溫度控制系統(tǒng)布線(xiàn)的可靠性設(shè)計(jì)

張奚語(yǔ)

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410006）

溫度控制系統(tǒng)布線(xiàn)的可靠性設(shè)計(jì)

張奚語(yǔ)

（湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410006）

簡(jiǎn)述了高功率溫度控制系統(tǒng)線(xiàn)路分布和裝配需要解決的主要難題，重點(diǎn)論述了線(xiàn)路裝配和分布在各重要環(huán)節(jié)上的優(yōu)化措施，并介紹了采用這些措施后的實(shí)際效果。

線(xiàn)路分布和裝配；溫度控制系統(tǒng)；線(xiàn)路串?dāng)_；接地

在高速發(fā)展的工業(yè)應(yīng)用中，電氣系統(tǒng)線(xiàn)路的分布和裝配已不是簡(jiǎn)單的電纜布放和連接，因設(shè)備或設(shè)施特性的不同，系統(tǒng)正在向個(gè)性化方向發(fā)展，高功率溫度控制系統(tǒng)線(xiàn)路復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，線(xiàn)路分布和裝配采取針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施非常必要。

1　需要解決的主要問(wèn)題

在高功率溫度控制系統(tǒng)中存在大負(fù)載電纜和晶閘管，電纜因大電流而在周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)，是內(nèi)部主要的電磁干擾源，晶閘管是極易受干擾的器件，需要采取適當(dāng)?shù)木€(xiàn)路分布和裝配技術(shù)措施，在有限的空間內(nèi)成功地解決問(wèn)題。

溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用了大量的模擬信號(hào)電纜、數(shù)字通訊電纜和控制電纜，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)高功率設(shè)備的工頻干擾、電網(wǎng)尖峰脈沖干擾、空間電磁波干擾、靜電干擾的存在，給電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成了影響，采取相應(yīng)的預(yù)防技術(shù)措施非常必要。

溫度控制系統(tǒng)接地措施是保障設(shè)備安全、操作人員安全和設(shè)備正常運(yùn)行的必要手段，是系統(tǒng)抗干擾重要手段，不良的接地方式反而會(huì)成為引入干擾的途徑。

2　線(xiàn)路分布與裝配

2.1線(xiàn)路分布與安裝優(yōu)化措施

2.1.1晶閘管RC回路分布和安裝

在溫度控制系統(tǒng)中，負(fù)載回路應(yīng)用的晶閘管屬于大功率開(kāi)關(guān)元件，其觸發(fā)和關(guān)斷的可靠性直接影響負(fù)載回路運(yùn)行，晶閘管控制的主要對(duì)象是感性負(fù)載，晶閘管兩端電壓上升率過(guò)大，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，RC吸收回路能緩沖晶閘管關(guān)斷時(shí)的電壓變化，提高電路的可靠性，一般情況下，R為100 Ω、C為0.1 μF就能使電壓變化率降低到1 V/μs以下，但RC吸收回路安裝不當(dāng)，引入的分布參數(shù)將影響吸收回路發(fā)揮作用，由于溫度控制系統(tǒng)的裝配柜都是金屬構(gòu)件，走線(xiàn)槽貼裝在金屬構(gòu)件上，連接線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)或布線(xiàn)彎曲時(shí)，容易引入極大的電氣分布參數(shù)，使RC吸收回路實(shí)際作用參數(shù)嚴(yán)重偏離正常值，影響晶閘管正常工作，RC吸收回路最好的安裝方法是直接安裝在晶閘管兩管腳螺釘上，正確的安裝方式見(jiàn)圖1a，圖1b的安裝方式就容易引起RC回路實(shí)際的電氣參數(shù)偏移。

圖1　晶閘管安裝方式

2.1.2電纜的布置與安裝

負(fù)載回路電纜周?chē)艌?chǎng)強(qiáng)度高，是重要的電磁干擾源；為了降低負(fù)載電纜周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度，負(fù)載電纜采用以每控制區(qū)的三相電纜分組捆扎方式，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)滁c(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與該點(diǎn)到直導(dǎo)線(xiàn)的距離成反比，與該導(dǎo)線(xiàn)所通過(guò)的電流成正比，磁場(chǎng)強(qiáng)度方向與電流在直導(dǎo)線(xiàn)中流向?qū)?yīng)，其簡(jiǎn)化公式為：

式中，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，μ為真空磁導(dǎo)率，I為經(jīng)過(guò)無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)的電流，d為該點(diǎn)到無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)的垂直距離。在應(yīng)用中主要考慮導(dǎo)線(xiàn)附近磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此d值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電纜長(zhǎng)度，柜內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)看作無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)來(lái)定量分析，通常在正常情況下，每控制組三相電流基本平衡，所以I1、I2、I3的矢量和接近于零，總磁場(chǎng)強(qiáng)度B近似于零，這樣，三根電纜內(nèi)的電流在其周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)很大程度上相互抵消，在工程實(shí)際應(yīng)用中，該方法可大大降低溫控柜內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低電力電纜對(duì)其他部位的干擾，見(jiàn)圖2所示。

圖2　線(xiàn)纜的布置與安裝

2.1.3晶閘管和負(fù)載電纜散熱安裝

在焦?fàn)柖勺饔孟拢?fù)載電纜和晶閘管本身發(fā)熱量大，容易提升周?chē)h(huán)境溫度，因此，發(fā)熱元器件要安排合理位置，以利于散熱降溫，且不能對(duì)其他儀器儀表正常工作造成影響，溫度控制系統(tǒng)負(fù)載回路電纜和晶閘管分布在柜體內(nèi)靠近中間的垂直方向空間，該部位對(duì)流通風(fēng)效果好，且在上下方向有強(qiáng)風(fēng)冷卻，散熱效果明顯，溫度控制柜內(nèi)的環(huán)境溫度能夠滿(mǎn)足各元器件工作環(huán)境溫度要求。

2012年發(fā)生的“7·16”洪災(zāi)，由于超前預(yù)警，準(zhǔn)備充分，縣委、縣政府科學(xué)決策，組織有序，不僅提前安全轉(zhuǎn)移群眾24 986人，沒(méi)有人員傷亡，而且沿河受淹范圍內(nèi)的大量物資財(cái)產(chǎn)也提前轉(zhuǎn)移，減少經(jīng)濟(jì)損失1億元以上。 與 2007年“7·26”的特大洪災(zāi)造成5.8億元經(jīng)濟(jì)損失相比減災(zāi)效益明顯。 如與 2000年“6·21”同等量級(jí)的洪災(zāi)相比，以現(xiàn)在的價(jià)格計(jì)算，損失要比當(dāng)時(shí)減少2億元以上。經(jīng)2012年“7·16”洪災(zāi)的驗(yàn)證，建不建山洪災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)、建成的山洪災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)是否正常發(fā)揮作用、預(yù)警是否及時(shí)準(zhǔn)確，對(duì)防洪減災(zāi)成效差別極大。

2.2信號(hào)電纜、數(shù)字電纜相關(guān)方面的優(yōu)化措施

溫控儀控制回路電纜、熱電偶補(bǔ)償電纜、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信電纜是系統(tǒng)內(nèi)部最脆弱部分，必須采取優(yōu)化安裝措施。

2.2.1減少線(xiàn)纜間感應(yīng)藕合條件

電纜與強(qiáng)干擾源采取隔離措施，增大與交流電源電纜距離，避免和大電流電纜、交流電源電纜并行，線(xiàn)芯之間距離增加能弱化線(xiàn)纜間的串?dāng)_和感應(yīng)，特別在水平線(xiàn)槽中鋪設(shè)電纜時(shí)，電纜順直，避免交叉。避免線(xiàn)纜擠壓、彎曲及裕量過(guò)長(zhǎng)，線(xiàn)纜彎曲半徑不能小于所安裝線(xiàn)纜直徑的4倍。

2.2.2合理利用電氣金屬結(jié)構(gòu)件對(duì)線(xiàn)路電氣分布參數(shù)造成影響

電力、控制回路的布線(xiàn)應(yīng)盡量靠近機(jī)殼，以利用金屬構(gòu)件來(lái)吸收高頻干擾，而溫度控制系統(tǒng)的晶閘管調(diào)節(jié)-觸發(fā)回路的布線(xiàn)卻應(yīng)該離開(kāi)金屬構(gòu)件，最近距離不小于25 mm，以減少感應(yīng)，避免觸發(fā)脈沖失真，造成晶閘管工作失常；金屬構(gòu)件上的各種開(kāi)孔，要以所穿電纜直徑為參照，以小為宜，通過(guò)孔隙進(jìn)入的干擾電磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與該孔直徑的三次方成正比。

在鋪設(shè)線(xiàn)纜時(shí)，要注意熱電偶補(bǔ)償電纜、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信電纜和可編程控制器控制回路線(xiàn)纜的拉力，避免過(guò)度拉引，線(xiàn)纜的拉力不能超過(guò)規(guī)定的最大承受拉力，電纜拉長(zhǎng)會(huì)造成線(xiàn)纜內(nèi)部對(duì)絞節(jié)距變長(zhǎng)，引起信號(hào)衰減、信號(hào)延遲或失真。解決問(wèn)題的方法就是：線(xiàn)纜排布整齊，布線(xiàn)時(shí)確保線(xiàn)纜自然展開(kāi)，用系纜帶固定線(xiàn)纜時(shí)，線(xiàn)纜外皮不變形；在配線(xiàn)柜中，線(xiàn)纜密度很高，為了保持線(xiàn)纜整齊，容易把線(xiàn)纜束的太緊，要使用專(zhuān)業(yè)的尼龍綁帶，這種裝置不會(huì)壓迫線(xiàn)纜，每隔1.5～2 m綁扎固定，綁扎間距不宜過(guò)短。

2.3系統(tǒng)接地線(xiàn)的正確分布和安裝

接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性的重要手段之一，正確的接地既能抑制干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)生干擾，而錯(cuò)誤的接地反而能引入嚴(yán)重的干擾，甚至使電子設(shè)備無(wú)法工作，窯爐電氣系統(tǒng)有多種裝置分配在多個(gè)位置，其接地線(xiàn)路往往形成較復(fù)雜的接地網(wǎng)絡(luò)，在分布和安裝地線(xiàn)時(shí)，需要進(jìn)行周密的考慮，否則接地的作用就不可能得到充分的發(fā)揮。為了保證窯爐電氣系統(tǒng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性，電氣系統(tǒng)接地線(xiàn)主要設(shè)置了保護(hù)接地和屏蔽接地兩種方式，其總體分布和安裝如圖3。

圖3　系統(tǒng)接地的正確安裝

保護(hù)接地：為了防止設(shè)備的金屬外殼帶電而危及操作人員的人身安全，任何電氣設(shè)備必須要有保護(hù)接地措施；溫度控制系統(tǒng)保護(hù)接地的方式采用保護(hù)地線(xiàn)，不宜采用保護(hù)接零；保護(hù)接零的方式是，配電房有一專(zhuān)用地線(xiàn)PEN，中性點(diǎn)和保護(hù)接地線(xiàn)同時(shí)接PEN線(xiàn)，當(dāng)設(shè)備絕緣層受損時(shí)，保護(hù)接地線(xiàn)中會(huì)有很大的短路電流，造成接地電位急劇上升，對(duì)其他地線(xiàn)造成干擾，而保護(hù)地線(xiàn)方式是中性點(diǎn)不接地，即使設(shè)備絕緣層受損時(shí)，由于供電系統(tǒng)未通過(guò)地線(xiàn)形成回路，保護(hù)接地線(xiàn)中通過(guò)的電流不大，引入地線(xiàn)的電流相應(yīng)就小，有利于設(shè)備的抗干擾，溫度控制系統(tǒng)保護(hù)接地具體布置是:先確定接地裝置位置，用盡量短的電纜，將設(shè)備各部分的金屬外殼連接起來(lái)后直接接入接地裝置。

屏蔽接地：溫度控制系統(tǒng)電纜屏蔽層接地采用一點(diǎn)接地原則，即每根屏蔽線(xiàn)的屏蔽層只有一點(diǎn)接地，所有屏蔽接地線(xiàn)必須連接到一個(gè)接地點(diǎn)；選擇信號(hào)源或接收器一側(cè)接地同時(shí)在線(xiàn)路上對(duì)地電容大的一端接地，減少信號(hào)電纜本身對(duì)地分布電容對(duì)數(shù)據(jù)或信號(hào)傳送的影響；屏蔽層實(shí)行單端接地，防止任何一根電纜的屏蔽層形成閉合環(huán)路，一方面避免電纜屏蔽層內(nèi)部電流串入，另一方面避免感應(yīng)磁場(chǎng)在屏蔽層中產(chǎn)生感應(yīng)電流及雷擊時(shí)通過(guò)大地向屏蔽層引入干擾電流。

3　結(jié)束語(yǔ)

在早期的溫度控制系統(tǒng)中，通常采用晶閘管過(guò)零觸發(fā)方式，該方式對(duì)外產(chǎn)生的干擾相對(duì)較低，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)有誤觸發(fā)現(xiàn)象，在對(duì)溫度控制系統(tǒng)線(xiàn)路分布與裝配技術(shù)采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)后，此類(lèi)現(xiàn)象得以消除，現(xiàn)在，為了滿(mǎn)足用戶(hù)要求，溫度控制系統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)模式采用了移相觸發(fā)方式，此方式產(chǎn)生的電磁干擾比過(guò)零觸發(fā)嚴(yán)重，由于繼續(xù)采用了電氣控制系統(tǒng)線(xiàn)路分布與裝配技術(shù)，晶閘管誤觸發(fā)現(xiàn)象沒(méi)再發(fā)生，電氣控制系統(tǒng)線(xiàn)路分布與裝配優(yōu)化技術(shù)在應(yīng)用上很有實(shí)效。

［1］郭銀景.電磁兼容原理及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］張松春，竺子芳，趙秀芬，等.電子控制設(shè)備抗干擾技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

The Optimized Design of the Electric Circuit Distribution and Assembly Technology in Temperature Control System

ZHANG Xiyu

（The High School Attached To Hunan Normal University，Changsha 410006，China）

This article briefly describes the main difficult problems which the temperature control system needs to solve，and elaborated the optimized design measures of line distribution and assembly with emphasis on each important link.The practical implementation of these measures is also demonstrated.

Electric circuit distribution and assembly；Temperature control system；The electric circuit string harasses；Line-to-ground

TN703

B

1004-4507（2016）10-0051-04

2016-09-14

張奚語(yǔ)（1999－），男，湖南長(zhǎng)沙人，湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)，學(xué)生，課余從事電子技術(shù)的應(yīng)用研究。