油田生產(chǎn)自動(dòng)化控制裝置電磁干擾的抑制

馮澤虎

淄博職業(yè)學(xué)院

1 自動(dòng)控制裝置電磁干擾的分類

油田生產(chǎn)電子自動(dòng)控制裝置多位于地下深層工作區(qū)域內(nèi)，在正常工作條件下，會(huì)產(chǎn)生對(duì)電子自動(dòng)化控制裝置有抑制作用的載波。這種載波依靠有用功率產(chǎn)生的抑制波，當(dāng)功率傳送頻率大于1 000 MHz時(shí)，便會(huì)對(duì)傳送的電磁信號(hào)產(chǎn)生干擾。產(chǎn)生的干擾信號(hào)與有用信號(hào)疊加后，會(huì)使傳輸信號(hào)失真，終端控制器無法識(shí)別傳送的信息[1]。電磁干擾的方式可分為靜電磁場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化控制的干擾、光感元器件對(duì)自動(dòng)化控制的干擾、磁場(chǎng)間對(duì)自動(dòng)化控制的干擾、電磁輻射對(duì)自動(dòng)化控制的干擾等。

1.1 靜電效應(yīng)引起的電磁干擾

靜電效應(yīng)引起的電磁干擾是在較大電場(chǎng)周圍引起的磁場(chǎng)效應(yīng)，電場(chǎng)對(duì)電容元器件形成了磁場(chǎng)之間的耦合，這種耦合電磁感應(yīng)便對(duì)周圍電容產(chǎn)生了靜電干擾。在油田生產(chǎn)工作環(huán)境中，大型功率裝置的工作區(qū)域周圍存在的較大負(fù)載，所引起的磁感應(yīng)線圈半徑也隨之加大，在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)射的有用功率會(huì)達(dá)到100 kW。這時(shí)、電力傳輸線上隨著交變電流的變化，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，根據(jù)安培的右手螺旋定理可以辨別出磁場(chǎng)的方向。通常油井電力傳輸系統(tǒng)的傳輸功率較大，一般電力傳輸線的傳輸電壓能達(dá)到10 kV，185芯的電力線每平方米傳輸?shù)碾娏鳛?00 A，所以整個(gè)電力線傳輸?shù)墓β蕿? 000 kW。為了避免傳輸線路的損耗，多數(shù)設(shè)備線路采用鋁制傳輸線纜，但這種線纜引起的磁場(chǎng)效應(yīng)波及范圍也會(huì)成比例增加，在終端系統(tǒng)處對(duì)周圍電容設(shè)備產(chǎn)生了磁場(chǎng)效應(yīng)的耦合，進(jìn)而引起靜電干擾[2]。

1.2 光感元器件引起的電磁干擾

油田供電系統(tǒng)獲得的電能是電網(wǎng)系統(tǒng)中由直流電轉(zhuǎn)化為交流電過程而來，主要是因?yàn)橹绷麟妭鬏數(shù)牟ㄐ涡盘?hào)為恒定均一的幅值，在傳輸過程中不會(huì)發(fā)生幅值上的變化。例如：在直流供電系統(tǒng)中的波形最大幅值波動(dòng)關(guān)系為±1，那么在傳輸過程中的波形幅值始終保持為+1或-1，在波形上不會(huì)發(fā)生隨機(jī)性的跳動(dòng)，因此可以在一定程度上轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋５谡ｋ娏鬏斚到y(tǒng)中，由于各個(gè)供電設(shè)備最大傳輸功率的不同，對(duì)要求的幅值變化曲率也不相同。若在極短時(shí)間內(nèi)，電壓幅度變化較大，高電位會(huì)立即變?yōu)榈碗娢唬c(diǎn)電荷的數(shù)量也隨即由高電位指向低電位，造成在同頻設(shè)備內(nèi)信號(hào)的干擾。

1.3 磁場(chǎng)間引起的電磁干擾

磁場(chǎng)間引起的交變干擾是油田自動(dòng)化控制裝置系統(tǒng)中由磁感線圈之間引起磁感應(yīng)的效應(yīng)變化所致。在自動(dòng)化控制裝置變壓器磁感線圈變化過程中，由霍爾效應(yīng)得n1∶n2=B1∶B2，即在同一方向傳輸?shù)目刂齐娏鞔笮∠嗟取⒎较蛳嗤鸬拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度的大小與線圈匝數(shù)成正比關(guān)系，線圈匝數(shù)越多，引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大，如圖1所示。例如：在同一傳輸系統(tǒng)中，兩條電力線的傳輸電流大小均為300A，傳輸?shù)姆较蚨加杀毕蚰希珎鬏斁€路中變壓器的匝數(shù)A為30匝，B為150匝，那么所形成的磁感線的方向相反，磁場(chǎng)強(qiáng)度B為A的5倍。在A磁感線分析圖中，N極的指向?yàn)橄露耍珺磁感線N極的指向方向?yàn)樯隙耍瑑纱鸥芯€的傳輸方向相反，會(huì)引起磁場(chǎng)間的相互干擾；當(dāng)B線圈產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度為A線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的5倍時(shí)，便會(huì)覆蓋住A磁感線的一部分信號(hào)，對(duì)于鄰區(qū)信號(hào)產(chǎn)生干擾。

圖1 變壓器線圈匝數(shù)與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

1.4 電磁輻射引起的電磁干擾

電磁輻射也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾。自動(dòng)化控制裝置中會(huì)有一些觸電的元器件，在接通電流的瞬間會(huì)產(chǎn)生電火花或電弧，對(duì)周圍的空氣產(chǎn)生電磁波輻射。自動(dòng)控制裝置會(huì)吸收外界的電磁波，當(dāng)電磁波的強(qiáng)度達(dá)到一定臨界狀態(tài)時(shí)，便會(huì)對(duì)內(nèi)部的傳輸電子信號(hào)產(chǎn)生抑制作用。在油田自動(dòng)控制裝置設(shè)備中，部分部件處于隔離狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備在正常工作狀態(tài)下，會(huì)切斷與外部連接的一切電源，這種運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境達(dá)到一定程度后，便會(huì)重新連接。連接過程中會(huì)有短暫電流的經(jīng)過，很可能產(chǎn)生短暫性的接通，這時(shí)接頭感應(yīng)部位會(huì)產(chǎn)生電弧或電火花現(xiàn)象，引起周圍空氣的變化效應(yīng)。開始前的空氣密度稀疏，位于電離層的初始狀態(tài)，當(dāng)火花或電弧擊穿過程中，引起周圍空氣密度迅速增大，分子之間的間隔密度可達(dá)到0.001 nm。這時(shí)在電弧周圍形成了一圈封閉的電磁場(chǎng)，這種效應(yīng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化電力傳輸裝置產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有抑制作用，但自動(dòng)控制裝置會(huì)同時(shí)吸收外界產(chǎn)生的電磁信號(hào)，使這種由電弧效應(yīng)引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，對(duì)傳輸功率的信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的抑制作用。

2 抑制技術(shù)

2.1 靜電屏蔽

靜電屏蔽技術(shù)主要原理為：導(dǎo)體殼內(nèi)外之間電荷量相等時(shí)，可以減少因靜電產(chǎn)生的磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)電子控制裝置產(chǎn)生的影響。圖2為兩組對(duì)比試驗(yàn)，甲組左端的球體內(nèi)電荷量為“+”的點(diǎn)電荷，外部為“-”的點(diǎn)電荷，形成上端為負(fù)、下端為正的等差趨勢(shì)。右端球體表面分別代表負(fù)電荷和正電荷，形成兩個(gè)單獨(dú)的個(gè)體效應(yīng)。在左端半球?qū)嶒?yàn)時(shí)，兩個(gè)半球之間形成等位電差，由公式Q=It可得，電荷量與時(shí)間和電流有關(guān)系，所以在相同時(shí)間內(nèi)，通過相等的電流所得到的電荷量相等。在甲圖中可以看出，兩個(gè)等電位的球體分布的電荷量均勻相等，在正電荷與負(fù)電量中和的情況下，使電位差消失，不會(huì)引起電位的變化，并且在球內(nèi)表體產(chǎn)生磁場(chǎng)，形成了靜電屏蔽的效應(yīng)。在乙組中，兩個(gè)點(diǎn)電荷成為兩個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)主體，左邊半球表面形成負(fù)點(diǎn)電荷的表層區(qū)域，右端形成正電荷的表層區(qū)域，在對(duì)等關(guān)系下，由正電荷向負(fù)電荷發(fā)射磁感線，引起磁場(chǎng)效應(yīng)。由靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在油田電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可以采用正負(fù)電荷均等的效應(yīng)來減少電磁效應(yīng)帶來的干擾。

圖2 靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)

2.2 電網(wǎng)干擾抑制

對(duì)電網(wǎng)干擾抑制主要從兩方面著手，一方面采用交流穩(wěn)壓的方式引入電源，另一方面控制傳輸載波的頻率。在這兩方面因素的控制下，才能有效緩解因電磁干擾帶來的弊端。交流穩(wěn)壓的作用體現(xiàn)在干阻抗元件發(fā)射的功率信號(hào)容易被電子控制裝置吸收，形成信號(hào)之間的復(fù)合。高阻抗元件的功率關(guān)系式為P=U2R，即在電阻一定的情況下，功率與傳輸?shù)碾妷撼烧汝P(guān)系，所以在控制電壓的情況下，所傳輸?shù)墓β手禐橐粋€(gè)界定值。當(dāng)高阻抗元件傳輸?shù)墓β逝c電子自動(dòng)化控制裝置傳輸?shù)墓β室恢聲r(shí)，不會(huì)形成功率之間的差價(jià)，因此也不會(huì)吸收多余的電磁信號(hào)。另外一種方式中，可在傳輸載波上對(duì)頻率大的傳輸信號(hào)進(jìn)行抽樣，對(duì)傳輸波形信號(hào)頻率進(jìn)行整形。因?yàn)閭鬏數(shù)牟ㄐ涡螤畈话l(fā)生變化，如果將抽取波形的頻率減為原來的二分之一，就能保證傳輸?shù)墓β逝c幅值不發(fā)生原變化。借助帶通濾波器將信號(hào)整形，產(chǎn)生的信號(hào)為窄波低帶寬信號(hào)，保證了高阻抗元件在正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生太大幅度的變化，引起電子自動(dòng)化控制裝置吸收外源的信號(hào)，減弱原有信號(hào)的功率。

3 結(jié)語

通過對(duì)油田生產(chǎn)電子自動(dòng)化控制裝置信號(hào)干擾及抑制分析得出，在干擾因素中靜電和電網(wǎng)引起的干擾最為嚴(yán)重，主要是因?yàn)橛吞镌O(shè)備大多采用的是大功率的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)電流及電壓的要求較高。利用靜電屏蔽和穩(wěn)壓降頻的方法，能夠在一定程度上緩解對(duì)電磁信號(hào)的干擾。

[1]李炎亮．汽車電子技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]羅鳴．鄒議電子自動(dòng)化控制裝置的干擾及抑制[J]．中國科技縱橫，2010，67（12）：6-7.