淺析變頻電機(jī)對(duì)變送器的干擾問(wèn)題

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們生活水平的日益提高，拉動(dòng)能源的需求量不斷增大，特別是對(duì)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(lái)了長(zhǎng)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(tái)，長(zhǎng)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(hào)干擾問(wèn)題也越來(lái)越受到人們重視。本文通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)際案例，分析了長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)內(nèi)變頻電機(jī)可能對(duì)智能儀表存在干擾，提出了管道建設(shè)和更新改造時(shí)要注重儀表的選型，尤其重視儀表的抗干擾問(wèn)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(lái)了一些干擾問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)的供電和用電設(shè)備會(huì)對(duì)變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)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(guò)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(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)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(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲和電磁干擾。因此，變頻器對(duì)同一電氣連接和附近其他的電子、設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)電磁干擾源。尤其是對(duì)弱電儀表以及變送器的干擾，嚴(yán)重時(shí)能夠造成變送器無(wú)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(guò)整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源，供給異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，從實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)看，相對(duì)于工頻電機(jī)、變頻電機(jī)能夠通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，對(duì)比直接啟動(dòng)，變頻啟動(dòng)可以消除對(duì)電機(jī)的沖擊，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。正是因?yàn)樽冾l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(lái)越廣泛的應(yīng)用，但變頻器在使用過(guò)程中存在電磁干擾，變頻電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下會(huì)對(duì)附近的變送器儀表等信號(hào)產(chǎn)生干擾，電機(jī)上的溫度變送器和振動(dòng)變送器尤為明顯。下面以日照-東明原油管道（以下簡(jiǎn)稱日東線）為例進(jìn)行說(shuō)明。

    日東線是一條長(zhǎng)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(zhǎng)445.9km，全線的設(shè)計(jì)壓力均為8.0MPa，設(shè)計(jì)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(tái)輸油泵機(jī)組，其中1、2和3號(hào)泵為定速泵，4號(hào)泵為變頻泵，變頻器是西門(mén)子公司生產(chǎn)制造，魯爾泵和西門(mén)子電機(jī)附帶二線制，溫度變送器為德國(guó)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(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)傳導(dǎo)到PLC，距離大約150m。振動(dòng)變送器為德國(guó)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(dòng)變送器將測(cè)量的振動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)傳導(dǎo)到PLC。儀表傳輸線纜均在PLC機(jī)柜做單端屏蔽，在實(shí)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(shí)，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(bào)負(fù)值和溫度數(shù)值大幅度波動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(shí)，驅(qū)動(dòng)端一側(cè)振動(dòng)變送器向PLC輸出振動(dòng)值無(wú)規(guī)則跳變，幅度時(shí)大時(shí)小，當(dāng)振動(dòng)值超過(guò)PLC設(shè)定停機(jī)值時(shí)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(jiǎn)要介紹。

    諧波干擾：整流電路會(huì)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(duì)于許多電子設(shè)備形成干擾，這種干擾尤其會(huì)對(duì)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(lái)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(huì)產(chǎn)生電磁波輻射，對(duì)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(gè)要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)，本著對(duì)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(wèn)題發(fā)生時(shí)，首先從第三個(gè)要素也就是對(duì)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(hào)線路進(jìn)行了分析并逐一排查，從測(cè)溫電阻到變送器、設(shè)備內(nèi)部線路、端子排、場(chǎng)區(qū)內(nèi)儀表信號(hào)電纜和浪涌保護(hù)器，非常后連PLC模塊也不放過(guò)。并非常終得出以下結(jié)論：

   ① 發(fā)生問(wèn)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(duì)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(dòng)較大，干擾嚴(yán)重時(shí)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(duì)振動(dòng)變送器做了分析測(cè)試，將出現(xiàn)問(wèn)題的振動(dòng)變送器安裝在工頻運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)上時(shí)，測(cè)出的振動(dòng)數(shù)值與手持測(cè)振儀相差無(wú)幾，當(dāng)安裝在變頻電機(jī)上時(shí)測(cè)出的振動(dòng)數(shù)值波動(dòng)異常敏感，與手持測(cè)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(guò)注塑處理，無(wú)法打開(kāi)。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(wèn)題，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，采購(gòu)了羅斯蒙特生產(chǎn)的644R一體化溫度變送器，此型號(hào)溫度變送器為三線制且輸入輸出信號(hào)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(guò)測(cè)試，電機(jī)三相繞組溫度均顯示正常。同時(shí)還調(diào)研選購(gòu)了一臺(tái)抗干擾性能較強(qiáng)、型號(hào)為VIB-C的國(guó)產(chǎn)振動(dòng)變送器，替代變頻電機(jī)上的振動(dòng)變送器，不僅測(cè)試中振動(dòng)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(yǔ)

     在管道建設(shè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，尤其在設(shè)計(jì)期間，通常采用屏蔽接地等方法來(lái)提高系統(tǒng)和設(shè)備的抗干擾性能，但是實(shí)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(wèn)題事例也說(shuō)明了變頻對(duì)溫度變送器和振動(dòng)變送器的干擾帶來(lái)的不良影響。因此，在管道建設(shè)或更新改造中，設(shè)計(jì)部門(mén)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(gè)源點(diǎn)。