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浅析变频电机对变送器的干扰问题

作时间:2017-08-09  来源:中石油山东输油有限公司  作者:樊梦迪
   

         摘 要:随着国民经济的迅猛发展,人们生活水平的日益提高,拉动能源的需求量不断增大,特别是对石油能源的需求与日俱增,这样就给石油非常佳输送方式的管道运输带来了长足发展机遇,然而《安全生产法》 《环境保护法》的出台,长输管道输送油气的安全稳定性突显重要,而各类智能仪表作为油气输送不可或缺的“神经”单元,其数据的稳定性和信号干扰问题也越来越受到人们重视。本文通过生产运行中的实际案例,分析了长输管道站场内变频电机可能对智能仪表存在干扰,提出了管道建设和更新改造时要注重仪表的选型,尤其重视仪表的抗干扰问题,以便提高管道运行的安全稳定性。

 
引言
        变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性,应用到了各类工业生产和生活中,但随之也带来了一些干扰问题。现场的供电和用电设备会对变频器产生影响,变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围仪表设备的运行。主要的电磁干扰,通常是通过电路传导和以辐射的形式进行传播。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载,它所产生的谐波会对同一电气连接上的其他电子、设备产生谐波干扰。另外,变频器的逆变器大多采用PWM技术,当其处于变频工作时,产生大量耦合性噪声和电磁干扰。因此,变频器对同一电气连接和附近其他的电子、设备来说是一个电磁干扰源。尤其是对弱电仪表以及变送器的干扰,严重时能够造成变送器无法工作。
 
1 变频器主要应用
        在油气管道行业中变频器主要应用在输油泵机组上,它利用电机的转速和输入电源的频率是线性关系这一原理,将50Hz的市电通过整流和逆变转换为频率可调的电源,供给异步电动机,实现调速的目的,从实现的功能来看,相对于工频电机、变频电机能够通过调整电动机转速,实现输油管道的流量及压力的平滑调节。在满足生产工艺需求的前提下,与工频电机相比,变频电机既能提高设备运行的效率,提高功率因数,又能获得显著的节能降耗效果,并实现平稳启动,不会对电网造成较大冲击。从长远角度考虑,对比直接启动,变频启动可以消除对电机的冲击,延长电机的使用寿命。正是因为变频电机的可调速性和节能等特点,它在油气管道行业得到越来越广泛的应用,但变频器在使用过程中存在电磁干扰,变频电机在运转的情况下会对附近的变送器仪表等信号产生干扰,电机上的温度变送器和振动变送器尤为明显。下面以日照-东明原油管道(以下简称日东线)为例进行说明。
 
        日东线是一条长距离输送中东中质原油及重质原油的输油管道,起于日照首站,经平邑清管站、兖州分输泵站,终止于东明末站,全长445.9km,全线的设计压力均为8.0MPa,设计年输量8×10 6 t。管线途经日照、临沂、济宁、菏泽四市。兖州输油站作为日东线中间站,有4台输油泵机组,其中1、2和3号泵为定速泵,4号泵为变频泵,变频器是西门子公司生产制造,鲁尔泵和西门子电机附带二线制,温度变送器为德国WIKA生产。温度变送器装在电机侧面的变送器箱内,直接将热电阻的电阻信号转换为4-20mA标准电流信号传导到PLC,距离大约150m。振动变送器为德国公司生产,一套泵机组共有4只,分别装在电机和泵的轴承两端,振动变送器将测量的振动速度信号转换为4-20mA标准电流信号传导到PLC。仪表传输线缆均在PLC机柜做单端屏蔽,在实际运行中发现以下现象:
 
1)现象1
        当4#变频电机在2300r/min~2500r/min之间运转时,电机的U/V/W三相绕组温度变送器均不同程度在PLC端出现报负值和温度数值大幅度波动现象,经现场确认电机运转正常,电机一次仪表温度值正常,泵壳温度轴承温度等参数显示均正常,当电机在其余转速区间运行时三相绕组温度变送器正常工作。
 
2)现象2
        当4#变频电机运转时,驱动端一侧振动变送器向PLC输出振动值无规则跳变,幅度时大时小,当振动值超过PLC设定停机值时造成变频泵事故停机甩泵,严重影响日东线正常生产运行。
 
        经查阅资料及调研,目前在用变频器存在3种干扰,下面做简要介绍。
 
        谐波干扰:整流电路会产生谐波电流,这种谐波电流在供电系统的阻抗上产生电压降,导致电压波形发生畸变,这种畸变的电压对于许多电子设备形成干扰,这种干扰尤其会对同一电网的其他弱电系统造成更严重的干扰,而且不受距离限制。
 
        射频辐射干扰:用通俗的话来讲,变频器在运行中,的输入输出电缆就相当于一根天线,电缆上传输的PWM电压会产生电磁波辐射,对靠近电缆和变频器的区域发出干扰辐射,其他电子设备离得越近,干扰现象越严重。
 
        射频传导发射干扰:由于负载电压为脉冲状。因此,变频器从电网吸取电流也是脉冲状,这种脉冲电流中包含了大量的高频成分,形成射频干扰。
 
        由于电磁干扰的形成必然需要3个要素:电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统,本着对目前生产运行模式影响较小且考虑到经济效益等因素,在问题发生时,首先从第三个要素也就是对电磁干扰敏感的系统下手,维护人员从干扰产生到PLC上位机整条信号线路进行了分析并逐一排查,从测温电阻到变送器、设备内部线路、端子排、场区内仪表信号电缆和浪涌保护器,非常后连PLC模块也不放过。并非常终得出以下结论:
 
        ① 发生问题的温度变送器属于不带隔离的变送器,抗电磁干扰性能较差,当电机在变频运转情况下,对距离较近的电子设备产生较大电磁干扰,导致变送器输出电流波动较大,干扰严重时变送器停止工作并固定输出2mA故障电流,在站控机上显示为负值。
 
        ② 同样对振动变送器做了分析测试,将出现问题的振动变送器安装在工频运转的电机上时,测出的振动数值与手持测振仪相差无几,当安装在变频电机上时测出的振动数值波动异常敏感,与手持测振仪相差较大。由于此变送器壳体为全金属外壳,且内部经过注塑处理,无法打开。因此,判断为此变送器抗干扰元件或结构受损导致输出电流异常。
 
        为彻底解决该问题,在调研的基础上,采购了罗斯蒙特生产的644R一体化温度变送器,此型号温度变送器为三线制且输入输出信号之间有隔离,抗干扰性能较强,将此变送器安装在变频电机后经过测试,电机三相绕组温度均显示正常。同时还调研选购了一台抗干扰性能较强、型号为VIB-C的国产振动变送器,替代变频电机上的振动变送器,不仅测试中振动数值显示正常,后期生产运行中都未出现异常。
兖州站4号输油泵电机U相绕组温度异常
兖州站4号输油泵泵轴承非驱动端震动异常
2 结束语
        在管道建设相关规范标准中,尤其在设计期间,通常采用屏蔽接地等方法来提高系统和设备的抗干扰性能,但是实际运行中往往存在各种缺陷造成干扰现象的发生,日东管道问题事例也说明了变频对温度变送器和振动变送器的干扰带来的不良影响。因此,在管道建设或更新改造中,设计部门和非常终用户都需要充分考虑设备之间的干扰,即在干扰严重的区域选用可靠性较高、抗干扰性能较强的仪表设备,确保其成为保护管道平稳运行的重要手段,而不是成为干扰的一个源点。
 
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