發電機測溫點異常問題的分析及處理

萬 翟 張征平

(廣東電網公司電力科學研究院，廣東 廣州 510600)

0 引言

在DCS控制系統中，一般的數據采集通道模塊都具有較強的抗共模、串模干擾能力，但由于DCS應用的環境越來越復雜，所受到的干擾也越來越多。如來自電源波形的畸變、現場設備所產生的電磁干擾、接地電阻的耦合等各種形式的干擾，都可能使系統不能正常工作。特別是在對發電機內部進行溫度測量時，由于檢測元件處于較強電、磁場干擾環境中，其輸出的低電勢信號更容易受到干擾信號的影響。所以當出現測溫顯示異常時，研究分析DCS控制系統干擾信號的來源、成因及抑制措施，對于實現數據的準確、可靠測量具有重要作用。

1 發電機溫度異常現象概述

某電廠2×600 MW國產超臨界燃煤發電機組采用東方電氣的QFSN-600-2-22A型水氫氫冷氣輪發電機，DCS系統采用上海西屋控制系統有限公司的Ovation控制系統。該電廠自投運以來，1#、2#發電機內部較多的測溫點一直存在以下測量不準確的問題。

①當定子線棒進水溫度為36.5℃時，大多數絕緣引水管的出水測溫點溫度在DCS上顯示為44℃左右，數值波動不大，工作正常，但1#、2#、8#出水測溫點溫度僅在25℃左右波動，波動中值比正常溫度低大約20 K。出水溫度低于進水溫度，且波動幅值大，應該為異常測量值。

② DCS顯示11#、39#、40#絕緣引水管的出水溫度在44～52℃之間波動，波動幅值大，為異常測溫點。

③在所有定子鐵心溫度測量值中，有8個測溫點異常。其中，有的溫度值不穩定，波動范圍大，前后兩次測量值波動幅值可達7～12 K;有的溫度值不僅波動范圍大，且波動中值在10～40 K之間，大大低于發電機的熱氫溫度47℃，顯然也為異常測量值。

④DCS顯示汽側和勵側7#、8#槽之間鐵心齒部(D-D剖面)64#測點(101℃)與43#測點(95℃)的測量值大大高于其他鄰近測量值(約為87℃左右)，為可疑測溫點。

2 溫度異常原因分析與處理

2.1 溫度異常原因分析

針對上述異常現象的特點，我們從干擾信號頻率和幅值、通道測量準確性和抗干擾能力、測量回路的抗干擾措施等方面來進行分析和研究。

首先在現場加浮置模擬信號校準1#、2#、8#測點測量回路，校準結果顯示正常，說明測量回路的冷端補償正確，對浮置模擬信號測量準確。

對現場熱電偶輸出信號進行頻譜分析，發現在直流毫伏信號上均疊加有一波形為正弦波、頻率為50 Hz的干擾信號，1#、2#、8#測點的干擾信號波形幅值約為200 mV。在DCS模塊側進行檢測，這一信號幅值已衰減為60 mV。根據多數DCS控制系統通道的抗串模交流干擾信號能力來判斷，這一幅值大小的干擾信號已能對測量帶來影響，但不至于引起20 K的偏差。各通道的抗干擾能力實際測試結果也證明了這點。

檢測一個正常顯示通道(3#測點)輸入信號，其干擾信號頻率、幅值與1#、2#、8#測點通道相似。將1#、2#、8#測點信號接入3#測點通道，DCS均能正確顯示，將3#測點信號接入1#、2#、8#測點通道，DCS均不能正確顯示。經測試，該模塊各通道的抗串模交流干擾能力幾乎一致。至此，可以判斷干擾信號不是引起問題的根本原因。

最后檢查各通道測量回路信號線、屏蔽接地情況，發現1#、2#、8#測點通道與該模塊3#測點通道不同。各測點的接地差異如圖1所示。

圖1 各測點接地差異Fig.1 Grounding difference of various measuring points

在圖1(a)中，1#、2#、8#測點通道屏蔽層在模塊側單端接地，但信號線負端在現場和模塊側分別接地，與地形成回路。由于地電位差的存在，且熱電偶負端熱電極阻抗遠大于地電阻阻抗，因此，在熱電偶負端熱電極上額外疊加電壓降，直接串入熱電偶測量回路，造成測量誤差，從而使DCS顯示示值均比實際溫度偏低20 K左右。

在圖1(b)中，3#測點熱電偶信號在現場接地，屏蔽層在模塊側單點接地。由于熱電偶信號在現場單點接地，與地不會形成地電流回路，不會在熱電偶負端熱電極上額外疊加電壓降，因此，該通道在干擾與1#、2#、8#測點通道相似的情況下顯示正常。但這種接地方式不是最理想的屏蔽接地方式。根據生產實際情況，屏蔽層接地應改在現場信號源側接地才能實現最大可能地防止電場、磁場對熱電偶信號傳輸線路的干擾。

2.1.2 測量值波動

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對現場熱電偶輸出信號進行頻譜分析，發現從發電機膛內出來的熱電偶輸出信號疊加了很強的工頻串模干擾信號。在出水溫度為44℃、參考端溫度為20℃時，測溫元件(T分度熱電偶)產生的直流電壓信號約為1.0 mV，但疊加的工頻串模干擾信號卻達到了近500 mV。

由DCS技術資料可知，I/O模塊的串模抑制比為60 dB(干擾頻率為50 Hz)。通過實際的通道抗串模干擾能力試驗，證明了幅值為1 000 mV的工頻串模干擾在信號溫度為44℃時能引起大約20 K的溫度變化，這與該通道的實際顯示波動幅值接近。因此，11#、39#、40#測點絕緣引水管出水溫度測量值跳變范圍大，最大可能是由疊加在現場熱電偶信號上的高幅值工頻串模干擾引起。

2.1.3 測點溫度

在現場熱電偶冷端進行輸出信號分析，相對于前述的高幅值工頻串模干擾而言，該測點的熱電偶輸出信號上疊加的工頻串模干擾幅值并不高，僅為100 mV左右。

分別用FLUKE萬用表和TEK示波器進行測量，發現在環境溫度為40℃時該熱電偶輸出信號的直流電壓為4.7 mV(由于FLUKE萬用表對地浮置，其抗串模、共模能力較強，特別是對50 Hz的串模干擾有極強的濾波能力，因此該4.7 mV的直流電壓測得值可信度較高)。

由于熱電偶已安裝在發電機內，不能進行實物校準，只能根據目測判斷熱電偶型號。根據目測觀察結果以及廠家技術資料，可以認為該熱電偶為T型熱電偶。查T型熱電偶的分度表，可計算出該熱電偶測量端溫度約為136℃。該推算值與DCS上的測量值基本吻合。檢查該模塊及信號和屏蔽層接地情況，發現其接地方式與圖1(b)相同，不存在信號回路中疊加串模直流干擾的問題。

64#測點所對應的測量通道也經過多次對比檢查，確認該通道冷端補償及熱電偶型號設置是正確的。因此，我們可以得出結論：該熱電偶測量通道測量準確可靠。

對該工頻串模干擾信號進行RC(R=330 Ω、C=1 000 μF)濾波，工頻干擾幅值已從100 mV降至10 mV以內，DCS上該測點的測量值仍然保持穩定為137℃。通道的實際抗干擾能力測試也說明10 mV的工頻干擾對64#測點的測量值不會造成什么影響。

另外，某電廠與該電廠同型號、同批次生產的兩臺發電機相同測溫點的測量結果對比如表1所示。

表1 測量結果對比Tab.1 Comparison of the measuring results

從表1可以看出，該電廠的兩臺發電機與另外某電廠的兩臺發電機在定子鐵心的同一區域反映出64#測點的溫度是最高的。

綜上所述，我們可以得出結論，DCS顯示值反映的就是64#測點的實際溫度值。

2.2 溫度異常處理方法

根據上述各種問題產生原因的分析，提出下述解決辦法。

2.2.1 對異常測溫點的處理

對異常測溫點的處理過程中，通過改變各通道測量回路的接地方式，由兩點接地改為單點接地。由于熱電偶已在發電機側接地，無法改變，因此，統一移去熱電偶信號在模塊側的接地。經修改，幾個通道已能準確測量。另外，雖然信號屏蔽層在模塊側單點接地，但這種接地方式不是最理想的屏蔽接地方式。由DCS的I/O模塊技術資料可知，建議將信號屏蔽層在模塊側接地改為熱電偶信號源側接地方式，如圖2所示，以實現最大可能地防止電場、磁場對熱電偶信號傳輸線路的干擾。

圖2 熱電偶測量通道接地方式Fig.2 Grounding measure of the thermocouple measurement channel

另外，建議在機組停機期間對所有熱電偶測量回路進行信號和屏蔽層接地方式檢查。如有必要，還可以對整個DCS系統的接地方式進行確認。

2.2.2 測量值波動大的處理

由于這些點所用熱電偶的輸出信號上疊加了幅值過大的工頻串模干擾，在機組正常運行時，無法對此工頻串模干擾源進行準確判斷，所以只能采取在I/O模塊側加裝工頻串模干擾濾波電路，以降低該干擾的幅值，使之處于DCS系統通道的串模抗干擾能力范圍內，從而保證測量的準確可靠。經現場試驗，如圖3所示的信號濾波電路可以保證11#、39#、40#測點獲得正確的測量值(對其中元件的參數，可以根據實際情況作一些調整。調試濾波電路時，可先將R用一個1 kΩ或500 Ω的電位器代替，獲得一個最好的阻值后，再用固定阻值的電阻接入濾波電路中)。

圖3 工頻串模干擾濾波電路Fig.3 Filtering circuit for serial mode interference under power frequency

2.2.3 測量值溫度偏高的處理

64#測點的測量值(137℃)已明顯超過鐵心的溫度限值(120℃)，對發電機的安全運行是十分不利的。這應引起廠家的足夠重視，對此問題進行制造工藝上的探討研究，并提出相應的處理措施。

3 結束語

發電機正常運行時存在極強的電磁場干擾，對溫度及其他參數的準確測量帶來很大的影響，這些影響隨著不同的信號測量回路結構又表現出不同的結果特征。應根據不同的結果特征，從干擾信號特性、通道抗干擾能力以及測量回路接地方式等方面進行分析，找到產生問題的真正原因，再采取適合現場安裝條件的措施加以解決。最理想的方式是在機組的設計、安裝期間我們就做好測量的抗干擾措施，如對熱電偶的熱電極采用雙絞線和屏蔽層設計、信號屏蔽層應設計在信號源側接地、安裝時要確認屏蔽層和接地安裝正確和可靠等。在機組運行過程中，如果測量回路中串入不可避免干擾信號，我們應實際檢測干擾信號幅頻特性，通過額外設計、添加干擾信號濾波電路加以解決。

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