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天然气压缩机组控制信号干扰成因与解决方法

来源:原创论文网 添加时间:2019-09-11

  燃驱离心式压缩机组(以下简称“机组”)调试初期,由于通讯控制信号干扰引起的机组故障停机占故障总比的80%。机组的异常停机会导致上游气源出口背压过高放空,更严重是会导致生产设备损坏。本文通过对机组控制信号干扰产生的原因进行分析,结合相关的接地规范,总结出一些抑制信号干扰的解决方法。

  一、燃驱离心式压缩机背景介绍

  本文涉及的燃驱离心式压缩机组,采用美国Solar透平公司生产的Taurus 70低排放燃气轮机和陕鼓动力生产的EB35-5离心式压缩机(压缩机型号:EB35-2)。机组配套的控制系统是索拉公司自主设计的Turbotronic 4控制系统和AB公司的控制系统相结合。该系统具有集成化高、信号处理速度快等特点。

  二、机组通讯控制信号干扰产生的原因

  经过现场实践经验总结出在场站机组的整个控制系统中,电磁干扰的产生来源主要有以下几个方面:

  1. 大电流或高电压强烈变化导致感应电子强烈移动的部位;

  2.半导体电力电子器件形成的整流、逆变过程的交直流调速、控制设备运行时, 因电子器件具备非线性特点, 使得回路电流形成方波, 运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。

  综上所述:1、3为偶发性干扰源;2为持续干扰源。

  三、电磁干扰途径

  控制系统电磁干扰一般为回路扩散、辐射、感应耦合,干扰途径与其产生的密切关系,下面从电磁干扰的产生介绍几种常见的干扰传播方式。

  1. 高次谐波电磁干扰

  高次谐波是由现场运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。加装滤波电抗器有助于过滤掉电流谐波,削弱电磁干扰对控制信号的影响。

  2. 辐射电磁干扰

  电磁辐射是由现场大容量的交直流设施瞬间启动、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发生的,造成其余设备瞬间停机或击毁器件。在场站机组启动时,启动电机与变频器之间产生过电压,导致对机组转速(NGP)信号产生辐射干扰。
 

天然气压缩机组控制信号干扰成因与解决方法
 

  3. 感应耦合电磁干扰

  感应耦合电磁干扰往往由于辐射干扰情况造成,但其较为复杂而难以克服,强电磁场辐射设备、线缆过程中,由于电磁感应原理,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,导致机组系统的逻辑控制、逻辑保护发生错误而无法正常运转。

  四、抑制机组控制系统信号干扰的措施

  为了抑制电磁干扰,总的原则是抑制和减少影响信号源、切断干扰途径、提高电气设备和控制系统的兼容性。具体应该从以下几个方面进行着手:

  1. 控制系统接地

  正确的接地是电气设备回路可靠运行以及人员安全操作的关键。信号接地有助于保护电气设备免受来自其他临近电气设备以及配电系统上的瞬时干扰。处于安全目的,保护接地用来消除由潜在波动引起电击的可能性。在控制系统中,为了减少电气噪音,配电影响,信号干扰,接地系统的正确安装要符合规范设计。

  1.1、接地线的要求

  索拉机组控制系统的接地分为:保护接地(FG)、电源接地(PE)、仪表接地(IE)、危险区域仪表地(HAIE)。按照索拉接地规范要求,这四种接地都应该分别独立的接在各自的接地极上,接地线接地线线规应该大于16mm2,控制柜接地母排和接地电极之间的阻抗必须是5Ω或更小。

  1.2、接地电极的布置要求

  接地电极是接地系统的一部分。接地电极是埋在大地的一种导体,它是用来维持与它相连导体在大地上的电势,并将传到它的电流消散到大地。场站接地电极适合垂直埋设。索拉和我国的相关规范中对接地电极的敷设都有各自相关的要求。所以,根据现场的实际情况,在施工过程中可以将两者规范中的要求向结合。

  2. 电缆的选型和敷设

  场站机组的电缆分为控制电缆和动力电缆两种。在电缆的选择和敷设问题上应该足够重视,严格按照相关规范进行,应该的建设初期就严把质量关,不然等到施工项目完成后再去从电缆选型和敷设方面找问题非常的不方便而不好解决。

  2.1、电缆的选型

  在产生强磁场及变频率的干扰系统中,如机组启动马达、油冷器电机的变频器等设备,一般应选用铠装及屏蔽的线缆。开关量信号对电缆一般无特殊要求,可选用一般的电缆,信号传输距离远时,可选用屏蔽电缆。模拟信号及高速信号,应选用屏蔽电缆。通讯电缆要求可靠性高,部分通信电缆的信号频率高,故应选择设备专用电缆,场站机组的通信电缆选用的是同轴电缆。

  2.2、电缆的敷设

  为了抑制感应耦合电磁干扰,在敷设电缆时,不允许将信号线和交流电源线设在同一根电缆里,而且需要把信号线和电源线以及高频信号线(如机组速度传感器的信号线)等保持一定的距离。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0.20m。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0.60m。隔离强电或远离高频干扰源。在现场可采用线缆上套用金属管或金属网的方式降低耦合电磁干扰。

  3. 线缆的屏蔽

  强电回路中的控制电缆, 因为其自身的信号较强,除位于超高压配电装置中或与高压电缆并联外,可以选择无金属屏蔽的控制电缆。当用于微弱电信号控制回路的控制电缆位于受干扰影响的环境中,且没有有效的抗干扰措施时,应选用金属屏蔽控制电缆。防止低电平信号电路中的电气干扰发生误操作或绝缘故障。如果弱电流电路的控制电缆可以从电力电缆拉开足够的距离或放置在钢管中,则外部电气干扰可以减小到允许的极限。现场线缆屏蔽选择的原则是:

  3.1、开关信号可采用全屏蔽;

  3.2、高层模拟信号应使用对线芯的总屏蔽,不使用时也可使用对线芯的单独屏蔽;

  3.3、低电平模拟信号或脉冲信号应由对线芯的分选屏蔽,必要时还应使用含有对线芯部分屏蔽的复合总屏蔽。

  屏蔽层的接地也是线缆屏蔽的一种,属于主动屏蔽。相比较上述的线缆导体屏蔽对电磁干扰的抑制作用效果要好。屏蔽层接地在施工过程中应该注意一下几点:

  3.3.1、机组控制系统模拟信号回路的控制电缆屏蔽层宜采用集中一点接地。其原因是基于确保控制系统正常运行的要求,因此即使干扰电压只有1v左右,也可能造成逻辑判断的错误,而集中一点接地可以避免地面形成环流;

  3.3.2、除了计算机监控系统的控制电缆屏蔽层只允许一点接地的情况外,当电磁感应干扰较大时,其它控制电缆屏蔽层应采用两点接地,当静电感应干扰较大时,则采用一点接地;

  3.3.3、通信线路通常采用两端接地,或采用完全隔离、转换光纤通信等,不受任何干扰。

  3.3.4、双屏蔽或复合屏蔽的外屏蔽层采用两点接地,内屏蔽层采用一点接地。

  4. 变频器谐波影响

  机组的启动系统均采用电驱动,其原理是控制器将控制信号通过变频器给启动电机输出一定的启动电压,使电机拖动燃机转子旋转。在变频器中,进行大功率二极管整流器和晶体管逆变。其结果是在输入和输出回路中产生了高电流谐波,干扰了供电系统、负载和其他邻近的电气设备。在现场机组启动或慢转过冲中,经常遇到上述问题。

  4.1、变频器谐波产生的原因

  变换器主电路一般由AC-DC-AC组成,外部输入电源380V/50Hz通过三相桥路不可控整流转换为直流电压信号。通过滤波电容滤波器和大功率晶体管开关元件的逆变,将其转换成交流变频信号。在整流回路中,输入电流的波形是不规则的矩形波,波形根据傅里叶级数分解为基波和各次谐波,高谐波会干扰输入供电系统。在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形,同样,输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波,而高次谐波电流直接干扰负载。此外,高次谐波电流通过电缆向空间辐射,干扰邻近的电气设备。

  4.2、抑制谐波干扰措施

  谐波传播的方式是传导和辐射。传导干扰的主要解决办法是过滤或隔离电路中传输的高频电流。解决辐射干扰就是隔离辐射源或干扰线。具体常用方法:

  4.2.1、变频系统与其他设备的供电电源独立,或将隔离变压器安装在变频器和其他设备的输入侧,切断谐波电流;

  4.2.2、为了抑制谐波,在变频器输人及输出侧串联匹配的电抗器或谐波滤波器。滤波器的组成必须是LC型(无源滤波器),它吸收谐波,增加电源或负载的阻抗。

  4.2.3、电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰;为避免辐射干扰,在电动机与变频器之间的电缆应穿钢管或用铠装电缆敷设,并与其它微弱电信号敷设在不同的电缆沟槽中;

  4.2.4、信号线采用屏蔽线,布线时与变频器主回路控制线距离在0.30 m以上,避免辐射干扰;

  4.2.5、变频器使用专用接地线,并用粗短接线接地。与其他电气设备相邻的地线必须与变频器线路分开,并应使用短线。

  五、结束语

  控制系统的电磁干扰是一个十分复杂的问题,因此对于电磁干扰的抑制要考虑各方面的因素,具体分析,合理有效地抑制电磁干扰,可以使电气传动控制系统正常工作,保证机组设备的安全稳定运行。在场站工程建设前期,就应该予以重视。首先,场站接地系统设计单位应结合现场实际情况考虑机组供应商对控制系统接地的相关要求进行合理化的布局和规划;其次,监理单位和项目单位应该严格按照规范把好质量关;最好,在项目验交时,整个场站控制系统接地系统应该请有资质的单位进行检测,符合验收规范。不然等到项目完成后,再去整改就会增加难度,即劳民又伤财。

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