熱工信號(hào)干擾原因分析及抗干擾措施

胡建華

(江蘇淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 淮安 223002)

隨著大容量、高參數(shù)火電機(jī)組熱控自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展和普遍應(yīng)用，對(duì)熱工測(cè)量信號(hào)的可靠性要求越來(lái)越高，但由于現(xiàn)場(chǎng)熱工電纜質(zhì)量、鋪設(shè)走向、接地及其他抗干擾措施不符合規(guī)范要求，常導(dǎo)致熱工測(cè)量信號(hào)受干擾發(fā)生躍變，導(dǎo)致控制設(shè)備出現(xiàn)擾動(dòng)或發(fā)生誤動(dòng)作事故，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)新建機(jī)組或檢修改造機(jī)組，進(jìn)行規(guī)范建設(shè)和施工，提高熱工測(cè)量信號(hào)的可靠性，就顯得特別重要。

要解決熱工測(cè)量信號(hào)受干擾問題，必須首先分析干擾信號(hào)的來(lái)源和傳播的途徑，只有切斷干擾源，消除傳播途徑，增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾性能，才能從根本上解決此問題。

1 干擾來(lái)源

1.1 電容耦合干擾

電力系統(tǒng)中許多控制信號(hào)線必須平行布置，而平行導(dǎo)線之間存在分布電容，為交變干擾信號(hào)提供了電抗通道，使外部干擾竄入。

1.2 電磁耦合干擾

電磁耦合是指通過電感引入的感應(yīng)電勢(shì)。任何交變信號(hào)線的周圍均會(huì)產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，而這些交變的電磁場(chǎng)會(huì)在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這也會(huì)造成線路上的干擾。

1.3 漏電阻

漏電阻是由于絕緣不良造成的，如絕緣材料老化、漏電而影響到其他信號(hào)。這種干擾在施工建設(shè)期間一般不會(huì)出現(xiàn)，往往是在機(jī)組運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后出現(xiàn)的一種干擾形式。

1.4 控制機(jī)柜內(nèi)部干擾

機(jī)柜內(nèi)部的干擾主要來(lái)源于機(jī)柜內(nèi)部的元器件、不合理走線、系統(tǒng)接線等因素。DCS模板內(nèi)部元器件及電路間均可能產(chǎn)生電磁輻射。機(jī)柜內(nèi)部走線的數(shù)量是相當(dāng)大的，包括電纜和內(nèi)部二次線，由于空間有限，一般不會(huì)在機(jī)柜內(nèi)部將強(qiáng)電和弱電信號(hào)分開布置，而是一起捆扎布置在走線槽中。電源線、外回路供電信號(hào)線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)對(duì)一般的模擬量信號(hào)線產(chǎn)生干擾?？刂葡到y(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，接線端子出現(xiàn)松動(dòng)，加上環(huán)境溫度和濕度一年四季的變化，就會(huì)使接線端子和電纜線、二次線這些不同金屬結(jié)合的部位出現(xiàn)熱電勢(shì)或由金屬腐蝕造成的化學(xué)電勢(shì)，這些電勢(shì)在處于信號(hào)回路中時(shí)就會(huì)成為干擾信號(hào)。

1.5 不正常接地干擾

良好的接地可以有效抑制電磁干擾的影響，而且能夠抑制設(shè)備向外系統(tǒng)發(fā)出干擾，但是如果系統(tǒng)接地錯(cuò)誤或者出現(xiàn)異常，就很可能會(huì)引入較大的干擾信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)無(wú)法工作?？刂葡到y(tǒng)的接地一般包括系統(tǒng)接地、信號(hào)接地、電源接地等。不正常接地對(duì)控制系統(tǒng)的干擾主要是由于各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在電位差，引起環(huán)路電流，影響系統(tǒng)的正常工作。

1.6 公共阻抗

當(dāng)2個(gè)或多個(gè)回路共用1個(gè)阻抗時(shí)，可能會(huì)通過公共阻抗形成回路間干擾。例如多個(gè)電路公用電源時(shí)，電源內(nèi)阻和匯流條便成為公共阻抗。

1.7 電源干擾

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，有很多因電源引入的干擾造成的熱工控制系統(tǒng)故障。熱工系統(tǒng)的正常供電電源均是由電網(wǎng)提供的，由于電網(wǎng)易受空間電磁場(chǎng)的干擾，且覆蓋范圍較廣，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生急劇變化時(shí)，如大型電力設(shè)備啟停、開關(guān)操作浪涌、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊、雷擊等，都可以通過輸電線路傳到電源側(cè)。雖然熱工控制系統(tǒng)電源采用了隔離技術(shù)，但因受到其制造工藝與結(jié)構(gòu)所限，隔離性能并不理想。另外由于分布參數(shù)，尤其是分布電容的存在，目前還做不到絕對(duì)隔離。

2 抗干擾措施

針對(duì)干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因和途徑，抗干擾的主要方法有：消除或抑制干擾源；阻斷干擾信號(hào)傳播途徑；降低控制設(shè)備對(duì)干擾的敏感性。其中，消除干擾源是抗干擾的最有效方法，但在現(xiàn)場(chǎng)很難做到。從硬件制造角度則是采取降低卡件和工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)外部干擾的敏感性，以及減少內(nèi)部擾動(dòng)的方法來(lái)抑制干擾。

為了消除或抑制干擾信號(hào)的影響，應(yīng)在分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、改造、檢修時(shí)做好以下工作。

2.1 接地

電子設(shè)備接地就是要使電子設(shè)備與地保持等電位。分散控制系統(tǒng)的接地可分為以下幾種：安全地(保護(hù)地)，即機(jī)柜的外殼接地，用以保護(hù)人身和設(shè)備免受高電壓危害；交流地(電源地)，即計(jì)算機(jī)電源的中性點(diǎn)接地；信號(hào)地(屏蔽地)，即計(jì)算機(jī)輸入信號(hào)用的屏蔽電纜的屏蔽接地，用以釋放屏蔽層的靜電能量；邏輯地(參考地)，即計(jì)算機(jī)內(nèi)部電路的參考零電位點(diǎn)。

2.2 輻射干擾防范措施

對(duì)于電磁輻射造成的干擾應(yīng)在電子間管理上嚴(yán)格要求：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在電子間內(nèi)不準(zhǔn)使用產(chǎn)生輻射干擾的設(shè)備(如移動(dòng)電話、對(duì)講機(jī)等)；嚴(yán)禁在電子設(shè)備間使用電焊機(jī)、沖擊鉆等強(qiáng)電磁干擾設(shè)備；敷設(shè)信號(hào)電纜時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高頻設(shè)備，避免電磁輻射干擾影響分散控制系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.3 物理隔離

在發(fā)電廠改造施工和設(shè)備檢修時(shí)，對(duì)重要控制系統(tǒng)信號(hào)電纜敷設(shè)作如下要求：在電纜比較集中的地方，信號(hào)電纜、控制電纜應(yīng)與電力電纜分層敷設(shè)，避免信號(hào)電纜、控制電纜與電力電纜平行敷設(shè)；避免弱電信號(hào)回路與強(qiáng)電回路共用接地線。

2.4 屏蔽干擾信號(hào)

屏蔽干擾信號(hào)的原理是，利用金屬導(dǎo)體包圍需要屏蔽的元件、信號(hào)線、電路和組合件等，以隔離測(cè)量設(shè)備和干擾信號(hào)，抑制電流性噪聲耦合，使外界電磁場(chǎng)影響不到測(cè)量信號(hào)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常選擇屏蔽電纜以消除外界磁場(chǎng)的干擾。

2.5 采取平衡抑制方法

熱工控制系統(tǒng)平衡抑制干擾信號(hào)的方法是，當(dāng)2條導(dǎo)線的傳輸信號(hào)相同，并形成相同的干擾電壓時(shí)，通過平衡電路使導(dǎo)線中的干擾電壓處于平衡狀態(tài)，干擾信號(hào)得到抵消，以防止外部電磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的干擾。因此，在熱工控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，可采取平衡抑制的方法，采用雙絞線作為系統(tǒng)平衡電路，對(duì)系統(tǒng)外部電磁場(chǎng)存在的干擾信號(hào)起到一定的抑制作用。

2.6 軟件抗干擾技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)和DCS技術(shù)的日趨成熟，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中很多復(fù)雜、無(wú)法用硬件措施抑制的干擾找到了新的解決方法——軟件抗干擾。如數(shù)字濾波、數(shù)字處理等軟件抗干擾技術(shù)都得到了廣泛應(yīng)用并取得了顯著成果。

2.7 良好的維護(hù)

在火電廠熱控系統(tǒng)維護(hù)中，不僅要定期對(duì)系統(tǒng)接地電纜進(jìn)行絕緣測(cè)試，還要對(duì)信號(hào)電纜屏蔽層進(jìn)行對(duì)地絕緣測(cè)試，防止因長(zhǎng)期運(yùn)行而出現(xiàn)的電纜屏蔽層多點(diǎn)接地現(xiàn)象。對(duì)控制系統(tǒng)卡件、機(jī)箱、電源定期進(jìn)行清潔，可以有效減少機(jī)柜內(nèi)模板之間干擾的產(chǎn)生。接線端子良好的緊固也可以有效減少熱電勢(shì)帶來(lái)的干擾。

2.8 加強(qiáng)對(duì)溫度和濕度的控制

控制系統(tǒng)環(huán)境溫度和濕度的大幅度變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)部出現(xiàn)溫度和化學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致干擾的出現(xiàn)，因此必須將環(huán)境溫度和濕度按照DCS廠家要求控制在一定范圍之內(nèi)。

3 實(shí)例分析

某發(fā)電廠3號(hào)爐汽包水位等熱工信號(hào)受到干擾和檢查情況分析。

3.1 干擾信號(hào)形式

3號(hào)爐汽包水位測(cè)量信號(hào)2，3出現(xiàn)階躍尖脈沖，DCS品質(zhì)判斷為壞點(diǎn)，汽包水位自動(dòng)跳為手動(dòng)。另一時(shí)段再次出現(xiàn)3號(hào)爐汽包水位2，3，4，汽包壓力1，2，3，鍋爐左、右側(cè)主汽壓力等熱工信號(hào)在同一時(shí)刻受到尖脈沖干擾，脈沖寬度達(dá)到3～4 s，汽包水位由正?！?0 mm間波動(dòng)突然躍變超過±200 mm，DCS品質(zhì)判斷為壞點(diǎn)，觸發(fā)汽包水位控制由自動(dòng)跳到手動(dòng)，防止汽包水位保護(hù)誤動(dòng)。

3.2 干擾分布情況與檢查分析

3.2.1 干擾分布情況

同一時(shí)刻受到干擾的3號(hào)爐汽包水位等熱工信號(hào)多達(dá)14點(diǎn)，經(jīng)檢查這些受到干擾的熱工信號(hào)具有一定的共同點(diǎn)。

(1) 受干擾的熱工信號(hào)都帶有電伴熱，并分布在爐側(cè)周圍，有爐南側(cè)、爐北側(cè)和爐東側(cè)。

(2) 受干擾的熱工信號(hào)均在鍋爐電梯4樓平臺(tái)以上。

3.2.2 電纜檢查

對(duì)3號(hào)爐受干擾的汽包水位、汽包壓力、給水流量等信號(hào)電纜進(jìn)行檢查，信號(hào)電纜對(duì)地絕緣、信號(hào)電纜間絕緣、信號(hào)電纜屏蔽層對(duì)地絕緣均正常。

對(duì)3號(hào)爐汽包水位、汽包壓力和冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力等熱工信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)變送器柜的信號(hào)電纜和伴熱電源電纜進(jìn)行檢查。發(fā)現(xiàn)3號(hào)爐汽包水位、汽包壓力信號(hào)和冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力信號(hào)電纜和變送器伴熱電源電纜通過同一電纜穿線管進(jìn)入變送器柜，在同一電纜橋架上還有很多動(dòng)力電纜，如吹灰器的動(dòng)力電源電纜等。

3.2.3 試驗(yàn)檢查與分析

3號(hào)爐冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力信號(hào)，經(jīng)常會(huì)受到尖脈沖的干擾，且干擾頻次比較高，通過試驗(yàn)檢查，進(jìn)一步分析確定干擾源的位置。

(1) 切除3號(hào)爐冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)變送器柜伴熱電源，干擾尖脈沖依然存在。

(2) 切除3號(hào)爐冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力信號(hào)動(dòng)力盤到現(xiàn)場(chǎng)變送器柜伴熱電源，干擾尖脈沖依然存在。

(3) 3號(hào)爐冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力信號(hào)回路長(zhǎng)期受到干擾。查閱相關(guān)數(shù)據(jù)的歷史曲線，信號(hào)長(zhǎng)期以來(lái)一直存在躍變現(xiàn)象，躍變的幅度及時(shí)間與當(dāng)前現(xiàn)象基本類似。經(jīng)檢查確認(rèn)，信號(hào)電纜屏蔽、接地等措施均滿足規(guī)范要求，DCS機(jī)柜接地正常。因此，信號(hào)躍變應(yīng)為電纜回路引入干擾源，從而導(dǎo)致DCS中相關(guān)信號(hào)異常。

(4) 冬季來(lái)臨，相關(guān)信號(hào)儀表管路投用電伴熱后，信號(hào)突變發(fā)生的頻率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，信號(hào)回路受到干擾的跡象越發(fā)明顯。相關(guān)信號(hào)就地保溫箱中均設(shè)置伴熱棒、伴熱帶等伴熱設(shè)施，相關(guān)回路中均配置溫度控制裝置。保溫箱中伴熱帶呈螺旋狀敷設(shè)，在伴熱回路停電、通電時(shí)易產(chǎn)生電磁感應(yīng)，易導(dǎo)致保溫箱內(nèi)的信號(hào)電纜回路產(chǎn)生干擾，過強(qiáng)的電磁環(huán)境易影響變送器的正常工作。

(5) 通過咨詢了解到，浙江嘉興某電廠曾經(jīng)出現(xiàn)過因儀表伴熱電源與檢修電源同在一個(gè)配電段上，檢修電源在使用電焊機(jī)時(shí)，干擾信號(hào)通過伴熱電源，耦合到變送器測(cè)量信號(hào)中，造成機(jī)組停爐事故。儀表伴熱電源如果和檢修電源沒有分開，極易導(dǎo)致干擾信號(hào)通過電源耦合到儀表測(cè)量信號(hào)回路。

3.2.4 干擾源確定

通過現(xiàn)場(chǎng)檢查、處理和試驗(yàn)分析，初步判斷干擾信號(hào)在一些地方是一直存在的，在另外一些地方需要在一定條件下才會(huì)產(chǎn)生，有的只是在冬季伴熱電源投入后，加劇了干擾信號(hào)的強(qiáng)度，通過相互影響疊加才對(duì)含有伴熱電源的熱工信號(hào)產(chǎn)生干擾。

由于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜與動(dòng)力電纜鋪設(shè)在同一電纜橋架上，加上信號(hào)電纜屏蔽性能、抗干擾強(qiáng)度逐步下降，動(dòng)力電纜中負(fù)載變化對(duì)信號(hào)回路易造成電磁干擾，引起信號(hào)異常。從3號(hào)爐冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力信號(hào)經(jīng)常出現(xiàn)干擾也可以得到驗(yàn)證。

3號(hào)爐汽包水位等受到干擾的熱工信號(hào)，主要是含有伴熱電源的爐側(cè)熱工信號(hào)。分析判斷為伴熱電源接在照明段，而照明段電源與檢修段電源沒有分開，檢修段電源負(fù)載變化對(duì)伴熱電源產(chǎn)生影響，通過電纜耦合到熱工測(cè)量信號(hào)回路，從而引起熱工信號(hào)躍變。

3.2.5 防范措施與效果

為保證熱工測(cè)量信號(hào)的安全可靠，需采取積極主動(dòng)的防范措施，消除干擾源對(duì)熱工信號(hào)的影響。

(1) 切斷干擾源。將能夠切斷的干擾源切斷，將熱工信號(hào)伴熱電源與檢修段電源分開。

(2) 主動(dòng)防護(hù)，不讓干擾信號(hào)竄入測(cè)量信號(hào)回路。采取了以下措施：

① 將3號(hào)爐冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力測(cè)點(diǎn)信號(hào)電纜重新鋪設(shè)，更換為抗干擾性能好的電纜，同樣將3號(hào)爐汽包水位等重要的保護(hù)信號(hào)電纜進(jìn)行更換，重新鋪設(shè)。

② 對(duì)含有伴熱的3號(hào)爐汽包水位、汽包壓力、給水流量和冷段再熱器左側(cè)進(jìn)口壓力等熱工信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)變送器柜的電纜和變送器，分別用金屬蛇皮軟管和錫箔紙屏蔽，以減少變送器柜內(nèi)伴熱電源對(duì)熱工信號(hào)可能產(chǎn)生的干擾。

(3) 被動(dòng)防護(hù)。當(dāng)干擾信號(hào)串入信號(hào)回路后可采取以下措施進(jìn)行處理：在熱工信號(hào)回路增加合適的濾波電容，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波。通過增加10 μF，250 V電容，干擾信號(hào)被濾除，測(cè)量信號(hào)沒再出現(xiàn)躍變。但是，信號(hào)測(cè)量回路并接電容的安全性還需要進(jìn)一步論證，以確保重要保護(hù)測(cè)量回路的安全可靠。

上述防護(hù)措施抗干擾效果顯著，消除了全部尖脈沖干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上簡(jiǎn)要介紹了熱工信號(hào)受干擾的方式及類型，分析了干擾的來(lái)源種類，提出了相關(guān)應(yīng)對(duì)措施，并利用相關(guān)理論指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)源的分析、檢查以及信號(hào)源的確定，采取相應(yīng)防范措施解決了現(xiàn)場(chǎng)熱工信號(hào)受干擾的問題。

火電廠熱控DCS系統(tǒng)抗干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地采用各種抗干擾措施，利用軟硬件技術(shù)去解決系統(tǒng)中存在的或可能存在的干擾問題，才能有效地提高整個(gè)熱工控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，保障火電廠的安全生產(chǎn)。

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