1 控制系統在工程應用中最常見的電磁幹擾的分類
因各種電磁幹擾都是一種複雜多變的隨機過程,難以重複,為有效地對其幹擾效應和危害進行正確的評估,不妨根據文獻[1~8]把控制系統在工程應用中常見的電磁幹擾按其性質進行分類(該標準還對這些幹擾的試驗模型和試驗等級作了相應的規定,不同的試驗等級表示不同的抗擾度)。下面分述電磁幹擾的分類和其產生的由來。
a)電壓短時中斷或暫降。與低壓電網連接的控制系統,由於供電電網、變電設備發生故障,或由於負荷突然發生大的變動乃至負荷連續變化,以及供電系統的接地故障均能引起電壓暫降、短時中斷,特別是在控制系統備用電源的切換過程中,必然會遇到電壓的短時中斷。
對DCS,PLC等控制系統,在保證正常運行的前提下,其本身都應具有允許的電壓暫降值和電壓中斷時間(如10 ms或20 ms等)。控制工程的設計就在於如何保證實際可能產生的電壓暫降值和電壓中斷時間小於控制系統正常運行的允許值。
b)電快速瞬變脈衝群(簡稱「群脈衝」)。群脈衝來源於切換的瞬態過程,如:感性負載的切斷;繼電器、接觸器觸點的跳動;高壓開關裝置的切換等。其頻譜範圍為1~100 MHz,甚至可高達300 MHz。
IEC 61000-4對群脈衝的試驗波形作了規定(見圖1)。其特點是上升時間快(5 ns),持續時間短(50 ns),能量低,它們可能會干擾控制系統的正常運行,但通常不大可能引起損壞。但具有較高的重複頻率。
群脈衝總是通過各種耦合途徑作用在控制系統的各埠(包括電源埠和I/O信號、數據和控制埠)。其嚴酷度可以用電壓峰值和重複頻率來表示。
c)浪湧。其主要來源是雷電(包括直擊雷、雷電反擊、雷電電磁脈衝通過靜電感應和電磁感應在電源埠、I/O埠和通信埠造成的電壓浪湧和電流浪湧等)以及包括電源系統的切換瞬變和各種系統故障過程中所造成的幹擾。
浪湧的特點是上升沿的變化速度快(前沿時間為μs級),瞬態功率大,峰值高,所以對控制系統構成的威脅最大。
d)靜電。任何物體間的接觸和分離都會有靜電產生。從控制系統的製造到使用,包括運輸、存放以及操作人員在人機界面上的接觸,都有靜電的釋放。其中人體通過服裝的摩擦、在低導電率地面上的行走以及在低相對溼度的環境下,成為最主要的靜電放電源頭。
靜電系由非常低的能量累積以電容模式儲存在人體或設備表面,由突發觸及使其儲能以極大的速度崩潰放電而成,其頻寬可由數百MHz到數GHz。其放電過程如圖2所示。由圖2可知,由於靜電放電波形的上升沿時間很短,最小可達1 ns左右,電流的變化率很大,其峰值電流可達數十安培,其電磁輻射場可在附近導線上感應出數百伏乃至上千伏的電壓,所以對電路的影響極大,特別是對CMOS器件,因為其氧化膜的耐壓界限一般僅為100~150 V。
e)工頻磁場是最常見的幹擾源。如導體中的工頻電流,變壓器等電力設備的漏磁通等。工頻磁場可以分以下2種情況:
正常運行條件下的電流所產生穩定的磁場,其幅值較小,約1~100 A/m;
故障情況下的電流,能產生幅值較高、但持續時間較短的磁場約300~1 000 A/m,直到保護裝置動作為止。
f)脈衝磁場是由雷擊建築物和其他金屬構架(包括天線杆、接地體和接地網)以及由在低壓、中壓和高壓電力系統中故障的起始暫態產生的。在高壓變電所,脈衝磁場也可由斷路器切合高壓母線和高壓線路產生。對控制系統而言,威脅最大的是雷擊時在空間產生的脈衝磁場。
一般認為,在雷擊點半徑為2 km的範圍內,因為存在有強大的脈衝磁場而視為危險區域。
g)射頻電磁場輻射來源於下列的一些情況,如:系統的操作、維護和檢查人員在使用行動電話或對講機;包括電臺、電視發射臺、發射機以及各種工業電磁輻射源的作用和影響。
射頻電磁場輻射可以使話音系統語言清晰度變壞;圖像顯示系統變得模糊並出現差錯;指針式儀表系統指示錯誤、抖動和亂擺;控制系統失控乃至誤控;模擬信號傳送波形和相位的失真以及數位訊號傳送出錯等。
h)射頻場感應的傳導幹擾主要來源是在開關電源、變頻器等射頻發射設備的電磁場作用下,於控制系統的電源線、通信線、接口電纜等連接線路上產生的傳導幹擾。其頻率範圍為9 kHz~80 MHz。
此外,還有由隔離刀閘切合高壓母線時產生的阻尼振蕩磁場以及由電源開關或雷擊引起的出現在設備埠的振鈴波等。
2 幹擾的耦合途徑
從物理概念上說,電磁幹擾的耦合途經大致有以下5種。
a)導線直接傳導耦合。指電磁幹擾通過信號線和交、直流電源線以及通信線等將信號源或電源裡夾帶的電磁幹擾信號直接傳導給系統。
b)公共阻抗耦合。指幹擾源電路和受幹擾電路之間存在著一個公共阻抗,幹擾電流通過這個公共阻抗所產生的幹擾電壓,傳導給受幹擾電路。
c)電容性耦合。又稱靜電耦合或靜電感應,它是由電路間電場的相互作用而產生的。產生這種耦合的主要原因是電路間存在著分布電容。
d)電感性耦合。又稱電磁耦合或電磁感應,它是由電路間磁場的相互作用而產生的。產生這種耦合的主要原因是電路間存在著互感。
e)電磁場輻射。又稱輻射耦合或遠場輻射,它是電場和磁場相結合的耦合,並通過能量的輻射對電路產生幹擾的。
前4種耦合統稱為傳導性耦合。其中電容性耦合和電感性耦合又稱為近場輻射。
嚴格地說,有關電磁幹擾問題的求解,需要通過麥克斯韋方程組才能得到,該方程組是三個空間變量(x,y,z)和時間(t)的函數。這樣,問題就變得非常複雜,非一般工程技術人員能夠接受和理解。
為此,在工程應用中,技術人員還是採用「電路」的理論按集中參數來近似地求解。所以通常採取如下的假設:用一個連接在兩導體間的分布電容來表示兩導體間存在的一個隨時間變化的電場;用一個連接在兩導體間的分布互感來表示兩導體間互相耦合的一個隨時間變化的磁場。
3 控制工程中抗幹擾的基本途徑
3.1 控制系統的接地和等電位連接
從功能上講,接地的作用有兩個:保護設備和人身安全,如保護地、防雷地、本安地、防靜電地等;抑制幹擾,即為信號電壓或系統電壓提供一個穩定的電位參考點。如工作地、屏蔽地、模擬地、數字地等。
同一個接地裝置往往具有多個接地用途。近10年來,接地系統在概念和技術上都發生了很大的變化,其中最重要的轉變:以前的接地系統是否合格以接地電阻值為準,而現在則側重於接地結構兼顧接地電阻值;特別是控制系統從以往習慣的獨立接地到採用共用接地網實現等電位連接方式的轉變。
3.2 線纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽
在工程中採用雙絞屏蔽電纜來抑制信號傳輸過程中對噪聲的電容性耦合和電感性耦合。但是在相應的國家標準和行業標準裡,對採用雙絞電纜其絞距的選擇沒有作出規定。表1為幾種不同雙絞線的效果比較。其中的噪聲衰減度係指平行導線時的幹擾磁場值和採用雙絞線後的幹擾磁場值之比。由表1可知,雙絞線的屏蔽效果隨每單位長度的絞合數的增加而提高。但絞距愈短,電纜的成本費用也愈高。根據表1的數據並參考某些國外公司的標準,採用絞距為50 mm左右的雙絞電纜
為宜。
對電纜屏蔽層的接地, 許多行業規範原則上是規定一端接地; 另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(即電容性耦合),在雷擊時抑制不了雷電波的侵入。為此,除了內屏蔽層的一端接地外,還應增加有絕緣隔開的外屏蔽層,外屏蔽層應至少在兩端做等電位接地。在雷擊時外屏蔽層與地構成了環路,感應出一電流,該電流產生的磁通抵消或部分抵消雷擊時的源磁場的磁通,從而抑制或部分抑制無外屏蔽層時所感應的電壓。
通常,可利用金屬走線槽或穿金屬管作為外屏蔽層,但必須保證槽與槽之間或金屬管與金屬管之間的連接良好且兩端接地(管線較長時, 宜每隔30 m設一個接地點)。
實踐證明,如果將外屏蔽層直接埋地(或採用金屬網格屏蔽的鋼筋混凝土電纜溝),特別在進控制室前的一段距離L內,它會受到很好的防雷效果。L應符合下式的要求,但不應小於15 m。
控制室的屏蔽方式大體有建築物的自身屏蔽、金屬網格屏蔽以及用金屬板材圍成的殼體屏蔽等幾種。殼體屏蔽效果好,但投資也大,適用於實驗室裝置。建築物自身對屏蔽有一定的功能,但效果不甚理想。而網格屏蔽可以通過網格寬度的選擇來滿足控制系統的需要,最為實用。
網格的大小可以根據控制系統的脈衝磁場抗擾度的大小計算而得。但有一個問題往往被忽視,即一旦採用網格屏蔽後,控制系統的機櫃應該和網
格的側壁保持一定的安全距離。安全距離的大小和網格的大小有關,可以通過計算求取。
3.4 控制系統的浪湧防護
產生浪湧的主要原因是開關的離合和雷電電磁脈衝,其中以雷電電磁脈衝的威脅為最。在進行控制系統防雷設計時,應根據控制系統的特點,將外部防雷措施和內部防雷措施協調統一,按工程整體要求,進行全面規劃,做到安全可靠、技術先進、經濟合理。具體地說,控制系統的雷電防護需要在接地、等電位連接、屏蔽以及合理布線等多方面進行考慮。
在工程上,對於改造項目,由於接地系統、線纜的選型和敷設等這些防護措施都難以改變,採用浪湧保護器(SPD)便成了雷電防護的主要方法。
對於新建的工程,SPD的設置應根據控制系統的防護等級、被保護埠(參數)的重要性以及電纜在室外的敷設長度等因素去確定。不能按「萬無一失」的要求去設計,必須考慮「經濟合理」。
3.5 控制系統的靜電防護
據資料介紹,電子器件硬體的損傷有15%源自靜電。而在這15%中,又有90%源自靜電造成的潛在性失效。這種失效事先難以檢測,只能任其在元器件的生命周期內發生和積累,大大降低了元器件、部件或整機的可靠性。其危害性較那種突發性的失效更大。所以,無論在電磁兼容性(EMC)的研究領域內,或者在電過應力(EOS)的課題範圍內,靜電防護技術都佔有重要的一席。
控制系統的靜電防護除了在系統的開發設計階段應予重要的考慮外,在工程應用中主要應注意如下兩點。
a)保持控制室內的相對溼度在40%~60%之間。北方地區或在乾燥的冬季,因靜電產生的故障事例要遠大於東南沿海地區或其他季節。有資料認為,如將相對溼度控制在65%左右,由於物體表面有層薄薄的水膜,靜電荷可以通過水膜層緩慢釋放,從而就形成不了靜電危害源。
b)如果物體已經攜帶電荷,那麼物體的放電應該緩慢進行,以限制放電電流的變化速度。因為人體是最主要的靜電放電源頭。任何帶電物體都很容易將自己所攜帶的電荷轉移到導電的人體皮膚層上。而後人又通過人機界面將靜電釋放到控制系統中,所以凡是和人接觸的物體,包括地面、工作檯椅等的材質都應考慮其表面電阻率大小的選擇。
表面電阻率小於104Ω/m2的靜電導體材料耗散電荷的速度最快,使用接地方式很容易將其表面所攜帶的電荷釋放掉。但因迅速放電使放電電流峰值很大,一旦放電通道靠近已帶電的控制系統,可能會產生某種損壞。所以這種材料不宜作為防靜電材料。
靜電絕緣材料的表面電阻率大於1011Ω/m2,不能耗散電荷,在靜電敏感環境中嚴禁使用。與靜電導體相比,靜電耗散材料的耗散電荷的速度很慢,很安全。接地的靜電耗散材料也可用於防止靜電積累,一旦物體帶電,也可以安全地釋放這些電荷。
一般認為,防靜電材質的表面電阻率不宜超過1011Ω/m2。對工程上其他的一些抗幹擾的措施,限於篇幅,不再詳述。
4 結束語
近幾年筆者通過控制工程中抗幹擾技術的調查研究,頗有體會。
a)世界上的許多事件,其深層次的基本單元和基本規律並不複雜。控制系統在工程中實際遇到的大多數的電磁幹擾問題往往源於那些基本的幹擾源和基本的耦合途徑。任何的幹擾現象都可以用一些基本的物理概念來解釋,這就是所謂「天道崇簡」。
b)經驗告訴大家,在工程設計階段考慮幹擾的抑制問題,採用的技術方法多而且又非常直接簡單,費用也低廉。如果待到投運過程中發現了問題再去解決,那就要花更高的代價和精力,有時甚至可能會無法徹底解決。