陳美蓉

（江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦，江西 上饒 334224）

1 引言

電鏟是露天礦山的主要采掘設(shè)備之一，具有生產(chǎn)能力強(qiáng)、作業(yè)效率高、使用成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。電鏟弱電控制系統(tǒng)是電鏟正常可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于電鏟特殊的供電條件、惡劣的工作環(huán)境以及自身的工作特性等方面因素影響，電鏟弱電控制系統(tǒng)容易受到各種雷擊及電磁干擾影響，出現(xiàn)控制邏輯混亂、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、板卡損壞、系統(tǒng)死機(jī)、保護(hù)失靈等現(xiàn)象［1-2］，導(dǎo)致電鏟內(nèi)部設(shè)備無法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至危及電鏟整體設(shè)備安全。

雷擊或電磁干擾造成電鏟控制系統(tǒng)故障或損壞從而引起電鏟工作異常，已成為影響采礦場(chǎng)采掘作業(yè)安全生產(chǎn)的重要因素之一。因此，為了保證采礦場(chǎng)電鏟安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)電鏟弱電控制系統(tǒng)采取防雷及抗干擾防護(hù)方法。

2 電鏟控制系統(tǒng)雷害及干擾問題

2.1 電鏟控制系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

以WK-35電鏟［3］為例，控制系統(tǒng)是由HMI人機(jī)界面、PLC核心控制、FCS現(xiàn)場(chǎng)總線組合的自動(dòng)化系統(tǒng)。圖1是電鏟控制系統(tǒng)原理框圖。HMI實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及顯示電鏟各類參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，PLC實(shí)現(xiàn)整鏟運(yùn)行的邏輯控制及閾值保護(hù)，F(xiàn)CS實(shí)現(xiàn)離散控制與狀態(tài)采集。

圖1 電鏟控制系統(tǒng)原理框圖

二次控制電源AC220V由礦山采場(chǎng)移動(dòng)變提供的高壓(6kV)單回路電源經(jīng)電纜送至電鏟，經(jīng)過鏟載6.3kV/0.4kV主變壓器降壓后提供。由于受以下幾種因素影響，電鏟控制系統(tǒng)容易受到各種雷擊及電磁干擾影響［5］。

（1）遠(yuǎn)距離輸電及地質(zhì)條件易受雷擊影響［4］；

（2）礦山及電鏟內(nèi)沖擊性負(fù)荷及間歇性負(fù)荷為主要負(fù)荷，導(dǎo)致電源存在過電壓及干擾；

（3）設(shè)備及運(yùn)機(jī)電纜易發(fā)生短路接地故障，導(dǎo)致存在過電壓；

（4）供電網(wǎng)絡(luò)存在電壓波動(dòng)及振蕩；

（5）電鏟作為運(yùn)機(jī)設(shè)備無法可靠接地。

2.2 雷擊對(duì)電鏟控制系統(tǒng)的影響

大部分二次控制系統(tǒng)的雷擊事故，是由直擊雷或感應(yīng)雷從供電電源側(cè)侵入導(dǎo)致［6］。江銅大山35kV架空線路由于網(wǎng)絡(luò)大，易受雷擊，雷電波在供電線路上傳導(dǎo)會(huì)侵入弱電系統(tǒng)。如，35kV線路遭受雷擊，雷電波可能沿線路通過移動(dòng)變向6kV鏟用變傳播。如果雷擊過電壓達(dá)到6kV避雷器或過電壓保護(hù)器的動(dòng)作閾值，避雷器或過電壓保護(hù)器將會(huì)動(dòng)作。6kV避雷器或過電壓保護(hù)器與鏟用變之間的電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則雷電波施加在鏟用變高壓側(cè)繞組入侵電壓約為：

式中，Uh為雷擊時(shí)雷電波入侵電壓，kV；Up為6kV避雷器或過電壓保護(hù)器動(dòng)作后的殘壓，kV；a為雷電波變化速率，kV/μs；l為6kV避雷器或過電壓保護(hù)器與鏟用變之間的電纜長(zhǎng)度，m；v為雷電波的入侵速度，m/μs；L為接地引下線等效電感，μH；i為通過泄放的雷電流，kA。

假設(shè)供電線路遭受10kA(8/20μs)的雷電波入侵，觸發(fā)6kV避雷器或過電壓保護(hù)器動(dòng)作，其動(dòng)作后殘壓一般不超過20kV，同時(shí)接地引下線等效電感L按照1μH考慮，di/dt按照1.5kA/μs考慮，計(jì)算得出接地引下線的電壓降為1.5kV。L按照50m考慮，雷電波入侵速度約為300m/μs，則由式（1）可得侵入鏟用變高壓側(cè)繞組的電壓最大值約為Uh=20+2×1.5×50/300+1.5=22kV。

根據(jù)變壓的電磁感應(yīng)原理，入侵電壓Uh經(jīng)鏟用變電磁耦合到低壓側(cè)繞組的最大過電壓為：

式中，Ud為耦合至鏟用變低壓側(cè)的等效雷擊過電壓值，kV；k為鏟用變的變比；Z1為鏟用變高壓繞組的等效高頻阻抗，Ω；Z2為鏟用變低壓繞組的等效高頻阻抗，Ω。

取鏟用變高低壓繞組對(duì)雷電波的等效高頻阻抗分別為500Ω、50Ω，則由式（2）可求得Ud≈2.4kV。

此外，由于變壓器繞組間存在鄰近電容（圖2），高壓側(cè)雷擊過電壓有可能通過電容效應(yīng)耦合至變壓器的低壓側(cè)繞組。

圖2 繞組間電容傳遞過電壓等效電路

當(dāng)變壓器高壓側(cè)受到雷擊時(shí)，通過高低壓繞組間相互電容C12與低壓側(cè)對(duì)地電容3C0共同形成電容耦合回路，雷擊過電壓Uh耦合至低壓側(cè)繞組，在低壓側(cè)繞組產(chǎn)生過電壓U2，則有：

在不考慮傳輸導(dǎo)線對(duì)雷擊過電壓的衰減作用下，雷擊傳輸至變壓器低壓側(cè)的過電壓最大值約為6.32kV。電鏟變壓器低壓側(cè)避雷器未裝設(shè)或不可靠時(shí)，雷擊過電壓會(huì)直接影響電鏟的整個(gè)低壓系統(tǒng)。由于變壓器、電機(jī)等設(shè)備絕緣耐受能力高，一般不會(huì)直接造成絕緣擊穿，但可能造成絕緣下降［7］。低壓系統(tǒng)中的弱電控制系統(tǒng)設(shè)備及電子元件，特別是電源模塊部分，絕緣耐受能力低，雷擊往往會(huì)造成此類設(shè)備或元件的擊穿、損壞［8-9］。

此外，由于接地電阻的存在，當(dāng)雷電流通過鏟用變高壓側(cè)6kV避雷器的接地線進(jìn)入電鏟金屬結(jié)構(gòu)體，再經(jīng)履帶不可靠接地流入大地時(shí)，會(huì)造成接地網(wǎng)的局部電位抬升［10］。加之電鏟內(nèi)空間狹小，電纜槽內(nèi)往往有弱電設(shè)備的各種控制及通訊電纜。因此，在電鏟接地和連接在電鏟上面的電纜屏蔽層存在地電位反擊過電壓的風(fēng)險(xiǎn)。反擊過電壓會(huì)在電纜屏蔽層產(chǎn)生電流，通過芯線與屏蔽層之間的耦合作用產(chǎn)生干擾，繼而影響弱電控制系統(tǒng)。

2.3 變頻器對(duì)電鏟控制系統(tǒng)的影響

電鏟驅(qū)動(dòng)核心為變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用AFE整流/回饋單元+IGBT逆變器組成共直流母線多傳動(dòng)系統(tǒng)。主電路一般為交-直-交形式，變頻器整流和逆變時(shí)均會(huì)產(chǎn)生諧波。整流時(shí)產(chǎn)生的諧波以6±1k（k為整流脈沖數(shù)）為主，該諧波會(huì)進(jìn)入供電系統(tǒng)，形成干擾。逆變輸出時(shí)產(chǎn)生的諧波與IGBT開關(guān)頻率有關(guān)，主要為高次諧波，諧波電流在流經(jīng)電纜時(shí)會(huì)向外輻射，造成二次弱電設(shè)備的干擾。

變頻器及其他原因產(chǎn)生的干擾進(jìn)入弱電系統(tǒng)二次電纜的干擾方式，有共模干擾和差模干擾兩種［11］。如圖3和圖4所示，共模干擾是指不同信號(hào)回路和接地系統(tǒng)之間的干擾，差模干擾是指信號(hào)回路之間的干擾。干擾源對(duì)二次電纜的耦合方式有導(dǎo)線直接耦合、分布電容耦合、場(chǎng)強(qiáng)耦合等。

（1）導(dǎo)線直接耦合是指干擾信號(hào)通過二次導(dǎo)線直接進(jìn)入二次系統(tǒng)，從而對(duì)二次系統(tǒng)造成干擾，這是最直接的方式，普遍存在。

（2）分布電容的存在，會(huì)導(dǎo)致高頻電流在二次電纜外波弱電回路感應(yīng)出干擾電勢(shì)。

（3）雷擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生地電位反擊過電壓，該電壓相當(dāng)于在雷電流入地點(diǎn)和弱電系統(tǒng)接地之間接入了一個(gè)電壓源，該電壓源會(huì)對(duì)接地的所有回路及端子產(chǎn)生影響，稱之為共模干擾。

（4）由于電纜兩端接地點(diǎn)電位不相等，在電磁耦合的作用，電纜絕緣層形成的電流會(huì)在電纜芯線上產(chǎn)生差模干擾電壓。這也是要求控制電纜屏蔽線單端接地的主要原因。

圖3 共模干擾

圖4 差模干擾

3 新型防雷及抗干擾治理方法

3.1 傳統(tǒng)防雷及抗干擾方法

傳統(tǒng)防雷及抗干擾方法的重要共同缺點(diǎn)是：通過接地線接入的接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)制造必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，才可能具備防雷擊浪涌過電壓［12］的能力，而對(duì)于屬于運(yùn)機(jī)設(shè)備的電鏟來講，無法做到可靠接地。顯而易見，傳統(tǒng)防雷及抗干擾方法［13-14］在電鏟上的應(yīng)用效果不佳，這在以往的使用中已得到驗(yàn)證。

表1 新型防雷及抗干擾方法技術(shù)指標(biāo)

3.2 新型防雷及抗干擾方法簡(jiǎn)介

新型防雷及抗干擾防護(hù)方法是采用了全新的設(shè)計(jì)理念、集合了多種新技術(shù)和新工藝的專用于弱電控制系統(tǒng)的新一代防雷抗干擾方法。新方法具有電涌防護(hù)、抗電源諧波干擾、電源隔離防護(hù)、地電位反擊過電壓抑制、浪涌轉(zhuǎn)移平衡、后端設(shè)備保護(hù)等功能。

用于電鏟控制系統(tǒng)的新型防雷及抗干擾方法，不完全依賴可靠接地網(wǎng)，特別適用于無法設(shè)置可靠接地網(wǎng)的工況。

新型防雷抗干擾防護(hù)方法的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

3.3 新型防雷及抗干擾方法實(shí)施方案

新型防雷及抗干擾方法的實(shí)施包括兩個(gè)方面：

（1）變壓器低壓側(cè)采用GPAS地電位反擊抑制模塊實(shí)現(xiàn)雷電涌流泄放轉(zhuǎn)移、地電位反擊抑制。接線方案如圖5所示。

（2）弱電控制系統(tǒng)電源側(cè)采用TOVS暫態(tài)過壓防御模塊實(shí)現(xiàn)雷擊過電壓隔離及吸收、電源高頻干擾抑制。接線方案如圖6所示。

圖5 GPAS地電位反擊抑制模塊接線示意圖

圖6 TOVS暫態(tài)過壓防御模塊接線示意圖

圖7 電鏟內(nèi)運(yùn)行的GPAS模塊和TOVS模塊

如圖7所示，該方法具有性能可靠、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)無可靠防雷接地的條件下，為電鏟內(nèi)弱電控制系統(tǒng)提供雷擊浪涌防護(hù)、電源干擾及暫態(tài)過電壓抑制、弱電接地干擾抑制及反擊過電壓抑制等多種保護(hù)功能。

4 新型防雷及抗干擾方法的應(yīng)用

新型防雷及抗干擾方法同時(shí)采用共模抗干擾技術(shù)、差?？垢蓴_技術(shù)、功率阻斷技術(shù)、浪涌等電位轉(zhuǎn)移技術(shù)等新型技術(shù)。在無接地或接地網(wǎng)不滿足要求的情況下，能對(duì)雷擊感應(yīng)浪涌進(jìn)行可靠的抑制及防御，有效克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)防雷抗干擾設(shè)備效果差、可靠性低、需使用接地線接至專用標(biāo)準(zhǔn)防雷接地網(wǎng)的局限［15］，可有效防止雷擊過電壓、各類電源暫態(tài)過電壓、耦合引起的共模和差模過電壓及變頻器引起的高次諧波干擾等對(duì)弱電控制系統(tǒng)造成損害，極大地提高了弱電控制系統(tǒng)的抗雷擊和抗干擾能力，降低了弱電控制系統(tǒng)的損壞率。

新型防雷及抗干擾方法采用模塊化分體式安裝，安裝方式為冗余帶旁路結(jié)構(gòu)的串聯(lián)安裝，具有性能可靠、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。

目前，采區(qū)有12臺(tái)電鏟安裝了GPAS模塊及TOVS模塊，并已運(yùn)行將近一年，沒有發(fā)生弱電控制系統(tǒng)因雷擊事故而損壞的情況。新型防雷及抗干擾方法的應(yīng)用，極大地減少了備件維護(hù)成本、人力資源成本及設(shè)備故障造成停產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

5 結(jié)論

從原有的電鏟弱電控制系統(tǒng)防雷抗干擾現(xiàn)狀及存在的問題出發(fā)，探索研究了一種功能較全面的新型防雷抗干擾方法。

新型防雷抗干擾方法能有效提高電鏟弱電控制系統(tǒng)防雷抗干擾能力，保護(hù)設(shè)備免受雷擊及干擾損害，極大地降低了設(shè)備維修、維護(hù)的費(fèi)用，保障了電鏟的正常運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，同時(shí)也為其他企業(yè)在弱電控制系統(tǒng)防雷抗干擾方面提供了參考。