用合理的屏蔽接線方式來(lái)抑制和消除。但受早期布線系統(tǒng)的影響，基本上電源電纜是無(wú)屏蔽層的，甚至部分信號(hào)電纜也有此問(wèn)題，從而造成在接地約束之外，還有與之關(guān)聯(lián)的屏蔽約束。在早期工廠環(huán)境下部分接線方式較為隨意，更進(jìn)一步降低了屏蔽的有效性。“Pigtail”即典型的屏蔽電纜接線EMC問(wèn)題，把屏蔽層在信號(hào)端口附近擰成較長(zhǎng)豬尾巴狀接地，相當(dāng)于在屏蔽層上串聯(lián)一個(gè)數(shù)十納亨的電感，產(chǎn)生共模電壓，使屏蔽層變成輻射天線。

2.4 上端約束

在改造設(shè)計(jì)中，上端電能質(zhì)量是一項(xiàng)基礎(chǔ)而可變的約束。如前文的電磁兼容影響分析所述，大多數(shù)智能設(shè)備對(duì)于電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化擾動(dòng)耐受度是有限的，在雙路電源輸入冗余互備運(yùn)行作為低壓開(kāi)關(guān)柜普識(shí)設(shè)計(jì)的情況下，電源輸入穩(wěn)定性尤其是主路電源的穩(wěn)定性，直接關(guān)系到開(kāi)關(guān)柜電壓變化擾動(dòng)參數(shù)。一種常見(jiàn)的問(wèn)題是主路電源帶病運(yùn)行，開(kāi)關(guān)柜具有雙路電源自動(dòng)切換設(shè)計(jì)，主路、輔路切換時(shí)間均為1 s，主路優(yōu)先。此時(shí)，當(dāng)主路電源出現(xiàn)短時(shí)故障后復(fù)位，開(kāi)關(guān)柜將會(huì)出現(xiàn)兩次電壓瞬變，對(duì)下端智能設(shè)備干擾極大。

此外，在文獻(xiàn)所述的智能型MCC技術(shù)中，除開(kāi)關(guān)柜自身的各項(xiàng)控制技術(shù)外，還提出如RS-485總線等的外部數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)。而該技術(shù)在機(jī)柜改造設(shè)計(jì)中尤需注意。較大型的工業(yè)企業(yè)均已配置了DCS。該系統(tǒng)作為整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制核心，已有一系列的設(shè)計(jì)規(guī)范。其中很重要的一點(diǎn)即是單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)，即所有輸入信號(hào)均在DCS機(jī)柜側(cè)使用DCS接地。然而較多的成套設(shè)備廠家在接口設(shè)計(jì)時(shí)，均會(huì)附帶自身設(shè)備接地線以實(shí)現(xiàn)一體接地。當(dāng)這樣的通信數(shù)據(jù)線接入DCS將會(huì)造成兩點(diǎn)接地。由于開(kāi)關(guān)柜地阻抗與DCS地阻抗的差異，會(huì)形成地環(huán)電流，從而對(duì)DCS造成干擾。這也是DCS對(duì)接入外部總線較為謹(jǐn)慎的原因，一般需要針對(duì)外部通信數(shù)據(jù)接入開(kāi)發(fā)專用模塊。

2.5 擴(kuò)展約束

從企業(yè)的角度出發(fā)，改造設(shè)計(jì)必須慮及后續(xù)的替換需求，而且后續(xù)的替換應(yīng)能較快捷地模塊化操作。模塊設(shè)計(jì)應(yīng)包含開(kāi)關(guān)單元和布線單元的。本項(xiàng)約束與第一項(xiàng)約束是一體兩面的問(wèn)題，也是低壓開(kāi)關(guān)柜在電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵。

3 設(shè)計(jì)思考

結(jié)合上述的約束條件，檢索梳理低壓開(kāi)關(guān)柜近年來(lái)的技術(shù)發(fā)展，在EMC方向上卻并無(wú)較為成熟的設(shè)計(jì)成果。低壓開(kāi)關(guān)柜的技術(shù)市場(chǎng)呈現(xiàn)以下局面。一方面，大多數(shù)設(shè)備廠商和設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu)過(guò)于關(guān)注新建項(xiàng)目和新技術(shù)集成，以相互追趕的態(tài)勢(shì)將研發(fā)資源過(guò)度集中在尖端新興技術(shù)上。另一方面，作為低壓開(kāi)關(guān)柜改造市場(chǎng)主體的規(guī)上生產(chǎn)企業(yè)，受限于自身約束條件，在改造過(guò)程中不斷降低預(yù)期，并在開(kāi)關(guān)柜電磁兼容無(wú)法滿足的情況下，采用鈍化智能電動(dòng)執(zhí)行器功能的方式完成改造。往往一次改造后用戶體驗(yàn)度極差，繼而使得生產(chǎn)企業(yè)延遲后續(xù)改造規(guī)劃，造成整個(gè)改造市場(chǎng)需求呈萎縮態(tài)勢(shì)。

基于此，提出一種低壓開(kāi)關(guān)柜電磁兼容改造兩端交互驗(yàn)證設(shè)計(jì)流程，如圖5所示。

圖5 低壓開(kāi)關(guān)柜電磁兼容改造兩端交互驗(yàn)證設(shè)計(jì)流程圖

在整個(gè)流程中，由生產(chǎn)企業(yè)啟動(dòng)項(xiàng)目改造，提出項(xiàng)目預(yù)期。合作研發(fā)單位從調(diào)查階段獲得低壓開(kāi)關(guān)柜的環(huán)境干擾強(qiáng)度、空間約束、負(fù)載混裝分布、數(shù)據(jù)通信需求等參數(shù)，并將部分非必要環(huán)節(jié)設(shè)為虛線。如開(kāi)關(guān)柜上端電源改造，可根據(jù)電源質(zhì)量留用或待整體調(diào)試期再行改造。雙方在整體組裝前各自推進(jìn)改造設(shè)計(jì)，分別完成相關(guān)測(cè)試，再結(jié)合整體組裝后的測(cè)試進(jìn)行微調(diào)；對(duì)于部分干擾閾值超限的設(shè)備，在其信號(hào)輸入端采用濾波、去耦、鈍化等手段降擾。

4 結(jié)論

本文分析的低壓開(kāi)關(guān)柜電磁兼容改造現(xiàn)實(shí)約束和影響機(jī)理，以及提出的電磁兼容改造兩端交互驗(yàn)證設(shè)計(jì)流程，對(duì)于即將或已經(jīng)開(kāi)展低壓開(kāi)關(guān)柜改造的工業(yè)企業(yè)，有較大的借鑒價(jià)值，也有助于厘清研發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)應(yīng)用間的技術(shù)認(rèn)知差異。

隨著工業(yè)4.0概念的提出和中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的部署，國(guó)內(nèi)各種新興智能技術(shù)呈現(xiàn)快速發(fā)展。然而也要看到，作為工業(yè)主體的大部分規(guī)模以上生產(chǎn)企業(yè)仍處于工業(yè)3.0甚至2.0的技術(shù)階段。作為引領(lǐng)和推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的廣大研發(fā)設(shè)計(jì)單位，不僅要關(guān)注尖端技術(shù)發(fā)展，還應(yīng)加大與生產(chǎn)企業(yè)橫向聯(lián)合，協(xié)助傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)建立工業(yè)3.5或工業(yè)2.5的緩沖技術(shù)帶。這樣才能防止工業(yè)應(yīng)用體系出現(xiàn)大規(guī)模的技術(shù)斷層，補(bǔ)齊木桶效應(yīng)里的短板，規(guī)避反復(fù)重建的資源浪費(fèi)，促進(jìn)國(guó)家工業(yè)體系的整體進(jìn)步。