單晶爐電氣控制系統干擾淺析

北方華創真空技術有限公司■陳世斌

0 引言

近年來，隨著光伏發電平價上網的推進，作為光伏組件的上游供應商，晶體硅廠家發生了井噴式地擴張。在眾多的單、多晶硅生產廠家中，單晶硅廠的擴張最為迅速。在單晶硅廠擴產的同時，整個單晶硅廠房呈現出裝機量大、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)直流開關電源柜密集的狀態，而在關斷和打開IGBT的瞬間會產生大量的諧波，諧波的產生會對設備造成損害。因此，在此種現狀下，單晶硅廠的主力設備——單晶爐電氣控制系統(下文簡稱“電控系統”)在設計初期即考慮其抗干擾能力就顯得尤為重要。本文結合單晶硅廠的現場情況，以裝機量大、IGBT直流開關電源柜密集的廠房易出現的兩大類干擾為例，對其產生的原因及造成的影響分別進行了分析。

1 干擾源分析

單晶爐電控系統在完成電氣設計后，在實際使用時會面臨各種各樣的干擾，但對可編程邏輯控制器(PLC)與模擬信號的干擾主要為諧波干擾和觸點分斷干擾。

1.1 諧波干擾

在生產過程中，單晶爐設備整個產線會產生大量的諧波干擾。在無諧波測試儀的情況下，可使用電壓表和示波器分別測量整個電控系統的220 V輸入端，由于測量點掃描頻率的差異，會得到不同的結果，以此來證明現場設備存在高頻次諧波。具體操作步驟如下：

1)使用電壓表測量電控系統的220 V輸入端，如圖1所示。

圖1 電壓表測量的電控系統220 V輸入端電壓

從圖1可以看出，電壓表測得的電控系統輸入端的電壓為標準的220 V，這說明電控系統輸入端沒有問題。

2)使用示波器測量電控系統輸入端電壓。當使用示波器測量時，部分峰的峰值為508 V，如圖2所示；若以中性點為參考點，單相交流電的等效電壓就是254 V。

通過對比可知，電壓表的測量值與示波器的測量值相差34 V。

圖2 示波器測量的電控系統輸入端電壓波形

通過對比分析圖1、圖2可以發現，電壓表的采樣時間為1～2 s，而示波器的掃描頻率為2.5 ms，是電壓表的800倍左右，可捕捉到所有瞬時發生的諧波。因此，所有疊加在220 V、50 Hz市電基波上的高頻次諧波都可將市電峰的峰值拉高到508 V，即單相交流電的等效電壓為254 V。

諧波產生的原因較多，也較為復雜。但分析當前在單晶硅產線產生諧波的原因，主要是由于與單晶硅廠并聯的其他工廠帶電母線的高壓隔離開關切合時，對供電系統產生電壓沖擊造成的。每次產生的電壓沖擊都會造成諧波電流和諧波電壓。由于電路分斷造成的諧波電流、諧波電壓的頻譜范圍很廣，幾乎覆蓋整個頻率范圍，且高頻次諧波的穿透效應非常強，在單晶爐供電系統中以物理連接路徑向各個容性、阻性負載的模塊輻射傳播，所以這些電壓、電流波會在每個不同導體(如端子臺等)的連接處產生反射，多次反射的疊加會引發更高頻次的諧波干擾。

單晶爐電控系統大多采用大功率直流開關電源柜，而此種電源柜的逆變方式與整流調壓方式都是通過IGBT采用PWM方式調壓。PWM方式調壓即為IGBT的高速開合，而在關斷和打開IGBT的瞬間，會導致大量的諧波產生。

通過測試發現，在前期使用時，單晶爐設備的電氣功能不受影響，但在投入使用幾個月后，便會出現模擬信號隨機干擾、大量用電部件不規律損壞的現象。

1.2 觸點分斷干擾

此處的觸點分斷干擾是指單晶爐電控系統內部的繼電器、交流接觸器在斷開負載電源時，功率側的干擾會在斷開瞬間沿供電線路對其他用電部件造成干擾。通過現場測試發現，僅1個交流接觸器的開合，就會造成模擬信號的大幅度跳動，從而對整個模擬信號系統造成干擾。

將示波器的探頭接到單晶爐電控系統中的0～10 V模擬信號輸出端，以檢測在無繼電器動作時的電壓輸出情況。檢測結果顯示，模擬信號穩定輸出，如圖3中的T1區域所示。此時，按下操作臺按鈕，繼電器動作，帶負載的觸點釋放，在釋放的瞬間，示波器顯示屏上出現了如圖3中T2區域所示的情況，穩定的T1區域模擬量電壓直線波形輸出信號上疊加了峰-峰值398 mV的干擾，這個干擾直接導致了操作臺觸摸屏上模擬信號的跳動，從而導致了部分報警信號誤報。

圖3 模擬信號輸出

2 抗干擾措施

單晶爐電控系統抗干擾的目標是：無論是外界干擾還是內部干擾，都應確保數字信號、模擬信號和通信信號穩定，并盡可能提高各個電氣部件的使用壽命。為達到此目的，減少上文提出的兩大類干擾的影響，我們通常以“強弱分離”為原則，對總配線進行布局設計；且在電氣盒的內部設計上，采取有效接地等措施。結合單晶爐電控系統的現場配電環境，為提高電控系統的抗干擾能力，采取電氣布局與回路保護設計、電控系統內部設計的具體措施。

2.1 電氣布局與回路保護設計

在電纜布線時，需尋找便利的接地點，同時需考慮接地點的電阻率是否能滿足系統設計的要求，如方鋼、管道等鐵質空間。在選用遠距離信號傳送電纜時，模擬信號與數字信號應選擇屏蔽電纜；電纜屏蔽層應由電阻率低的材料制成，且其兩端都需可靠接地。而交流供電需盡量選擇屏蔽雙絞線供電，以防止交流電對其他功能回路造成空間干擾。傳播路徑較長的模擬信號，一定要在模擬信號輸出端進行抗干擾處理，如加裝瓷片濾波電容，如圖4所示，濾波電容的大小應根據使用的爐臺及現場干擾情況確定。

圖4 模擬信號輸出端安裝有濾波電容

對于含IGBT的逆變系統(如電源柜)，應以IGBT的開關頻率與整流功率為切入點進行抗干擾處理。目前，抗干擾處理主要是集中式諧波處理；未來在成本允許的情況下，對于單晶爐電源柜最好采用分離式單獨諧波治理的方式，如圖5所示。

圖5中，每個電氣負載對應1個諧波治理模塊，以此來預防高頻次諧波對電控系統的干擾。

圖5 分離式單獨諧波治理方式

2.2 電控系統內部設計

每個電氣控制盒的外殼必須做到可靠接地，對于電氣盒內部有同一回路、同一電壓等級的模擬信號電源，要根據信號接收終端的情況，將其直流電源負極統一接地，如圖6所示；然后再根據每個開關電源的負載特性和負載要求，判斷是否需要在直流側加裝隔離濾波裝置。

圖6 負極統一接地的情況

在市電的進線引入點設計安裝浪涌保護器，可在市電不穩定發生浪涌時，對供電回路形成保護。在無源元件構成電路電源側增加π型濾波器，如圖7所示。

圖7 浪涌保護器與π型濾波器電路

圖7所示的電路不僅能減弱傳導干擾，還能對輻射干擾有顯著的屏蔽作用。使用濾波器，并在關鍵信號導線外側增加磁環(鐵氧體材料鐵芯)，即可提高抑制干擾頻率范圍的作用。由于電源回路和負載要求的不同，某些特定場合可能不適合采用π型濾波器，但可以選擇合適的電阻和電容組成RC濾波器電路，如圖8所示。

圖8 RC濾波器電路

圖8所示的電路可抑制主線路開關、接觸器等器件分斷時對模擬量信號源造成的電壓沖擊，還可對PLC的輸出、輸入開關量信號產生的瞬變干擾起到抑制作用。

3 結語

本文針對單晶爐設備產線在實際運行中出現的諧波干擾和觸點分斷干擾這兩類電氣干擾現象，分析了干擾產生的原因并做了定性判斷；在抗干擾措施方面，給出了電氣布局與回路保護設計、電控系統內部設計兩種方案，都可起到抑制諧波和抑制階躍性干擾的作用。

隨著單晶硅廠的不斷擴容及設備自動化程度的提高，電控系統的穩定性與可靠性將面臨越來越多的挑戰。因此，在電氣設計初期，必須以電氣特性、電磁兼容性結合使用環境，綜合考慮系統的抗干擾能力。