靖西三線燃驅壓縮機組控制信號干擾探究

王少波 馬智湖

（陜西省天然氣股份有限公司，陜西西安 710016）

0.引言

靖西三線是陜西省天然氣股份有限公司十三五規劃重點工程中的一條長輸管道，沿線分別設置3 座燃驅離心式壓縮機組場站。3 座壓氣站均采用美國索拉透平公司生產的金牛70 干式低排放燃氣輪機和陜鼓動力生產的EB35-5 型離心式壓縮機。機組配套的是索拉公司自主設計的Turbotronic 4 控制系統，該控制系統具有自動化程度高、模塊化結構突出等特點。

1.機組控制系統干擾產生的原因

在場站機組控制系統中，干擾主要來自以下幾個方面：（1）雷電干擾是伴隨著雷電產生的雷電電磁脈沖，以電磁感應作用和電流波形式，引起的各種過電壓對控制系統的影響；（2）機組啟動變頻器和油冷器變頻器主要產生的高次諧波電磁干擾對機組控制系統影響也很突出；（3）同溝鋪設的電纜中產生的電磁干擾（EMI）和無線電頻率干擾（RFI）對IE 儀表敏感的電氣和電子設備、電路容易產生影響。

2.電磁干擾傳播途徑

電磁干擾的傳播一般分為感應耦合、輻射和回路擴散，電磁干擾產生與傳播途徑有密切關系，接下來從電磁干擾的產生介紹常見的幾種傳播方式。

2.1 高次諧波電磁干擾

高次諧波主要由機組使用的AC/DC 調速設備產生，比如場站機組啟動電機和油冷器電機的變頻器，在機組啟動盤車和油冷器變頻器使用時會產生高次諧波，這種諧波會通過變頻電纜傳輸到馬達，使馬達產生過電壓，同時變頻器產生的高次諧波會對同溝鋪設的其他電纜產生影響。從而影響機組控制系統和其他附屬設備的正常運行[1]。如表1 所示為132kW 變頻器使用中的電流諧波量。如表2 所示為加裝濾波電抗器后的電流諧波量。從表中可以看出加裝電抗器有助于過濾電流諧波，削弱電磁干擾對控制信號的影響。在場站機組控制系統干擾整治過程中，在啟動電機變頻器的輸出端加裝電抗器后，機組干擾有了明顯改善。

表1 132kW變頻器使用中的電流諧波量

表2 加裝電抗器后的電流諧波量

2.2 電磁輻射干擾

電磁輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個用電網絡。在控制系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為輻射干擾源。主要是對電纜溝槽架容易產生的強電磁場干擾，直接或者間接輻射到機組控制系統和相關電氣設備。在機組啟動盤車或者停機慢轉時，啟動變頻器和啟動馬達之間的電纜會產生較大的電磁輻射，同時在變頻器接地排上易產生交流電從而影響機組燃氣發生器轉速（NGP）信號干擾。

2.3 感應耦合電磁干擾

感應耦合電磁干擾是通過電路之間的互感把兩個或多個電路連接起來。這種效應類似于變壓器的交感效應，空氣和土壤是電磁波的傳播介質。在金屬結構上產生的感應電壓不僅會干擾結構本身及其接地保護系統，而且會對接觸結構及其附件的設備造成危險。如果動力電纜和控制電纜沒有按照要求進行鋪設，同溝的動力電纜會對控制電纜在電纜槽內產生感應耦合電磁干擾。場站機組動力電纜和控制電纜鋪設混亂并且有交叉現象，這也是導致機組控制系統信號干擾的一個重要原因。

3.處理機組控制系統信號干擾的方法

為了有效抑制和處理機組控制系統干擾，總體原則是抑制或消除干擾源，切斷干擾對機組控制系統的影響。具體應該從以下幾個方面排查：（1）機組控制系統接地整改；（2）機組線纜的鋪設和選型；（3）動力電纜和控制電纜的屏蔽處理；（4）變頻器高次諧波的處理。

3.1 機組控制系統接地整改

機組控制系統正確的接地是設備可靠運行以及操服人員安全操作的關鍵因素。控制系統的良好接地有助于保護電氣設備免受其他鄰近電氣設備以及配電系統上的瞬時干擾[2]。在機組控制系統中，為了減少電氣設備噪音、配電影響和控制信號干擾，機組UCP 柜內的接地系統要符合機組廠家的相關接地規范要求，保證機組控制系統接地“干凈”。

3.1.1 機組接地要求

索拉燃機控制系統接地分為：框架接地（FG）、電源接地（PE）、儀表接地（IE）、危險區域儀表接地（HAIE）。按照索拉接地規范要求，這四種接地都應該分別獨立接出至各自的接地極上，其中HAIE 接地線從UCP 柜引出后接至IE 接地極上。機組UCP 柜內地接地母排到接地極之間的接地線線規應該不小于16mm2，接地電阻小于5Ω，每個接地母排對地電壓不超過250mV，確保每個接地極對地絕緣良好。索拉機組控制系統接地如圖1 所示。

圖1 索拉控制系統接地示意圖

3.1.2 機組接地極鋪設要求

接地極是接地系統的一部分。接地極是埋在大地的一種導體，它是用來維持與它相連導體在大地上的電勢，并將傳到它的電流消散到大地。在索拉燃機接地規范中要求控制系統的IE、PE、FG 接地極分布成邊長為5m 的等邊三角線,接地極銅棒應插入霜凍線以下76cm，周圍應澆筑一定厚度的混凝土或其他接地增強性材料，保證接地良好。

3.2 機組電纜的選型和鋪設

機組電纜分為動力電纜、控制電纜、變頻電纜和通訊電纜4 種。在電纜的選型和鋪設上應該予以重視，嚴格按照國家規范進行鋪設。在項目設計和建設施工時就應該嚴把質量關，不要等到鋪設完畢后再去檢查更換，那樣就得不償失。

3.2.1 機組電纜的選型

對容易產生電磁干擾的變頻器，應選用鎧裝、總屏蔽加分屏蔽的專用變頻線纜；對開關量信號（如開關鑰匙、壓力開關、溫度開關等）一般對電纜無特殊要求，可選用帶總屏蔽電纜；模擬信號和高速頻率信號（如機組轉速電纜）應選用總屏蔽加分屏蔽電纜[3]；機組對通訊電纜的穩定性要求高，應選擇設備生產廠家推薦的專用電纜，目前場站機組的通信電纜選用的是具有A/B 通道的同軸電纜。

3.2.2 機組電纜的鋪設

為了有效抑制電磁干擾對機組控制系統的影響，在鋪設電纜時，應將控制電纜線和動力電纜分別鋪設在不同的溝槽，同時機組的變頻電纜和動力電纜同溝鋪設時要間隔一定距離且做好屏蔽保護。在無法避免動力纜和控制纜交叉的地方應用套管保護并按照要求間隔一段距離，間距不少于40cm，如果有條件可以對動力電纜槽架分段做接地，如表3 所示。在場站整改過程中對所有動力電纜和控制電纜有交叉的位置采用套管加屏蔽的方法來降低電磁干擾。

表3 信號電纜與動力電纜平行鋪設長度對應的最小間距

3.3 線纜的屏蔽

強電回路中的控制線纜，由于其本身的信號較強，因此除了在超高壓配電裝置外，均可選用不帶金屬屏蔽的控制電纜。弱電信號控制回路使用的控制電纜，當位于存在干擾影響的環境，又不具備有效的抗干擾措施時，宜選用帶金屬總屏蔽和分屏蔽的控制電纜，以防止電磁干擾對低電平信號回路產生誤動作，弱電回路的控制電纜應與動力電纜拉開足夠的距離。現場線纜屏蔽選擇的原則是：（1）開關量信號，可用總屏蔽；（2）一般模擬信號，宜采用對電纜的總屏蔽，或者用電纜的分屏蔽；（3）高速頻率的模擬量信號，應該采用金屬總屏蔽加線芯分屏蔽的單芯電纜；（4）變頻電纜，應采用總屏蔽加3E 屏蔽及鎧裝的專用電纜。

場站每種電纜屏蔽的接法如下：（1）針對開關量信號電纜，只需將電纜的總屏蔽在UCP 柜端接PE 接地排，設備端的總屏蔽可接設備外殼或者懸空不接；（2）一般模擬量信號電纜，總屏蔽在UCP 柜端接IE 接地排，設備端總屏蔽接外殼或者懸空不接；（3）對高速頻率的模擬量信號（如機組轉速信號）電纜，總屏蔽兩端接地，在UCP柜端的總屏蔽接PE 接地排；線芯的分屏蔽單端接地，分屏蔽在速度探頭端懸空不接，在UCP 柜端通過浪涌保護器接入到速度模塊；（4）針對變頻電纜，鎧裝和總屏蔽及3E 屏蔽都應該兩端分開接地，要求每個接地扁鐵的接地孔最多接兩根同類型的接地線，鎧裝和總屏蔽應分開接地；（5）對于通訊電纜，應在設備測對總屏蔽做接地線并接至接地扁鐵上與其他類型的接地線盡量遠離。

3.4 變頻器諧波對機組控制系統的影響

機組的啟動系統均采用電驅動，其原理是機組控制系統把信號傳輸到變頻器，變頻器根據控制邏輯不斷增大啟動電壓和啟動電流，啟動馬達拖動燃機的燃氣發生器轉子開始轉動。變頻器在整流和逆變過程中對控制回路產生電流高次諧波，如果現場設備接地不良的話，這種諧波會干擾臨近的控制電纜或設備。

3.4.1 變頻器諧波產生的原因

對于變頻器輸入端通過變壓器和整流器將MCC 柜輸入的交流電轉化成直流電壓，再經過電容濾波逆變為頻率可變化的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統對其他輸電線路產生影響。對于變頻器的輸出端諧波的產生發生在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM（脈沖寬度調制）載波信號影響成為脈沖波形，這種諧波的產生即影響同溝鋪設電纜還會影響變頻器接地扁鐵上的其他接地設備。

3.4.2 抑制諧波干擾措施方法

諧波的傳播是通過輻射和傳導，解決傳導干擾主要是在電路中把傳導的高頻電流隔離和過濾掉；解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。具體常用方法有：（1）變頻器電源與其他設備供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側安裝隔離變壓器，切斷諧波電流；（2）在變頻器輸出端串接合適的電抗器或諧波濾波器，吸收諧波和增大電源或負載的阻抗，達到抑制諧波的目的。建議當MCC 間距離現場設備超過200m 時應該加裝電抗器；（3）變頻電纜在穿越交叉的其他設備電纜時應穿鋼管鋪設并與其他動力電纜相隔一定距離（不得小于40cm），嚴禁與控制電纜同溝鋪設，避免輻射干擾；（4）變頻電纜接地應該嚴格按照索拉規范接地，鎧裝、總屏蔽和分屏蔽都應在設備端和變頻器端兩端接地且各接地線不得混接在一起；（5）變頻器端電纜的接地與通訊電纜接地不能搭接要相隔一定的距離，防止諧波影響通訊電纜信號傳輸。

4.結語

機組控制系統干擾一直影響場站平穩輸氣，場站經過不斷摸索和整改，終于把機組控制系統問題徹底解決掉。現對處理過程進行總結如下：（1）機組控制系統接地和建筑防雷接地應該分開并做好絕緣，防止雷電對機組控制系統的干擾；（2）機組控制系統接地應該按照索拉規范建立獨立、可靠的接地系統并確保接地良好；（3）對大功率變頻器等設備根據需要加裝電抗器并對變頻電纜按照上述要求做好屏蔽層接地；（4）變頻器通訊電纜的同軸電纜A/B 通道做接地并單獨接在接地扁鐵上；（5）對一些非4mA ～20mA 的模擬量信號的重要電纜，應該選用總屏蔽和分屏蔽的控制電纜并與動力電纜分溝鋪設；（6）嚴格把控施工質量，按照相關規范進行電纜的選型和鋪設及接線。