新型防雷及抗干擾方法在電鏟控制系統的應用

陳美蓉

（江西銅業股份有限公司德興銅礦，江西 上饒 334224）

1 引言

電鏟是露天礦山的主要采掘設備之一，具有生產能力強、作業效率高、使用成本低等突出優點。電鏟弱電控制系統是電鏟正常可靠運行的關鍵，但在實際生產過程中，由于電鏟特殊的供電條件、惡劣的工作環境以及自身的工作特性等方面因素影響，電鏟弱電控制系統容易受到各種雷擊及電磁干擾影響，出現控制邏輯混亂、數據錯誤、板卡損壞、系統死機、保護失靈等現象［1-2］，導致電鏟內部設備無法正常運行，嚴重時甚至危及電鏟整體設備安全。

雷擊或電磁干擾造成電鏟控制系統故障或損壞從而引起電鏟工作異常，已成為影響采礦場采掘作業安全生產的重要因素之一。因此，為了保證采礦場電鏟安全可靠運行，必須對電鏟弱電控制系統采取防雷及抗干擾防護方法。

2 電鏟控制系統雷害及干擾問題

2.1 電鏟控制系統運行現狀

以WK-35電鏟［3］為例，控制系統是由HMI人機界面、PLC核心控制、FCS現場總線組合的自動化系統。圖1是電鏟控制系統原理框圖。HMI實時監測及顯示電鏟各類參數及運行狀態，PLC實現整鏟運行的邏輯控制及閾值保護，FCS實現離散控制與狀態采集。

圖1 電鏟控制系統原理框圖

二次控制電源AC220V由礦山采場移動變提供的高壓(6kV)單回路電源經電纜送至電鏟，經過鏟載6.3kV/0.4kV主變壓器降壓后提供。由于受以下幾種因素影響，電鏟控制系統容易受到各種雷擊及電磁干擾影響［5］。

（1）遠距離輸電及地質條件易受雷擊影響［4］；

（2）礦山及電鏟內沖擊性負荷及間歇性負荷為主要負荷，導致電源存在過電壓及干擾；

（3）設備及運機電纜易發生短路接地故障，導致存在過電壓；

（4）供電網絡存在電壓波動及振蕩；

（5）電鏟作為運機設備無法可靠接地。

2.2 雷擊對電鏟控制系統的影響

大部分二次控制系統的雷擊事故，是由直擊雷或感應雷從供電電源側侵入導致［6］。江銅大山35kV架空線路由于網絡大，易受雷擊，雷電波在供電線路上傳導會侵入弱電系統。如，35kV線路遭受雷擊，雷電波可能沿線路通過移動變向6kV鏟用變傳播。如果雷擊過電壓達到6kV避雷器或過電壓保護器的動作閾值，避雷器或過電壓保護器將會動作。6kV避雷器或過電壓保護器與鏟用變之間的電纜長度為L，則雷電波施加在鏟用變高壓側繞組入侵電壓約為：

式中，Uh為雷擊時雷電波入侵電壓，kV；Up為6kV避雷器或過電壓保護器動作后的殘壓，kV；a為雷電波變化速率，kV/μs；l為6kV避雷器或過電壓保護器與鏟用變之間的電纜長度，m；v為雷電波的入侵速度，m/μs；L為接地引下線等效電感，μH；i為通過泄放的雷電流，kA。

假設供電線路遭受10kA(8/20μs)的雷電波入侵，觸發6kV避雷器或過電壓保護器動作，其動作后殘壓一般不超過20kV，同時接地引下線等效電感L按照1μH考慮，di/dt按照1.5kA/μs考慮，計算得出接地引下線的電壓降為1.5kV。L按照50m考慮，雷電波入侵速度約為300m/μs，則由式（1）可得侵入鏟用變高壓側繞組的電壓最大值約為Uh=20+2×1.5×50/300+1.5=22kV。

根據變壓的電磁感應原理，入侵電壓Uh經鏟用變電磁耦合到低壓側繞組的最大過電壓為：

式中，Ud為耦合至鏟用變低壓側的等效雷擊過電壓值，kV；k為鏟用變的變比；Z1為鏟用變高壓繞組的等效高頻阻抗，Ω；Z2為鏟用變低壓繞組的等效高頻阻抗，Ω。

取鏟用變高低壓繞組對雷電波的等效高頻阻抗分別為500Ω、50Ω，則由式（2）可求得Ud≈2.4kV。

此外，由于變壓器繞組間存在鄰近電容（圖2），高壓側雷擊過電壓有可能通過電容效應耦合至變壓器的低壓側繞組。

圖2 繞組間電容傳遞過電壓等效電路

當變壓器高壓側受到雷擊時，通過高低壓繞組間相互電容C12與低壓側對地電容3C0共同形成電容耦合回路，雷擊過電壓Uh耦合至低壓側繞組，在低壓側繞組產生過電壓U2，則有：

在不考慮傳輸導線對雷擊過電壓的衰減作用下，雷擊傳輸至變壓器低壓側的過電壓最大值約為6.32kV。電鏟變壓器低壓側避雷器未裝設或不可靠時，雷擊過電壓會直接影響電鏟的整個低壓系統。由于變壓器、電機等設備絕緣耐受能力高，一般不會直接造成絕緣擊穿，但可能造成絕緣下降［7］。低壓系統中的弱電控制系統設備及電子元件，特別是電源模塊部分，絕緣耐受能力低，雷擊往往會造成此類設備或元件的擊穿、損壞［8-9］。

此外，由于接地電阻的存在，當雷電流通過鏟用變高壓側6kV避雷器的接地線進入電鏟金屬結構體，再經履帶不可靠接地流入大地時，會造成接地網的局部電位抬升［10］。加之電鏟內空間狹小，電纜槽內往往有弱電設備的各種控制及通訊電纜。因此，在電鏟接地和連接在電鏟上面的電纜屏蔽層存在地電位反擊過電壓的風險。反擊過電壓會在電纜屏蔽層產生電流，通過芯線與屏蔽層之間的耦合作用產生干擾，繼而影響弱電控制系統。

2.3 變頻器對電鏟控制系統的影響

電鏟驅動核心為變頻驅動系統，采用AFE整流/回饋單元+IGBT逆變器組成共直流母線多傳動系統。主電路一般為交-直-交形式，變頻器整流和逆變時均會產生諧波。整流時產生的諧波以6±1k（k為整流脈沖數）為主，該諧波會進入供電系統，形成干擾。逆變輸出時產生的諧波與IGBT開關頻率有關，主要為高次諧波，諧波電流在流經電纜時會向外輻射，造成二次弱電設備的干擾。

變頻器及其他原因產生的干擾進入弱電系統二次電纜的干擾方式，有共模干擾和差模干擾兩種［11］。如圖3和圖4所示，共模干擾是指不同信號回路和接地系統之間的干擾，差模干擾是指信號回路之間的干擾。干擾源對二次電纜的耦合方式有導線直接耦合、分布電容耦合、場強耦合等。

（1）導線直接耦合是指干擾信號通過二次導線直接進入二次系統，從而對二次系統造成干擾，這是最直接的方式，普遍存在。

（2）分布電容的存在，會導致高頻電流在二次電纜外波弱電回路感應出干擾電勢。

（3）雷擊時會產生地電位反擊過電壓，該電壓相當于在雷電流入地點和弱電系統接地之間接入了一個電壓源，該電壓源會對接地的所有回路及端子產生影響，稱之為共模干擾。

（4）由于電纜兩端接地點電位不相等，在電磁耦合的作用，電纜絕緣層形成的電流會在電纜芯線上產生差模干擾電壓。這也是要求控制電纜屏蔽線單端接地的主要原因。

圖3 共模干擾

圖4 差模干擾

3 新型防雷及抗干擾治理方法

3.1 傳統防雷及抗干擾方法

傳統防雷及抗干擾方法的重要共同缺點是：通過接地線接入的接地網的設計制造必須滿足相關標準，才可能具備防雷擊浪涌過電壓［12］的能力，而對于屬于運機設備的電鏟來講，無法做到可靠接地。顯而易見，傳統防雷及抗干擾方法［13-14］在電鏟上的應用效果不佳，這在以往的使用中已得到驗證。

表1 新型防雷及抗干擾方法技術指標

3.2 新型防雷及抗干擾方法簡介

新型防雷及抗干擾防護方法是采用了全新的設計理念、集合了多種新技術和新工藝的專用于弱電控制系統的新一代防雷抗干擾方法。新方法具有電涌防護、抗電源諧波干擾、電源隔離防護、地電位反擊過電壓抑制、浪涌轉移平衡、后端設備保護等功能。

用于電鏟控制系統的新型防雷及抗干擾方法，不完全依賴可靠接地網，特別適用于無法設置可靠接地網的工況。

新型防雷抗干擾防護方法的技術指標如表1所示。

3.3 新型防雷及抗干擾方法實施方案

新型防雷及抗干擾方法的實施包括兩個方面：

（1）變壓器低壓側采用GPAS地電位反擊抑制模塊實現雷電涌流泄放轉移、地電位反擊抑制。接線方案如圖5所示。

（2）弱電控制系統電源側采用TOVS暫態過壓防御模塊實現雷擊過電壓隔離及吸收、電源高頻干擾抑制。接線方案如圖6所示。

圖5 GPAS地電位反擊抑制模塊接線示意圖

圖6 TOVS暫態過壓防御模塊接線示意圖

圖7 電鏟內運行的GPAS模塊和TOVS模塊

如圖7所示，該方法具有性能可靠、安裝維護方便等特點，可以在現場無可靠防雷接地的條件下，為電鏟內弱電控制系統提供雷擊浪涌防護、電源干擾及暫態過電壓抑制、弱電接地干擾抑制及反擊過電壓抑制等多種保護功能。

4 新型防雷及抗干擾方法的應用

新型防雷及抗干擾方法同時采用共模抗干擾技術、差模抗干擾技術、功率阻斷技術、浪涌等電位轉移技術等新型技術。在無接地或接地網不滿足要求的情況下，能對雷擊感應浪涌進行可靠的抑制及防御，有效克服了現有傳統防雷抗干擾設備效果差、可靠性低、需使用接地線接至專用標準防雷接地網的局限［15］，可有效防止雷擊過電壓、各類電源暫態過電壓、耦合引起的共模和差模過電壓及變頻器引起的高次諧波干擾等對弱電控制系統造成損害，極大地提高了弱電控制系統的抗雷擊和抗干擾能力，降低了弱電控制系統的損壞率。

新型防雷及抗干擾方法采用模塊化分體式安裝，安裝方式為冗余帶旁路結構的串聯安裝，具有性能可靠、安裝維護方便等特點。

目前，采區有12臺電鏟安裝了GPAS模塊及TOVS模塊，并已運行將近一年，沒有發生弱電控制系統因雷擊事故而損壞的情況。新型防雷及抗干擾方法的應用，極大地減少了備件維護成本、人力資源成本及設備故障造成停產的經濟損失，經濟效益顯著提高。

5 結論

從原有的電鏟弱電控制系統防雷抗干擾現狀及存在的問題出發，探索研究了一種功能較全面的新型防雷抗干擾方法。

新型防雷抗干擾方法能有效提高電鏟弱電控制系統防雷抗干擾能力，保護設備免受雷擊及干擾損害，極大地降低了設備維修、維護的費用，保障了電鏟的正常運行，經濟效益顯著提高，同時也為其他企業在弱電控制系統防雷抗干擾方面提供了參考。