多約束條件下低壓開關柜電磁兼容改造設計分析

沈志剛

(廈門華夏國際電力發展有限公司，福建 廈門 361026)

0 引言

現代工業控制中，低壓電動機作為執行單元，每一個生產子單元都起著關鍵作用。隨著生產工藝和操作要求的不斷提高，分散控制系統(distributed control system,DCS)原有的粗放型架構已無法滿足需求，基于優化和精密控制的角度，需要采集更多過程參量。為滿足這一需求，低壓電動機開始向智能化、集成化方向發展，智能型電動執行器獲得廣泛應用，智能泵等技術也逐漸興起[1]。

低壓開關柜作為各類電動機的控制和保護機構，同樣隨著工業自動化進程不斷升級換代。早期的開關柜一般以硬接線回路將斷路器、接觸器和常規繼電器等普通電氣元件組合，實現對電動機的控制和保護。隨著低壓電動機的技術發展，智能低壓開關技術也在礦山[2]、鋼鐵[3-4]、造紙[5]、水處理[6]等各個行業廣泛應用，基于現場總線和通信技術的智能馬達控制中心(motor control center,MCC)成為主流設計。

低壓電動機與低壓開關柜的技術發展又有一定的獨立性，如智能型電動執行器投入工業應用的時間較早，其相關工業標準較早可追溯到2001年[7]。隨著其先期在各個工業企業推行，智能化設備電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)問題的研究開始成為低壓電氣領域的焦點，如發電廠[8]、變電站[9]等強電磁環境研究以及對標準的解讀分析[10]。然而，現有的研究和設計中多關注整個系統設備的新建設計，恰好忽略了前述的工業技術進程帶來的問題。在規模以上的較早期生產企業，以普通300 MW火力發電廠為例，電動執行器開關柜數量在整個生產系統低壓配電占比約20%，原始設計為普通電動執行器配合傳統開關柜，依技術發展進程對先進行智能型電動執行器進行改造。這個改造進程將是長期持續的，從而使開關柜趨向混裝結構。長此以往產生的開關柜電磁兼容改造設計難題，也就是本文的主要研究方向。

1 電磁兼容影響

討論電動執行器及配套開關柜的電磁兼容影響，首先需要明確其在工業生產過程的作用。在對系統功能安全的研究中[11]，執行器作為三個子單元之一，在多數評估中已由于較低的可靠度而拉低系統的整體安全性，如化學儲罐的緊急斷料閥和大型風機的出口電動閥。當其單方面改造為智能型電動執行器后，會因為集成電子電路的使用而產生各種電磁兼容問題。

以前述的風機系統為例，風機保護事故樹如圖1所示。

圖1 風機保護事故樹

對于低壓抽出式成套開關設備，電磁兼容條文[12]即是“在正常運行條件下，不裝有電子電路的成套設備不受電磁騷擾，因此不需進行電磁兼容性試驗”。故較早期的開關柜和控制系統保護信號如圖1所示。檢測風機系統高壓電機開關合閘觸點、出口電動閥行程關到位觸點以及出口電動閥行程開未到位觸點。

當低壓開關柜出現電壓暫降、短時中斷和電壓變化擾動時，對于原始的機械計數齒輪壓動的兩組微動行程開關是無影響的。但智能電動執行器由于其行程觸點信號是經電機轉動值編碼器-主控板-繼電器板一系列電子電路設備轉換輸出，在實際試驗過程中經常會因擾動而初始化，使其行程觸點輸出由開到位瞬變為關到位，進而使風機系統分閘保護信號誤動作，造成生產子系統意外停運。這種擾動影響對于電動執行器而言是設置參數的初始化、反饋信號的誤發，以及執行器因初始化未重新設置造成的拒動，對于整個生產過程則意味著事故。更為極端的影響還有化學儲罐爆炸事故。在文獻[13]～文獻[15]中，閥門故障以及誤操作泄漏均是爆炸事故樹中結構重要度系數最高的基本事件。

此外，還有共模傳導騷擾的影響。和電壓暫降影響不同，傳導騷擾電壓會直接作用在電動執行器控制信號電纜端口。當騷擾電壓上升到一定閾值，會直接導致電動執行器誤動作，使其控制的工質發生非預期的關斷或開啟。這種干擾影響雖較前述略小，但由于騷擾的長期存在，對生產子系統的能效和可靠性持續影響極大。

2 約束條件

如前所述的早期生產企業低壓開關柜，在正常技術沿革進程改造設計中將面臨以下約束條件。

2.1 負載約束

開關柜下端負載兼有普通型電動執行器與智能型電動執行器，混裝結構帶來的約束不僅需要設計兩種不同的開關型式，且需針對智能型設備的電磁兼容水平[16](即GB 14048.1中表24“抗擾度驗收標準”，設備抗擾度不明的情況下，應統一視為C級)設計布線系統。在一般的純智能型設備開關柜中，僅有電源布線，信號及指令電纜是由DCS或其他控制系統直接敷設到就地設備。混裝柜內則匯集電源電纜、信號電纜、指令電纜共同敷設到就地設備。

這種布線系統是設備歷史沿革的一部分，通常整套開關柜下端負載約80～100個，電纜數量是其2～3倍；各電纜長度根據就地設備的分布，一般為150～300 m不等，更換布線系統的時間成本及人力成本將遠超出開關柜改造本身。而在留用這些電纜時，如不考慮專門設計柜內布線系統，對信號指令電纜與電源電纜之間加以屏蔽隔離，信號電纜將會因電源電纜的交流電壓出現容性耦合感應電。其電壓與線間寄生電容、信號電纜對地阻抗及電纜電壓成正比。通常，兩個平行絕緣導線間隔0.25 cm時，其寄生電容大約為50 pF/m，而開關柜至就地設備的物理距離會將這一數值放大很多。電動執行器開關柜布線系統如圖2所示。

圖2 電動執行器開關柜布線系統圖

2.2 環境約束

受前述的負載和電纜約束，機柜改造必須依據原機位布置，從而也需考慮原機位的周邊環境約束。這些約束不僅是空間尺寸的限制，還有周邊的工業電磁環境。標準定義[17]如下。

①由高壓或中壓變壓器供電的電力網，專用于給制造廠或類似工廠的設備供電。

②工業、科學和醫療設備。

③頻繁合、切的大容量感性或容性負載。

④大電流及其伴隨的強磁場。

以發電廠電動閥MCC為例，在其周邊5～10 m距離應布置軸封加熱器、6 kV開關室、發電機封閉母線等高中壓線路和大容量負載。對于這些電磁干擾來說，機柜屏蔽體壁的厚薄對于屏蔽效果差異不大，反而是過孔和縫隙這些結構上的細微之處會極大影響地屏蔽效果。結合前文，如空間尺度對開關柜結構造成擠壓，會因結構調整導致額外的非標準搭接和縫隙，同時周圍熱源體(如蒸汽管道)對機柜散熱的影響也會導致散熱孔增加，從而在屏蔽體壁上形成過多的過孔，降低抗擾性能[18]。屏蔽體結構干擾原理如圖3所示。

由圖3可以看到，由于屏蔽體壁結合處縫隙形成的電壓ΔU，經分布電容產生對內部電路的干擾可能。而過孔阻抗的存在則實際形成作用于工作電路的干擾壓降ΔU1。

圖3 屏蔽體結構干擾原理圖

2.3 接地約束

接地問題是電磁兼容設計中的重點。早期低壓開關柜并無較嚴格的接地設計，考察多數開關柜僅依賴機位下金屬框架及地腳螺栓實現接地。這種接地系統在改造中如未作優化處理，將會由于金屬地框的外形缺陷而產生共模噪聲。

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產生共模電壓降UCM，激勵向外連接的電纜，使之成為一個輻射天線，產生共模電流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抑制和消除。但受早期布線系統的影響，基本上電源電纜是無屏蔽層的，甚至部分信號電纜也有此問題，從而造成在接地約束之外，還有與之關聯的屏蔽約束。在早期工廠環境下部分接線方式較為隨意，更進一步降低了屏蔽的有效性。“Pigtail”即典型的屏蔽電纜接線EMC問題，把屏蔽層在信號端口附近擰成較長豬尾巴狀接地，相當于在屏蔽層上串聯一個數十納亨的電感，產生共模電壓，使屏蔽層變成輻射天線。

2.4 上端約束

在改造設計中，上端電能質量是一項基礎而可變的約束。如前文的電磁兼容影響分析所述，大多數智能設備對于電壓暫降、短時中斷和電壓變化擾動耐受度是有限的，在雙路電源輸入冗余互備運行作為低壓開關柜普識設計的情況下，電源輸入穩定性尤其是主路電源的穩定性，直接關系到開關柜電壓變化擾動參數。一種常見的問題是主路電源帶病運行，開關柜具有雙路電源自動切換設計，主路、輔路切換時間均為1 s，主路優先。此時，當主路電源出現短時故障后復位，開關柜將會出現兩次電壓瞬變，對下端智能設備干擾極大。

此外，在文獻所述的智能型MCC技術中，除開關柜自身的各項控制技術外，還提出如RS-485總線等的外部數據接口設計。而該技術在機柜改造設計中尤需注意。較大型的工業企業均已配置了DCS。該系統作為整個工業生產過程的控制核心，已有一系列的設計規范。其中很重要的一點即是單點接地設計，即所有輸入信號均在DCS機柜側使用DCS接地。然而較多的成套設備廠家在接口設計時，均會附帶自身設備接地線以實現一體接地。當這樣的通信數據線接入DCS將會造成兩點接地。由于開關柜地阻抗與DCS地阻抗的差異，會形成地環電流，從而對DCS造成干擾。這也是DCS對接入外部總線較為謹慎的原因，一般需要針對外部通信數據接入開發專用模塊。

2.5 擴展約束

從企業的角度出發，改造設計必須慮及后續的替換需求，而且后續的替換應能較快捷地模塊化操作。模塊設計應包含開關單元和布線單元的。本項約束與第一項約束是一體兩面的問題，也是低壓開關柜在電磁兼容設計實現標準化的關鍵。

3 設計思考

結合上述的約束條件，檢索梳理低壓開關柜近年來的技術發展，在EMC方向上卻并無較為成熟的設計成果。低壓開關柜的技術市場呈現以下局面。一方面，大多數設備廠商和設計研究機構過于關注新建項目和新技術集成，以相互追趕的態勢將研發資源過度集中在尖端新興技術上。另一方面，作為低壓開關柜改造市場主體的規上生產企業，受限于自身約束條件，在改造過程中不斷降低預期，并在開關柜電磁兼容無法滿足的情況下，采用鈍化智能電動執行器功能的方式完成改造。往往一次改造后用戶體驗度極差，繼而使得生產企業延遲后續改造規劃，造成整個改造市場需求呈萎縮態勢。

基于此，提出一種低壓開關柜電磁兼容改造兩端交互驗證設計流程，如圖5所示。

圖5 低壓開關柜電磁兼容改造兩端交互驗證設計流程圖

在整個流程中，由生產企業啟動項目改造，提出項目預期。合作研發單位從調查階段獲得低壓開關柜的環境干擾強度、空間約束、負載混裝分布、數據通信需求等參數，并將部分非必要環節設為虛線。如開關柜上端電源改造，可根據電源質量留用或待整體調試期再行改造。雙方在整體組裝前各自推進改造設計，分別完成相關測試，再結合整體組裝后的測試進行微調；對于部分干擾閾值超限的設備，在其信號輸入端采用濾波、去耦、鈍化等手段降擾。

4 結論

本文分析的低壓開關柜電磁兼容改造現實約束和影響機理，以及提出的電磁兼容改造兩端交互驗證設計流程，對于即將或已經開展低壓開關柜改造的工業企業，有較大的借鑒價值，也有助于厘清研發設計與生產應用間的技術認知差異。

隨著工業4.0概念的提出和中國制造2025戰略的部署，國內各種新興智能技術呈現快速發展。然而也要看到，作為工業主體的大部分規模以上生產企業仍處于工業3.0甚至2.0的技術階段。作為引領和推動技術進步的廣大研發設計單位，不僅要關注尖端技術發展，還應加大與生產企業橫向聯合，協助傳統生產企業建立工業3.5或工業2.5的緩沖技術帶。這樣才能防止工業應用體系出現大規模的技術斷層，補齊木桶效應里的短板，規避反復重建的資源浪費，促進國家工業體系的整體進步。