油田生產自動化控制裝置電磁干擾的抑制

馮澤虎

淄博職業學院

1 自動控制裝置電磁干擾的分類

油田生產電子自動控制裝置多位于地下深層工作區域內，在正常工作條件下，會產生對電子自動化控制裝置有抑制作用的載波。這種載波依靠有用功率產生的抑制波，當功率傳送頻率大于1 000 MHz時，便會對傳送的電磁信號產生干擾。產生的干擾信號與有用信號疊加后，會使傳輸信號失真，終端控制器無法識別傳送的信息[1]。電磁干擾的方式可分為靜電磁場對自動化控制的干擾、光感元器件對自動化控制的干擾、磁場間對自動化控制的干擾、電磁輻射對自動化控制的干擾等。

1.1 靜電效應引起的電磁干擾

靜電效應引起的電磁干擾是在較大電場周圍引起的磁場效應，電場對電容元器件形成了磁場之間的耦合，這種耦合電磁感應便對周圍電容產生了靜電干擾。在油田生產工作環境中，大型功率裝置的工作區域周圍存在的較大負載，所引起的磁感應線圈半徑也隨之加大，在發電機正常運轉時，發射的有用功率會達到100 kW。這時、電力傳輸線上隨著交變電流的變化，會產生強大的電磁場，根據安培的右手螺旋定理可以辨別出磁場的方向。通常油井電力傳輸系統的傳輸功率較大，一般電力傳輸線的傳輸電壓能達到10 kV，185芯的電力線每平方米傳輸的電流為400 A，所以整個電力線傳輸的功率為4 000 kW。為了避免傳輸線路的損耗，多數設備線路采用鋁制傳輸線纜，但這種線纜引起的磁場效應波及范圍也會成比例增加，在終端系統處對周圍電容設備產生了磁場效應的耦合，進而引起靜電干擾[2]。

1.2 光感元器件引起的電磁干擾

油田供電系統獲得的電能是電網系統中由直流電轉化為交流電過程而來，主要是因為直流電傳輸的波形信號為恒定均一的幅值，在傳輸過程中不會發生幅值上的變化。例如：在直流供電系統中的波形最大幅值波動關系為±1，那么在傳輸過程中的波形幅值始終保持為+1或-1，在波形上不會發生隨機性的跳動，因此可以在一定程度上轉變為電能。但在正常電力傳輸系統中，由于各個供電設備最大傳輸功率的不同，對要求的幅值變化曲率也不相同。若在極短時間內，電壓幅度變化較大，高電位會立即變為低電位，點電荷的數量也隨即由高電位指向低電位，造成在同頻設備內信號的干擾。

1.3 磁場間引起的電磁干擾

磁場間引起的交變干擾是油田自動化控制裝置系統中由磁感線圈之間引起磁感應的效應變化所致。在自動化控制裝置變壓器磁感線圈變化過程中，由霍爾效應得n1∶n2=B1∶B2，即在同一方向傳輸的控制電流大小相等、方向相同，所引起的磁感應強度的大小與線圈匝數成正比關系，線圈匝數越多，引起的磁感應強度就越大，如圖1所示。例如：在同一傳輸系統中，兩條電力線的傳輸電流大小均為300A，傳輸的方向都由北向南，但傳輸線路中變壓器的匝數A為30匝，B為150匝，那么所形成的磁感線的方向相反，磁場強度B為A的5倍。在A磁感線分析圖中，N極的指向為下端，B磁感線N極的指向方向為上端，兩磁感線的傳輸方向相反，會引起磁場間的相互干擾；當B線圈產生的磁感強度為A線圈產生磁感應強度的5倍時，便會覆蓋住A磁感線的一部分信號，對于鄰區信號產生干擾。

圖1 變壓器線圈匝數與磁場強度對比

1.4 電磁輻射引起的電磁干擾

電磁輻射也會對信號產生一定的干擾。自動化控制裝置中會有一些觸電的元器件，在接通電流的瞬間會產生電火花或電弧，對周圍的空氣產生電磁波輻射。自動控制裝置會吸收外界的電磁波，當電磁波的強度達到一定臨界狀態時，便會對內部的傳輸電子信號產生抑制作用。在油田自動控制裝置設備中，部分部件處于隔離狀態，當設備在正常工作狀態下，會切斷與外部連接的一切電源，這種運轉環境達到一定程度后，便會重新連接。連接過程中會有短暫電流的經過，很可能產生短暫性的接通，這時接頭感應部位會產生電弧或電火花現象，引起周圍空氣的變化效應。開始前的空氣密度稀疏，位于電離層的初始狀態，當火花或電弧擊穿過程中，引起周圍空氣密度迅速增大，分子之間的間隔密度可達到0.001 nm。這時在電弧周圍形成了一圈封閉的電磁場，這種效應產生的電磁場對自動化電力傳輸裝置產生的電磁場具有抑制作用，但自動控制裝置會同時吸收外界產生的電磁信號，使這種由電弧效應引起的磁場強度減弱，對傳輸功率的信號產生對應的抑制作用。

2 抑制技術

2.1 靜電屏蔽

靜電屏蔽技術主要原理為：導體殼內外之間電荷量相等時，可以減少因靜電產生的磁場效應對電子控制裝置產生的影響。圖2為兩組對比試驗，甲組左端的球體內電荷量為“+”的點電荷，外部為“-”的點電荷，形成上端為負、下端為正的等差趨勢。右端球體表面分別代表負電荷和正電荷，形成兩個單獨的個體效應。在左端半球實驗時，兩個半球之間形成等位電差，由公式Q=It可得，電荷量與時間和電流有關系，所以在相同時間內，通過相等的電流所得到的電荷量相等。在甲圖中可以看出，兩個等電位的球體分布的電荷量均勻相等，在正電荷與負電量中和的情況下，使電位差消失，不會引起電位的變化，并且在球內表體產生磁場，形成了靜電屏蔽的效應。在乙組中，兩個點電荷成為兩個單獨的結構主體，左邊半球表面形成負點電荷的表層區域，右端形成正電荷的表層區域，在對等關系下，由正電荷向負電荷發射磁感線，引起磁場效應。由靜電屏蔽實驗得出結論，在油田電子自動化控制系統中，可以采用正負電荷均等的效應來減少電磁效應帶來的干擾。

圖2 靜電屏蔽實驗

2.2 電網干擾抑制

對電網干擾抑制主要從兩方面著手，一方面采用交流穩壓的方式引入電源，另一方面控制傳輸載波的頻率。在這兩方面因素的控制下，才能有效緩解因電磁干擾帶來的弊端。交流穩壓的作用體現在干阻抗元件發射的功率信號容易被電子控制裝置吸收，形成信號之間的復合。高阻抗元件的功率關系式為P=U2R，即在電阻一定的情況下，功率與傳輸的電壓成正比關系，所以在控制電壓的情況下，所傳輸的功率值為一個界定值。當高阻抗元件傳輸的功率與電子自動化控制裝置傳輸的功率一致時，不會形成功率之間的差價，因此也不會吸收多余的電磁信號。另外一種方式中，可在傳輸載波上對頻率大的傳輸信號進行抽樣，對傳輸波形信號頻率進行整形。因為傳輸的波形形狀不發生變化，如果將抽取波形的頻率減為原來的二分之一，就能保證傳輸的功率與幅值不發生原變化。借助帶通濾波器將信號整形，產生的信號為窄波低帶寬信號，保證了高阻抗元件在正常運行時不會發生太大幅度的變化，引起電子自動化控制裝置吸收外源的信號，減弱原有信號的功率。

3 結語

通過對油田生產電子自動化控制裝置信號干擾及抑制分析得出，在干擾因素中靜電和電網引起的干擾最為嚴重，主要是因為油田設備大多采用的是大功率的機械自動化設備，對電流及電壓的要求較高。利用靜電屏蔽和穩壓降頻的方法，能夠在一定程度上緩解對電磁信號的干擾。

[1]李炎亮．汽車電子技術[M]．北京：化學工業出版社，2005.

[2]羅鳴．鄒議電子自動化控制裝置的干擾及抑制[J]．中國科技縱橫，2010，67（12）：6-7.