淺談火電廠測控系統(tǒng)干擾及處理辦法

【摘要】隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，DCS應(yīng)用于發(fā)電廠控制系統(tǒng)中。熱工測控系統(tǒng)的可靠性直接影響到發(fā)電廠的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其中，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。為保證熱工控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，防止和消除干擾是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)。下面就熱工控制系統(tǒng)在應(yīng)用中的干擾與抗干擾問題作相關(guān)介紹。

【關(guān)鍵詞】干擾；接地；屏蔽

一、干擾的來源

通常將熱控系統(tǒng)受到的干擾分為外部干擾和內(nèi)部干擾。內(nèi)部干擾主要是電子設(shè)備內(nèi)部電子線路布局不合理，在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生電磁波引起干擾以及內(nèi)部多點(diǎn)接地引起的電位差形成的干擾；外部干擾主要是能在空間產(chǎn)生電磁場的電氣設(shè)備和輸電線路對周圍形成的電磁干擾。在發(fā)電廠中電子設(shè)備的外部干擾源很多，如無線電波，電火花，過電壓，大容器設(shè)備的啟停，電氣設(shè)備事故接地需求等，這些干擾通過以不同的方式作用到電子設(shè)備上，產(chǎn)生有害的電磁干擾，下面主要談?wù)勍獠扛蓴_的來源。外部干擾來源主要有以下幾方面：

1.因設(shè)計(jì)、安裝、使用環(huán)境不符合要求而產(chǎn)生的干擾。就像控制室位置不合適靠近大型電氣設(shè)備等，控制室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不完善，控制室靠近振動(dòng)源或熱源會(huì)產(chǎn)生線路卡件接觸不良或因溫度超限等都會(huì)干擾DCS系統(tǒng)的可靠性。

2.大功率高頻發(fā)生裝置，可控硅變流裝置，直流電機(jī)整流子碳刷的滑動(dòng)，電氣裝置接點(diǎn)斷開時(shí)時(shí)的火花及電焊機(jī)起弧時(shí)都將產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻電磁波，以空間輻射的方式向四周擴(kuò)散，從而傳播到弱電回路中，引起電氣干擾。

3.供電系統(tǒng)引入的干擾：變壓器，穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源，UPS等干擾通常由直流電源濾波不佳，電壓不穩(wěn)或者電源變壓器交流變化引起導(dǎo)致邏輯電路的誤動(dòng)作出現(xiàn)誤操作。

4.MCC柜、變頻器、電機(jī)等電器設(shè)備引入的電磁干擾，現(xiàn)場大型設(shè)備的頻繁啟動(dòng)及各種開關(guān)裝置的頻繁動(dòng)作通常會(huì)伴隨有電磁火花會(huì)產(chǎn)生很大的突變磁場，該磁場既可以通過信號(hào)線耦合產(chǎn)生干擾，也可能經(jīng)過電源線路上傳至各電源插座，這些干擾如果超過允許范圍，就會(huì)影響DCS控制系統(tǒng)的工作。

5.由于接地系統(tǒng)不合理引入的干擾；當(dāng)接地電阻過大，多點(diǎn)接地，接地線斷裂或接地線與高壓大電流電機(jī)同地，就會(huì)造成DCS的“死機(jī)”或信號(hào)數(shù)據(jù)失真。

6.電源線、信號(hào)線傳導(dǎo)耦合引入的干擾，這種干擾可以分為以下幾種情況：

1）強(qiáng)電和弱電信號(hào)同時(shí)接入控制系統(tǒng)中，這些信號(hào)線或者同走一個(gè)電纜槽盒或者同穿電纜管，干擾就會(huì)通過分布電容加到別的信號(hào)線上，同時(shí)交變信號(hào)周圍產(chǎn)生交變磁通，并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，造成線路的干擾。

2）信號(hào)線由于絕緣材料老化漏電二影響其他信號(hào)，也就是說在其他信號(hào)中產(chǎn)生了干擾。

現(xiàn)在很多設(shè)備的接地和電纜的屏蔽線做的比較好，抗干擾能力有了一定的提高，但是在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，干擾電壓或干擾電流是交變的。屏蔽層如果不接地或者多處接地，也不能有效保護(hù)弱電的正常傳輸，因?yàn)榻蛔冸妷簩o電場有擊穿能力，從而干擾弱電導(dǎo)體。因此，有效的屏蔽方式是將屏蔽層一端或多端進(jìn)行良好接地。

二、干擾方式

1.依據(jù)火電廠現(xiàn)場測控系統(tǒng)的干擾來源干擾可以分為以下幾個(gè)方面：

1）電阻耦合引入的干擾（傳導(dǎo)引入）

電纜傳輸信號(hào)的過程中，由于絕緣材料老化，線間漏電，或?qū)Φ芈╇娨敫蓴_。

2）電容電感耦合引入的干擾

現(xiàn)場電纜多為普通屏蔽電纜，信號(hào)線之間均有分布電容存在，會(huì)通過這些分布電容將干擾加到別的信號(hào)線上。同時(shí)由于電纜分層敷設(shè)的原則在現(xiàn)場未能完全執(zhí)行行到位，電力線纜又多為非屏蔽電纜，其交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的磁通，而這些交變磁通會(huì)在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這也會(huì)造成線路上的干擾。

3）DCS系統(tǒng)供電線路上引入的干擾

在生產(chǎn)現(xiàn)場，一些大型電氣設(shè)備啟動(dòng)，大的開關(guān)裝置動(dòng)作產(chǎn)生的火花會(huì)在其周圍產(chǎn)生很大的交變磁場.這些交變磁場既可以通過在信號(hào)線上耦合產(chǎn)生干擾，也可能通過電源線上產(chǎn)生高頻干擾，這些干擾如果超過允許范圍，也會(huì)影響DCS系統(tǒng)的工作。

2.根據(jù)電廠直流信號(hào)受到的干擾可分為：共模干擾和串模干擾。

根據(jù)電廠直流信號(hào)受到的干擾，一般分為共模干擾和串模干擾。共模干擾是信號(hào)對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號(hào)，造成元器件損壞（這就是DCS系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因）。差模電壓指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓。

串模干擾是指干擾電壓與有效信號(hào)串聯(lián)疊加后作用到儀表上的。串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號(hào)線平行鋪設(shè)的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場。由傳感感器來的信號(hào)線有時(shí)長達(dá)一二百米，干擾源通過電磁感應(yīng)和靜電耦合作用加上如此之長的信號(hào)線上的感應(yīng)電壓數(shù)值是相當(dāng)可觀的。例如一路電線與信號(hào)線平行敷設(shè)時(shí)，信號(hào)線上的電磁感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電壓分別都可達(dá)到毫伏級(jí)，然而來自傳感的有效信號(hào)電壓的動(dòng)態(tài)范圍通常僅有幾十毫伏，甚至更小。除了信號(hào)線引入的串模干擾外，信號(hào)源本身固有的漂移，紋波和噪聲，以及電源變壓器不良屏蔽或穩(wěn)壓濾波效果不良等也會(huì)引入串模干擾。串模干擾也稱作差模干擾，是指由兩條信號(hào)線本身作為回路時(shí)，由于外界干擾源或設(shè)備內(nèi)部本身耦合而產(chǎn)生干擾信號(hào)。

共模和串模干擾的差別主要是這兩個(gè)干擾的作用域是不一樣的，共模干擾，是相線/中線與地線之間存在的電磁諧波；而串模干擾，又叫差模干擾，是相線與相線/中間之間存在的電磁。

三、消除干擾的步驟方法

DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)的系統(tǒng)對接地的要求未能完全滿足，以及動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜分層敷設(shè)的原則并未完全貫徹。有時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)場實(shí)際條件所限制以及施工過程中檢查不到位，動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜已經(jīng)混放，這就使強(qiáng)電對弱電的干擾成為可能。因此在遇到干擾問題時(shí)檢查線纜的接地狀況、控制系統(tǒng)的接地狀況往往均為合格，但干擾就是不能消除。這類問題往往不易檢查，且整改難度相當(dāng)大，一般必須重新敷設(shè)電纜，且不一定能解決問題，這種辦法一般不建議，除非電纜絕緣不合格。通過生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)分析，我認(rèn)為解決現(xiàn)場干擾問題首先應(yīng)該檢查電纜的絕緣狀況（線間絕緣、線地絕緣）、屏蔽層接地狀況，當(dāng)然前提是檢測元件、檢測放大回路無異常，確認(rèn)無問題的情況下應(yīng)按以下步驟方法來進(jìn)行：

1.確認(rèn)干擾源或確認(rèn)干擾性質(zhì)

根據(jù)干擾對現(xiàn)場有用信號(hào)影響的特點(diǎn)，分析是否和周圍的電磁環(huán)境、大型設(shè)備的運(yùn)行狀況相關(guān)，如不相關(guān)則單獨(dú)測定信號(hào)線纜對地、線間交直流電壓是否異常，如異常則屬于強(qiáng)干擾，一般由動(dòng)力電纜的強(qiáng)交變磁場造成，如無異常很可能是回路竄入了高次諧波信號(hào)，用一般的萬用表檢測不到。采用信號(hào)線逐路接入的方式可以判明干擾的具體引入點(diǎn)。

2.消除干擾源或減弱干擾強(qiáng)度

如果確認(rèn)干擾源是某一固定的裝置或線纜，可以通過技術(shù)改造減小干擾源的電磁輻射或改變干擾源的性質(zhì)。例如對固定干擾源加屏蔽設(shè)施，并將屏蔽接地，對于不能避免的動(dòng)力線引入的電磁干擾，信號(hào)電纜采用對絞對屏電纜。

如果干擾源是偶然因素，則可以在控制軟件上增加濾波邏輯減少影響。

3.采用信號(hào)隔離裝置

干擾的具體引入點(diǎn)如果能確認(rèn)，對于受干擾面不大的情況下一般采用信號(hào)隔離裝置，如果受干擾面較廣，在控制系統(tǒng)接地合格的情況下最好從干擾源著手。

4.采用接地電容或?yàn)V波電容

對于共模轉(zhuǎn)串模造成的干擾采用線纜通過電容接地會(huì)有很好的效果，對于電磁感應(yīng)造成的串模干擾可以采用信號(hào)回路間加濾波電容的方式。電廠內(nèi)的電磁干擾源的頻率多為工頻或其倍頻，頻率較低，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，電容容量范圍在22uF～220uF效果比較好，既可以消除電磁干擾對測量帶來的影響又可以保證量值有較好的動(dòng)態(tài)特性。但該方法有一定的局限性，它一般只能用于直流信號(hào)回路。

5.檢查控制系統(tǒng)屏蔽線，確保測控系統(tǒng)正確的接地

對于采取以上措施還無法消除的干擾，就必須著手對DCS控制系統(tǒng)接地情況進(jìn)行檢查。DCS系統(tǒng)的接地主要有屏蔽電纜接地和系統(tǒng)接地，屏蔽電纜一般分為低頻電纜和高頻電纜，低頻信號(hào)屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)采用單點(diǎn)接地，高頻信號(hào)電纜及動(dòng)力電纜的屏蔽層至少應(yīng)兩端接地或多點(diǎn)接地，DCS系統(tǒng)模擬量屬于低頻信號(hào)，信號(hào)線必須采取單點(diǎn)接地的方法。電纜屏蔽層的位置也應(yīng)該符合以下原則：信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地，信號(hào)源不接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在DCS側(cè)接地，信號(hào)線中間有接頭時(shí)，兩端屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行良好的絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地，多測點(diǎn)信號(hào)屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽線連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接好并將絕緣處理好，確保整個(gè)屏蔽層只有一點(diǎn)接地。接地系統(tǒng)的接地質(zhì)量對DCS控制系統(tǒng)的防干擾能力至關(guān)重要，DCS控制系統(tǒng)屬于高速低電頻控制裝置，應(yīng)采用單點(diǎn)直接接地方式。將DCS控制系統(tǒng)內(nèi)的不同性質(zhì)的接地，如保護(hù)接地和工作接地分別用把不同的絕緣接地線引至DCS的總接地箱接地匯集板上，再由地線匯集板接入電氣接地網(wǎng)，各種接地電纜與匯集板的連接應(yīng)用線鼻子緊密壓接后用帶彈簧墊的螺栓連接或焊接。

四、火電廠消除干擾的典型實(shí)例分析：

1.在我廠建設(shè)期間，有一DCS卡件的某一通道燒壞過兩次，后來經(jīng)檢查連接該信號(hào)的電纜是一根20芯的電纜，其中使用了12芯，其余為備用芯，這12芯來自于就地同一個(gè)端子箱，在DCS側(cè)也在同一卡件上連接，接線看似無異常，后來發(fā)現(xiàn)經(jīng)常燒毀通道的這兩芯線距離就地端子箱中220VAC電源線最近，分析認(rèn)為該線芯受到強(qiáng)電干擾。再用萬用表測量其中一芯線的對地電壓有130V左右的交流電壓，后來根據(jù)電流傳導(dǎo)的集膚效應(yīng)，采取了如下辦法：將該電纜的備用芯一根一根的接到屏蔽地上，每接一根，干擾電壓就降低20V左右，8跟備用芯全部接地后，該干擾電壓基本全部消除。該通道至今在未出現(xiàn)過燒毀現(xiàn)象。

2.我廠某電動(dòng)門在DCS上常顯示故障，故障原因?yàn)殚_關(guān)反饋信號(hào)同時(shí)送到DCS。但就地開關(guān)僅為一種狀態(tài)，接點(diǎn)信號(hào)都沒問題，DCS提供的48VDC正常，電纜接線屏蔽正確。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)反饋信號(hào)線上有100V左右的交流干擾電壓，通過分析認(rèn)為該干擾是因?yàn)楹蛣?dòng)力電纜混放導(dǎo)致，由于電纜路徑較長，更換成本較高，依據(jù)電容隔直流通交流的特性，后來在信號(hào)線上各對地串接一電容，（接法如圖1所示），該故障徹底消除。這是一起典型的共模轉(zhuǎn)串模造成的干擾采用線纜通過電容接地消除的范例。

3.我廠二號(hào)小機(jī)TSI轉(zhuǎn)速信號(hào)由就地磁阻式探頭通過屏蔽線連接至電子間TSI機(jī)柜端子排，信號(hào)由端子排連接到柜內(nèi)轉(zhuǎn)速表，在調(diào)試期間停機(jī)時(shí)只要把信號(hào)線接上，轉(zhuǎn)速表就顯示81r/min，檢查內(nèi)部設(shè)置齒數(shù)為37齒，檢查探頭到TSI機(jī)柜電纜連接及屏蔽接地都沒問題，用萬用表檢查也沒有電源信號(hào)干擾.后來通過分析認(rèn)為這是一起頻率干擾，分析過程是這樣的：假設(shè)整個(gè)回路中有50Hz的頻率信號(hào)干擾，根據(jù)頻率與轉(zhuǎn)速的60倍關(guān)系可以推算出有50x60=3000r/min轉(zhuǎn)速干擾，該轉(zhuǎn)速再除以它的極對數(shù)也就是齒數(shù)37，就應(yīng)該是顯示的轉(zhuǎn)速即：3000÷37=81r/min，推算出的干擾轉(zhuǎn)速剛好與實(shí)際顯示轉(zhuǎn)速相吻合，接著就按照這個(gè)思路對有50Hz交流電源的地方進(jìn)行重點(diǎn)檢查，后來發(fā)現(xiàn)從TSI機(jī)柜接線端子到轉(zhuǎn)速表之間的原廠配線兩端進(jìn)行了接地（如圖2中機(jī)柜7號(hào)端子和轉(zhuǎn)速表3號(hào)端子，7號(hào)端子和柜內(nèi)接地相連，3號(hào)端子是轉(zhuǎn)速表內(nèi)部接地端子），隨后將端子排側(cè)的接地打開，整個(gè)回路屏蔽連接在轉(zhuǎn)速表的內(nèi)部接地端子上（如圖3所示），干擾消除，轉(zhuǎn)速表停機(jī)時(shí)實(shí)際顯示為實(shí)際轉(zhuǎn)速0。

五、結(jié)束語

在火電廠中干擾源普遍存在，DCS控制系統(tǒng)的可靠屏蔽是是電廠安全運(yùn)行的重要保證，首先要把屏蔽作為重要因素考慮，設(shè)計(jì)使用電纜應(yīng)盡可能的避免干擾，其次在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，要從施工安裝接線可能存在的問題去考慮發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行分析和解決。同時(shí)要不斷的總結(jié)消除干擾的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)研究新技術(shù)，適應(yīng)新形勢，才能確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

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