多约束条件下低压开关柜电磁兼容改造设计分析

沈志刚

(厦门华夏国际电力发展有限公司，福建 厦门 361026)

0 引言

现代工业控制中，低压电动机作为执行单元，每一个生产子单元都起着关键作用。随着生产工艺和操作要求的不断提高，分散控制系统(distributed control system,DCS)原有的粗放型架构已无法满足需求，基于优化和精密控制的角度，需要采集更多过程参量。为满足这一需求，低压电动机开始向智能化、集成化方向发展，智能型电动执行器获得广泛应用，智能泵等技术也逐渐兴起[1]。

低压开关柜作为各类电动机的控制和保护机构，同样随着工业自动化进程不断升级换代。早期的开关柜一般以硬接线回路将断路器、接触器和常规继电器等普通电气元件组合，实现对电动机的控制和保护。随着低压电动机的技术发展，智能低压开关技术也在矿山[2]、钢铁[3-4]、造纸[5]、水处理[6]等各个行业广泛应用，基于现场总线和通信技术的智能马达控制中心(motor control center,MCC)成为主流设计。

低压电动机与低压开关柜的技术发展又有一定的独立性，如智能型电动执行器投入工业应用的时间较早，其相关工业标准较早可追溯到2001年[7]。随着其先期在各个工业企业推行，智能化设备电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)问题的研究开始成为低压电气领域的焦点，如发电厂[8]、变电站[9]等强电磁环境研究以及对标准的解读分析[10]。然而，现有的研究和设计中多关注整个系统设备的新建设计，恰好忽略了前述的工业技术进程带来的问题。在规模以上的较早期生产企业，以普通300 MW火力发电厂为例，电动执行器开关柜数量在整个生产系统低压配电占比约20%，原始设计为普通电动执行器配合传统开关柜，依技术发展进程对先进行智能型电动执行器进行改造。这个改造进程将是长期持续的，从而使开关柜趋向混装结构。长此以往产生的开关柜电磁兼容改造设计难题，也就是本文的主要研究方向。

1 电磁兼容影响

讨论电动执行器及配套开关柜的电磁兼容影响，首先需要明确其在工业生产过程的作用。在对系统功能安全的研究中[11]，执行器作为三个子单元之一，在多数评估中已由于较低的可靠度而拉低系统的整体安全性，如化学储罐的紧急断料阀和大型风机的出口电动阀。当其单方面改造为智能型电动执行器后，会因为集成电子电路的使用而产生各种电磁兼容问题。

以前述的风机系统为例，风机保护事故树如图1所示。

图1 风机保护事故树

对于低压抽出式成套开关设备，电磁兼容条文[12]即是“在正常运行条件下，不装有电子电路的成套设备不受电磁骚扰，因此不需进行电磁兼容性试验”。故较早期的开关柜和控制系统保护信号如图1所示。检测风机系统高压电机开关合闸触点、出口电动阀行程关到位触点以及出口电动阀行程开未到位触点。

当低压开关柜出现电压暂降、短时中断和电压变化扰动时，对于原始的机械计数齿轮压动的两组微动行程开关是无影响的。但智能电动执行器由于其行程触点信号是经电机转动值编码器-主控板-继电器板一系列电子电路设备转换输出，在实际试验过程中经常会因扰动而初始化，使其行程触点输出由开到位瞬变为关到位，进而使风机系统分闸保护信号误动作，造成生产子系统意外停运。这种扰动影响对于电动执行器而言是设置参数的初始化、反馈信号的误发，以及执行器因初始化未重新设置造成的拒动，对于整个生产过程则意味着事故。更为极端的影响还有化学储罐爆炸事故。在文献[13]～文献[15]中，阀门故障以及误操作泄漏均是爆炸事故树中结构重要度系数最高的基本事件。

此外，还有共模传导骚扰的影响。和电压暂降影响不同，传导骚扰电压会直接作用在电动执行器控制信号电缆端口。当骚扰电压上升到一定阈值，会直接导致电动执行器误动作，使其控制的工质发生非预期的关断或开启。这种干扰影响虽较前述略小，但由于骚扰的长期存在，对生产子系统的能效和可靠性持续影响极大。

2 约束条件

如前所述的早期生产企业低压开关柜，在正常技术沿革进程改造设计中将面临以下约束条件。

2.1 负载约束

开关柜下端负载兼有普通型电动执行器与智能型电动执行器，混装结构带来的约束不仅需要设计两种不同的开关型式，且需针对智能型设备的电磁兼容水平[16](即GB 14048.1中表24“抗扰度验收标准”，设备抗扰度不明的情况下，应统一视为C级)设计布线系统。在一般的纯智能型设备开关柜中，仅有电源布线，信号及指令电缆是由DCS或其他控制系统直接敷设到就地设备。混装柜内则汇集电源电缆、信号电缆、指令电缆共同敷设到就地设备。

这种布线系统是设备历史沿革的一部分，通常整套开关柜下端负载约80～100个，电缆数量是其2～3倍；各电缆长度根据就地设备的分布，一般为150～300 m不等，更换布线系统的时间成本及人力成本将远超出开关柜改造本身。而在留用这些电缆时，如不考虑专门设计柜内布线系统，对信号指令电缆与电源电缆之间加以屏蔽隔离，信号电缆将会因电源电缆的交流电压出现容性耦合感应电。其电压与线间寄生电容、信号电缆对地阻抗及电缆电压成正比。通常，两个平行绝缘导线间隔0.25 cm时，其寄生电容大约为50 pF/m，而开关柜至就地设备的物理距离会将这一数值放大很多。电动执行器开关柜布线系统如图2所示。

图2 电动执行器开关柜布线系统图

2.2 环境约束

受前述的负载和电缆约束，机柜改造必须依据原机位布置，从而也需考虑原机位的周边环境约束。这些约束不仅是空间尺寸的限制，还有周边的工业电磁环境。标准定义[17]如下。

①由高压或中压变压器供电的电力网，专用于给制造厂或类似工厂的设备供电。

②工业、科学和医疗设备。

③频繁合、切的大容量感性或容性负载。

④大电流及其伴随的强磁场。

以发电厂电动阀MCC为例，在其周边5～10 m距离应布置轴封加热器、6 kV开关室、发电机封闭母线等高中压线路和大容量负载。对于这些电磁干扰来说，机柜屏蔽体壁的厚薄对于屏蔽效果差异不大，反而是过孔和缝隙这些结构上的细微之处会极大影响地屏蔽效果。结合前文，如空间尺度对开关柜结构造成挤压，会因结构调整导致额外的非标准搭接和缝隙，同时周围热源体(如蒸汽管道)对机柜散热的影响也会导致散热孔增加，从而在屏蔽体壁上形成过多的过孔，降低抗扰性能[18]。屏蔽体结构干扰原理如图3所示。

由图3可以看到，由于屏蔽体壁结合处缝隙形成的电压ΔU，经分布电容产生对内部电路的干扰可能。而过孔阻抗的存在则实际形成作用于工作电路的干扰压降ΔU1。

图3 屏蔽体结构干扰原理图

2.3 接地约束

接地问题是电磁兼容设计中的重点。早期低压开关柜并无较严格的接地设计，考察多数开关柜仅依赖机位下金属框架及地脚螺栓实现接地。这种接地系统在改造中如未作优化处理，将会由于金属地框的外形缺陷而产生共模噪声。

接地体干扰原理如图4所示。

图4 接地体干扰原理图

不完整的地平面将会产生共模电压降UCM，激励向外连接的电缆，使之成为一个辐射天线，产生共模电流ICM。

大部分接地引起的干扰都可以采用合理的屏蔽接线方式来抑制和消除。但受早期布线系统的影响，基本上电源电缆是无屏蔽层的，甚至部分信号电缆也有此问题，从而造成在接地约束之外，还有与之关联的屏蔽约束。在早期工厂环境下部分接线方式较为随意，更进一步降低了屏蔽的有效性。“Pigtail”即典型的屏蔽电缆接线EMC问题，把屏蔽层在信号端口附近拧成较长猪尾巴状接地，相当于在屏蔽层上串联一个数十纳亨的电感，产生共模电压，使屏蔽层变成辐射天线。

2.4 上端约束

在改造设计中，上端电能质量是一项基础而可变的约束。如前文的电磁兼容影响分析所述，大多数智能设备对于电压暂降、短时中断和电压变化扰动耐受度是有限的，在双路电源输入冗余互备运行作为低压开关柜普识设计的情况下，电源输入稳定性尤其是主路电源的稳定性，直接关系到开关柜电压变化扰动参数。一种常见的问题是主路电源带病运行，开关柜具有双路电源自动切换设计，主路、辅路切换时间均为1 s，主路优先。此时，当主路电源出现短时故障后复位，开关柜将会出现两次电压瞬变，对下端智能设备干扰极大。

此外，在文献所述的智能型MCC技术中，除开关柜自身的各项控制技术外，还提出如RS-485总线等的外部数据接口设计。而该技术在机柜改造设计中尤需注意。较大型的工业企业均已配置了DCS。该系统作为整个工业生产过程的控制核心，已有一系列的设计规范。其中很重要的一点即是单点接地设计，即所有输入信号均在DCS机柜侧使用DCS接地。然而较多的成套设备厂家在接口设计时，均会附带自身设备接地线以实现一体接地。当这样的通信数据线接入DCS将会造成两点接地。由于开关柜地阻抗与DCS地阻抗的差异，会形成地环电流，从而对DCS造成干扰。这也是DCS对接入外部总线较为谨慎的原因，一般需要针对外部通信数据接入开发专用模块。

2.5 扩展约束

从企业的角度出发，改造设计必须虑及后续的替换需求，而且后续的替换应能较快捷地模块化操作。模块设计应包含开关单元和布线单元的。本项约束与第一项约束是一体两面的问题，也是低压开关柜在电磁兼容设计实现标准化的关键。

3 设计思考

结合上述的约束条件，检索梳理低压开关柜近年来的技术发展，在EMC方向上却并无较为成熟的设计成果。低压开关柜的技术市场呈现以下局面。一方面，大多数设备厂商和设计研究机构过于关注新建项目和新技术集成，以相互追赶的态势将研发资源过度集中在尖端新兴技术上。另一方面，作为低压开关柜改造市场主体的规上生产企业，受限于自身约束条件，在改造过程中不断降低预期，并在开关柜电磁兼容无法满足的情况下，采用钝化智能电动执行器功能的方式完成改造。往往一次改造后用户体验度极差，继而使得生产企业延迟后续改造规划，造成整个改造市场需求呈萎缩态势。

基于此，提出一种低压开关柜电磁兼容改造两端交互验证设计流程，如图5所示。

图5 低压开关柜电磁兼容改造两端交互验证设计流程图

在整个流程中，由生产企业启动项目改造，提出项目预期。合作研发单位从调查阶段获得低压开关柜的环境干扰强度、空间约束、负载混装分布、数据通信需求等参数，并将部分非必要环节设为虚线。如开关柜上端电源改造，可根据电源质量留用或待整体调试期再行改造。双方在整体组装前各自推进改造设计，分别完成相关测试，再结合整体组装后的测试进行微调；对于部分干扰阈值超限的设备，在其信号输入端采用滤波、去耦、钝化等手段降扰。

4 结论

本文分析的低压开关柜电磁兼容改造现实约束和影响机理，以及提出的电磁兼容改造两端交互验证设计流程，对于即将或已经开展低压开关柜改造的工业企业，有较大的借鉴价值，也有助于厘清研发设计与生产应用间的技术认知差异。

随着工业4.0概念的提出和中国制造2025战略的部署，国内各种新兴智能技术呈现快速发展。然而也要看到，作为工业主体的大部分规模以上生产企业仍处于工业3.0甚至2.0的技术阶段。作为引领和推动技术进步的广大研发设计单位，不仅要关注尖端技术发展，还应加大与生产企业横向联合，协助传统生产企业建立工业3.5或工业2.5的缓冲技术带。这样才能防止工业应用体系出现大规模的技术断层，补齐木桶效应里的短板，规避反复重建的资源浪费，促进国家工业体系的整体进步。