北方華創(chuàng)真空技術(shù)有限公司■陳世斌

0 引言

近年來(lái)，隨著光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的推進(jìn)，作為光伏組件的上游供應(yīng)商，晶體硅廠家發(fā)生了井噴式地?cái)U(kuò)張。在眾多的單、多晶硅生產(chǎn)廠家中，單晶硅廠的擴(kuò)張最為迅速。在單晶硅廠擴(kuò)產(chǎn)的同時(shí)，整個(gè)單晶硅廠房呈現(xiàn)出裝機(jī)量大、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)直流開(kāi)關(guān)電源柜密集的狀態(tài)，而在關(guān)斷和打開(kāi)IGBT的瞬間會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，諧波的產(chǎn)生會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。因此，在此種現(xiàn)狀下，單晶硅廠的主力設(shè)備——單晶爐電氣控制系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱“電控系統(tǒng)”)在設(shè)計(jì)初期即考慮其抗干擾能力就顯得尤為重要。本文結(jié)合單晶硅廠的現(xiàn)場(chǎng)情況，以裝機(jī)量大、IGBT直流開(kāi)關(guān)電源柜密集的廠房易出現(xiàn)的兩大類干擾為例，對(duì)其產(chǎn)生的原因及造成的影響分別進(jìn)行了分析。

1 干擾源分析

單晶爐電控系統(tǒng)在完成電氣設(shè)計(jì)后，在實(shí)際使用時(shí)會(huì)面臨各種各樣的干擾，但對(duì)可編程邏輯控制器(PLC)與模擬信號(hào)的干擾主要為諧波干擾和觸點(diǎn)分?jǐn)喔蓴_。

1.1 諧波干擾

在生產(chǎn)過(guò)程中，單晶爐設(shè)備整個(gè)產(chǎn)線會(huì)產(chǎn)生大量的諧波干擾。在無(wú)諧波測(cè)試儀的情況下，可使用電壓表和示波器分別測(cè)量整個(gè)電控系統(tǒng)的220 V輸入端，由于測(cè)量點(diǎn)掃描頻率的差異，會(huì)得到不同的結(jié)果，以此來(lái)證明現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備存在高頻次諧波。具體操作步驟如下：

1)使用電壓表測(cè)量電控系統(tǒng)的220 V輸入端，如圖1所示。

圖1 電壓表測(cè)量的電控系統(tǒng)220 V輸入端電壓

從圖1可以看出，電壓表測(cè)得的電控系統(tǒng)輸入端的電壓為標(biāo)準(zhǔn)的220 V，這說(shuō)明電控系統(tǒng)輸入端沒(méi)有問(wèn)題。

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

通過(guò)對(duì)比可知，電壓表的測(cè)量值與示波器的測(cè)量值相差34 V。

圖2 示波器測(cè)量的電控系統(tǒng)輸入端電壓波形

通過(guò)對(duì)比分析圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，電壓表的采樣時(shí)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(shí)發(fā)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(chǎn)生的原因較多，也較為復(fù)雜。但分析當(dāng)前在單晶硅產(chǎn)線產(chǎn)生諧波的原因，主要是由于與單晶硅廠并聯(lián)的其他工廠帶電母線的高壓隔離開(kāi)關(guān)切合時(shí)，對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生電壓沖擊造成的。每次產(chǎn)生的電壓沖擊都會(huì)造成諧波電流和諧波電壓。由于電路分?jǐn)嘣斐傻闹C波電流、諧波電壓的頻譜范圍很廣，幾乎覆蓋整個(gè)頻率范圍，且高頻次諧波的穿透效應(yīng)非常強(qiáng)，在單晶爐供電系統(tǒng)中以物理連接路徑向各個(gè)容性、阻性負(fù)載的模塊輻射傳播，所以這些電壓、電流波會(huì)在每個(gè)不同導(dǎo)體(如端子臺(tái)等)的連接處產(chǎn)生反射，多次反射的疊加會(huì)引發(fā)更高頻次的諧波干擾。

單晶爐電控系統(tǒng)大多采用大功率直流開(kāi)關(guān)電源柜，而此種電源柜的逆變方式與整流調(diào)壓方式都是通過(guò)IGBT采用PWM方式調(diào)壓。PWM方式調(diào)壓即為IGBT的高速開(kāi)合，而在關(guān)斷和打開(kāi)IGBT的瞬間，會(huì)導(dǎo)致大量的諧波產(chǎn)生。

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在前期使用時(shí)，單晶爐設(shè)備的電氣功能不受影響，但在投入使用幾個(gè)月后，便會(huì)出現(xiàn)模擬信號(hào)隨機(jī)干擾、大量用電部件不規(guī)律損壞的現(xiàn)象。

1.2 觸點(diǎn)分?jǐn)喔蓴_

此處的觸點(diǎn)分?jǐn)喔蓴_是指單晶爐電控系統(tǒng)內(nèi)部的繼電器、交流接觸器在斷開(kāi)負(fù)載電源時(shí)，功率側(cè)的干擾會(huì)在斷開(kāi)瞬間沿供電線路對(duì)其他用電部件造成干擾。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，僅1個(gè)交流接觸器的開(kāi)合，就會(huì)造成模擬信號(hào)的大幅度跳動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)模擬信號(hào)系統(tǒng)造成干擾。

將示波器的探頭接到單晶爐電控系統(tǒng)中的0～10 V模擬信號(hào)輸出端，以檢測(cè)在無(wú)繼電器動(dòng)作時(shí)的電壓輸出情況。檢測(cè)結(jié)果顯示，模擬信號(hào)穩(wěn)定輸出，如圖3中的T1區(qū)域所示。此時(shí)，按下操作臺(tái)按鈕，繼電器動(dòng)作，帶負(fù)載的觸點(diǎn)釋放，在釋放的瞬間，示波器顯示屏上出現(xiàn)了如圖3中T2區(qū)域所示的情況，穩(wěn)定的T1區(qū)域模擬量電壓直線波形輸出信號(hào)上疊加了峰-峰值398 mV的干擾，這個(gè)干擾直接導(dǎo)致了操作臺(tái)觸摸屏上模擬信號(hào)的跳動(dòng)，從而導(dǎo)致了部分報(bào)警信號(hào)誤報(bào)。

圖3 模擬信號(hào)輸出

2 抗干擾措施

單晶爐電控系統(tǒng)抗干擾的目標(biāo)是：無(wú)論是外界干擾還是內(nèi)部干擾，都應(yīng)確保數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)和通信信號(hào)穩(wěn)定，并盡可能提高各個(gè)電氣部件的使用壽命。為達(dá)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(qiáng)弱分離”為原則，對(duì)總配線進(jìn)行布局設(shè)計(jì)；且在電氣盒的內(nèi)部設(shè)計(jì)上，采取有效接地等措施。結(jié)合單晶爐電控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)配電環(huán)境，為提高電控系統(tǒng)的抗干擾能力，采取電氣布局與回路保護(hù)設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)的具體措施。

2.1 電氣布局與回路保護(hù)設(shè)計(jì)

在電纜布線時(shí)，需尋找便利的接地點(diǎn)，同時(shí)需考慮接地點(diǎn)的電阻率是否能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，如方鋼、管道等鐵質(zhì)空間。在選用遠(yuǎn)距離信號(hào)傳送電纜時(shí)，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)應(yīng)選擇屏蔽電纜；電纜屏蔽層應(yīng)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(duì)其他功能回路造成空間干擾。傳播路徑較長(zhǎng)的模擬信號(hào)，一定要在模擬信號(hào)輸出端進(jìn)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(yīng)根據(jù)使用的爐臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)干擾情況確定。

圖4 模擬信號(hào)輸出端安裝有濾波電容

對(duì)于含IGBT的逆變系統(tǒng)(如電源柜)，應(yīng)以IGBT的開(kāi)關(guān)頻率與整流功率為切入點(diǎn)進(jìn)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(lái)在成本允許的情況下，對(duì)于單晶爐電源柜最好采用分離式單獨(dú)諧波治理的方式，如圖5所示。

圖5中，每個(gè)電氣負(fù)載對(duì)應(yīng)1個(gè)諧波治理模塊，以此來(lái)預(yù)防高頻次諧波對(duì)電控系統(tǒng)的干擾。

圖5 分離式單獨(dú)諧波治理方式

2.2 電控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)

每個(gè)電氣控制盒的外殼必須做到可靠接地，對(duì)于電氣盒內(nèi)部有同一回路、同一電壓等級(jí)的模擬信號(hào)電源，要根據(jù)信號(hào)接收終端的情況，將其直流電源負(fù)極統(tǒng)一接地，如圖6所示；然后再根據(jù)每個(gè)開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載特性和負(fù)載要求，判斷是否需要在直流側(cè)加裝隔離濾波裝置。

圖6 負(fù)極統(tǒng)一接地的情況

在市電的進(jìn)線引入點(diǎn)設(shè)計(jì)安裝浪涌保護(hù)器，可在市電不穩(wěn)定發(fā)生浪涌時(shí)，對(duì)供電回路形成保護(hù)。在無(wú)源元件構(gòu)成電路電源側(cè)增加π型濾波器，如圖7所示。

圖7 浪涌保護(hù)器與π型濾波器電路

圖7所示的電路不僅能減弱傳導(dǎo)干擾，還能對(duì)輻射干擾有顯著的屏蔽作用。使用濾波器，并在關(guān)鍵信號(hào)導(dǎo)線外側(cè)增加磁環(huán)(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(fù)載要求的不同，某些特定場(chǎng)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(kāi)關(guān)、接觸器等器件分?jǐn)鄷r(shí)對(duì)模擬量信號(hào)源造成的電壓沖擊，還可對(duì)PLC的輸出、輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)產(chǎn)生的瞬變干擾起到抑制作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)單晶爐設(shè)備產(chǎn)線在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的諧波干擾和觸點(diǎn)分?jǐn)喔蓴_這兩類電氣干擾現(xiàn)象，分析了干擾產(chǎn)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(hù)設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)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(kuò)容及設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性將面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。因此，在電氣設(shè)計(jì)初期，必須以電氣特性、電磁兼容性結(jié)合使用環(huán)境，綜合考慮系統(tǒng)的抗干擾能力。