淺析變頻電機(jī)對變送器的干擾問題

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們生活水平的日益提高，拉動能源的需求量不斷增大，特別是對石油能源的需求與日俱增，這樣就給石油非常佳輸送方式的管道運(yùn)輸帶來了長足發(fā)展機(jī)遇，然而《安全生產(chǎn)法》 《環(huán)境保護(hù)法》的出臺，長輸管道輸送油氣的安全穩(wěn)定性突顯重要，而各類智能儀表作為油氣輸送不可或缺的“神經(jīng)”單元，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和信號干擾問題也越來越受到人們重視。本文通過生產(chǎn)運(yùn)行中的實際案例，分析了長輸管道站場內(nèi)變頻電機(jī)可能對智能儀表存在干擾，提出了管道建設(shè)和更新改造時要注重儀表的選型，尤其重視儀表的抗干擾問題，以便提高管道運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

引言

    變頻器以其具有節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性，應(yīng)用到了各類工業(yè)生產(chǎn)和生活中，但隨之也帶來了一些干擾問題。現(xiàn)場的供電和用電設(shè)備會對變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運(yùn)行時產(chǎn)生的高次諧波也會干擾周圍儀表設(shè)備的運(yùn)行。主要的電磁干擾，通常是通過電路傳導(dǎo)和以輻射的形式進(jìn)行傳播。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波會對同一電氣連接上的其他電子、設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外，變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)其處于變頻工作時，產(chǎn)生大量耦合性噪聲和電磁干擾。因此，變頻器對同一電氣連接和附近其他的電子、設(shè)備來說是一個電磁干擾源。尤其是對弱電儀表以及變送器的干擾，嚴(yán)重時能夠造成變送器無法工作。

1 變頻器主要應(yīng)用

   在油氣管道行業(yè)中變頻器主要應(yīng)用在輸油泵機(jī)組上，它利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理，將50Hz的市電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源，供給異步電動機(jī)，實現(xiàn)調(diào)速的目的，從實現(xiàn)的功能來看，相對于工頻電機(jī)、變頻電機(jī)能夠通過調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)輸油管道的流量及壓力的平滑調(diào)節(jié)。在滿足生產(chǎn)工藝需求的前提下，與工頻電機(jī)相比，變頻電機(jī)既能提高設(shè)備運(yùn)行的效率，提高功率因數(shù)，又能獲得顯著的節(jié)能降耗效果，并實現(xiàn)平穩(wěn)啟動，不會對電網(wǎng)造成較大沖擊。從長遠(yuǎn)角度考慮，對比直接啟動，變頻啟動可以消除對電機(jī)的沖擊，延長電機(jī)的使用壽命。正是因為變頻電機(jī)的可調(diào)速性和節(jié)能等特點(diǎn)，它在油氣管道行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，但變頻器在使用過程中存在電磁干擾，變頻電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下會對附近的變送器儀表等信號產(chǎn)生干擾，電機(jī)上的溫度變送器和振動變送器尤為明顯。下面以日照-東明原油管道（以下簡稱日東線）為例進(jìn)行說明。

    日東線是一條長距離輸送中東中質(zhì)原油及重質(zhì)原油的輸油管道，起于日照首站，經(jīng)平邑清管站、兗州分輸泵站，終止于東明末站，全長445.9km，全線的設(shè)計壓力均為8.0MPa，設(shè)計年輸量8×10 6 t。管線途經(jīng)日照、臨沂、濟(jì)寧、菏澤四市。兗州輸油站作為日東線中間站，有4臺輸油泵機(jī)組，其中1、2和3號泵為定速泵，4號泵為變頻泵，變頻器是西門子公司生產(chǎn)制造，魯爾泵和西門子電機(jī)附帶二線制，溫度變送器為德國WIKA生產(chǎn)。溫度變送器裝在電機(jī)側(cè)面的變送器箱內(nèi)，直接將熱電阻的電阻信號轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳導(dǎo)到PLC，距離大約150m。振動變送器為德國公司生產(chǎn)，一套泵機(jī)組共有4只，分別裝在電機(jī)和泵的軸承兩端，振動變送器將測量的振動速度信號轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳導(dǎo)到PLC。儀表傳輸線纜均在PLC機(jī)柜做單端屏蔽，在實際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

1）現(xiàn)象1

    當(dāng)4#變頻電機(jī)在2300r/min～2500r/min之間運(yùn)轉(zhuǎn)時，電機(jī)的U/V/W三相繞組溫度變送器均不同程度在PLC端出現(xiàn)報負(fù)值和溫度數(shù)值大幅度波動現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，電機(jī)一次儀表溫度值正常，泵殼溫度軸承溫度等參數(shù)顯示均正常，當(dāng)電機(jī)在其余轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行時三相繞組溫度變送器正常工作。

2）現(xiàn)象2

    當(dāng)4#變頻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，驅(qū)動端一側(cè)振動變送器向PLC輸出振動值無規(guī)則跳變，幅度時大時小，當(dāng)振動值超過PLC設(shè)定停機(jī)值時造成變頻泵事故停機(jī)甩泵，嚴(yán)重影響日東線正常生產(chǎn)運(yùn)行。

    經(jīng)查閱資料及調(diào)研，目前在用變頻器存在3種干擾，下面做簡要介紹。

    諧波干擾：整流電路會產(chǎn)生諧波電流，這種諧波電流在供電系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變，這種畸變的電壓對于許多電子設(shè)備形成干擾，這種干擾尤其會對同一電網(wǎng)的其他弱電系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的干擾，而且不受距離限制。

    射頻輻射干擾：用通俗的話來講，變頻器在運(yùn)行中，的輸入輸出電纜就相當(dāng)于一根天線，電纜上傳輸?shù)腜WM電壓會產(chǎn)生電磁波輻射，對靠近電纜和變頻器的區(qū)域發(fā)出干擾輻射，其他電子設(shè)備離得越近，干擾現(xiàn)象越嚴(yán)重。

  射頻傳導(dǎo)發(fā)射干擾：由于負(fù)載電壓為脈沖狀。因此，變頻器從電網(wǎng)吸取電流也是脈沖狀，這種脈沖電流中包含了大量的高頻成分，形成射頻干擾。

   由于電磁干擾的形成必然需要3個要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)，本著對目前生產(chǎn)運(yùn)行模式影響較小且考慮到經(jīng)濟(jì)效益等因素，在問題發(fā)生時，首先從第三個要素也就是對電磁干擾敏感的系統(tǒng)下手，維護(hù)人員從干擾產(chǎn)生到PLC上位機(jī)整條信號線路進(jìn)行了分析并逐一排查，從測溫電阻到變送器、設(shè)備內(nèi)部線路、端子排、場區(qū)內(nèi)儀表信號電纜和浪涌保護(hù)器，非常后連PLC模塊也不放過。并非常終得出以下結(jié)論：

   ① 發(fā)生問題的溫度變送器屬于不帶隔離的變送器，抗電磁干擾性能較差，當(dāng)電機(jī)在變頻運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，對距離較近的電子設(shè)備產(chǎn)生較大電磁干擾，導(dǎo)致變送器輸出電流波動較大，干擾嚴(yán)重時變送器停止工作并固定輸出2mA故障電流，在站控機(jī)上顯示為負(fù)值。

   ② 同樣對振動變送器做了分析測試，將出現(xiàn)問題的振動變送器安裝在工頻運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)上時，測出的振動數(shù)值與手持測振儀相差無幾，當(dāng)安裝在變頻電機(jī)上時測出的振動數(shù)值波動異常敏感，與手持測振儀相差較大。由于此變送器殼體為全金屬外殼，且內(nèi)部經(jīng)過注塑處理，無法打開。因此，判斷為此變送器抗干擾元件或結(jié)構(gòu)受損導(dǎo)致輸出電流異常。

   為徹底解決該問題，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，采購了羅斯蒙特生產(chǎn)的644R一體化溫度變送器，此型號溫度變送器為三線制且輸入輸出信號之間有隔離，抗干擾性能較強(qiáng)，將此變送器安裝在變頻電機(jī)后經(jīng)過測試，電機(jī)三相繞組溫度均顯示正常。同時還調(diào)研選購了一臺抗干擾性能較強(qiáng)、型號為VIB-C的國產(chǎn)振動變送器，替代變頻電機(jī)上的振動變送器，不僅測試中振動數(shù)值顯示正常，后期生產(chǎn)運(yùn)行中都未出現(xiàn)異常。

2 結(jié)束語

     在管道建設(shè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，尤其在設(shè)計期間，通常采用屏蔽接地等方法來提高系統(tǒng)和設(shè)備的抗干擾性能，但是實際運(yùn)行中往往存在各種缺陷造成干擾現(xiàn)象的發(fā)生，日東管道問題事例也說明了變頻對溫度變送器和振動變送器的干擾帶來的不良影響。因此，在管道建設(shè)或更新改造中，設(shè)計部門和非常終用戶都需要充分考慮設(shè)備之間的干擾，即在干擾嚴(yán)重的區(qū)域選用可靠性較高、抗干擾性能較強(qiáng)的儀表設(shè)備，確保其成為保護(hù)管道平穩(wěn)運(yùn)行的重要手段，而不是成為干擾的一個源點(diǎn)。