300 MW火電機組分散控制系統抗干擾能力分析

宋海濱

（華電國際青島發電有限責任公司，山東青島266031）

300 MW火電機組分散控制系統抗干擾能力分析

宋海濱

（華電國際青島發電有限責任公司，山東青島266031）

分析青島發電廠3號機組分散控制系統的結構、電源、接地，指出干擾影響DCS的途徑，提出DCS接地網應獨立設置，并設計了一個井群接地網。

公共接地網；井群接地網；干擾；隔離

0 引言

根據DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》第4.1條和GB 51069—2006《電氣安裝工程接地裝置施工及驗收規范》第3.1.1條第15款規定，電氣設備的接地應接至全廠公共接地網上。關于分散控制系統（DCS）的接地，根據DL/T 659《火力發電廠分散控制系統驗收測試規程》的規定，既可以接全廠接地網，也可根據廠家要求設獨立接地網。青島發電廠3號機組為300MW機組，DCS型號為XDPS-400，2005年投產，其接地線接至全廠接地網。

該機組DCS自2012年以來，曾發生多次不明原因的信號擾動現象，2013年還曾發生了一起干擾引起的非正常停機事故。為此，進行了認真排查，分析了XDPS－400的系統結構、電源系統、接地方式，梳理了電纜屏蔽層接地方式，發現DCS總接地線接入400 V電源室的接地網，存在易受強電干擾的隱患。根據干擾隔離原理［1-2］，設計了一個獨立接地網，將DCS的接地點從公共接地網獨立出來。

鑒于地域及周圍條件限制，DCS的獨立接地網并未按常規方式設計，而是采用井群接地網技術。井群接地網采用4個長度為1 m，直徑為20 cm的復合接地體，垂直深埋于井中，然后相互連接，構成一個獨立的DCS接地網。使DCS與全廠公用系統在電氣上完全隔離，徹底阻斷了干擾傳播的通道。改造完成后，經過多處電焊干擾試驗，驗證了DCS獨立接地網是成功的。

從干擾的影響機理看，干擾作為一種外因，如果要影響到DCS內部，其要素不外乎起源、傳播通道、和受體［1，4，6］。接地網成為干擾傳播通道，因此，必須對接地網加以隔離［3，5］。

1 XDPS-400的電源及接地

XDPS-400是以控制站為節點的分布式結構，每個站包括1個控制柜和1個端子柜，每個控制站內的設備電源與接地結構如圖1所示。

圖1 DPU柜電源及接地

圖1中，G1為安全地，G2為數字地，G3為屏蔽地。24 V電源未接地，采用浮空方式。每個機柜的接地引線按組匯集到一起，最后接入接地網，如圖2所示。

圖2 DCS機柜接地匯接

圖2中，G0接地點為400 V接地網。根據IEC對接地方式的定義，DCS的總接地方式屬于TN方式。

1.1 TN接地方式

根據IEC的定義，變壓器鐵心、外殼等與零線N、以及設備保護線PE共用一個接地點屬于TN方式。因為DCS的接地點G0接到400 V接地網上，與廠用變壓器的鐵心、外殼、零線相通，因此，屬于TN方式。如圖3所示。

圖3 TN接地方式

在TN方式中，當發生雷擊或工頻接地時，由于沖擊電流很大，接地網電位將大幅波動，并將導致二次系統的地電位相應波動。解決這一問題的方法是對接地網徹底隔離，即電氣系統或設備的外殼單獨就近接地。

1.2 TT方式

DCS有一個直接接地點，電氣裝置外露導電部分接至電氣上與變壓器保護接地點無關的接地裝置，如圖4所示。

從圖4看，DCS采用TT接地方式后，內外兩個系統已無直接電氣聯系，實現了互相隔離，是最安全的。

圖4 TT系統設備接地方式

2 TN方式時接地網沖擊對DCS的影響

2.1 接地網沖擊對模擬回路的影響

模擬輸入信號（AI）電纜一般采用屏蔽電纜，要求屏蔽層在計算機側單端接地。由于每根信號線都與屏蔽層之間存在分布電容，當兩點接地時，帶通內的高頻干擾將通過分布電容與信號線形成通路，如圖5所示。圖5中，G1為現場接地點，也是接地網干擾沖擊點，G2為計算機側接地點，高頻干擾將在信號回路中形成干擾電流。也就是通常所說的共模干擾最終以串模的形式影響測量電路。

圖5 接地網高頻干擾對模擬信號的影響

其中，r為兩個接地點之間的接地線內阻。如果系統采用TT方式，則可以認為圖5中的內阻r極大，因此，干擾電流I1和I2將忽略不計。

2.2 接地網沖擊對開關量輸入通道的影響

開關量輸入信號（DI）包括開關位置、設備狀態等，一般來自繼電器輔助接點，且采用光電隔離，檢測電路原理如圖6所示。

圖6 接地網對開關量信號干擾原理

對于圖6所示的DI檢測電路，即便當DI接點是開路的，由于存在對地分布電容，G1點的高頻干擾必在DI回路中形成瞬間導通，如果感應電流強度足夠大，則將引起光耦瞬間導通，誤報信號由此產生。DI導線回路越長，該現象越嚴重。

2.3 接地網沖擊對邏輯電路及網絡的影響

在XDPS-400中，每個DPU中控制網的小交換機采用了24 V電源，其內部的5 V電源是浮地的，即小交換機的邏輯地是浮空的。XDPS-400的控制網有脫網現象。脫網故障與接地網干擾有直接關系。當邏輯電路與系統接地距離很近時，由于數字地Gd與接地線G1之間的分布電容C的原因，二者之間建立頻帶內的高頻通道，有可能造成信號電壓瞬間波動，如圖7所示。

圖7 接地網對浮地數字電路干擾原理

從以上所述可以看到，DCS采用獨立接地網（TT方式）是根治外部接地網沖擊對DCS影響的有效措施。

3 DCS的抗干擾設計

3.1 TT接地方式

DCS采用TN方式時，當電氣一次系統發生雷擊、設備接地、電焊等事件時，將影響二次系統，嚴重時干擾測量裝置。因此，二次系統等弱電裝置宜采用獨立的接地，即TT接地方式，并在供電電源處最好采用隔離變壓器，如圖8所示。圖8中，G1為全廠公共接地網，G2為DCS獨立接地網，GB為隔離變壓器。

至于對DCS獨立接地網的要求，由于二次系統本身的特點，一般不會直接發生雷擊接閃，且二次系統供電容量較小，不會發生像一次那樣的大接地電流。因此，其接地網可以不考慮沖擊電阻、跨步電壓、接地網熱腐蝕等，而主要是減小直流電阻、保證接地效果。為了較徹底阻斷干擾傳播通道，還應有針對性的措施。

圖8 采用隔離變壓器的TT接地方式

3.2 模擬回路的設計

采用TT接地方式后，整個模擬信號回路還必須采取嚴格的隔離和屏蔽措施，并在計算機側一點接地。具體為，二次回路電纜的屏蔽層與現場的金屬體絕緣，在控制室內接到專用接地網上。所有接地遵循“一點接地”原則，如圖9所示。

圖9 模擬信號回路屏蔽層及接地

3.3 開關量回路設計

開關量檢測回路應采用如圖10所示的設計，以降低外部干擾。

圖10 開關量信號回路屏蔽層及接地

圖10中，連接DI干接點回路的電纜應采用屏蔽電纜。屏蔽層、DCS機柜及設備外殼、直流工作電源“零電位”應按“一點接地”原則接到DCS獨立接地網G2上。為進一步提高抗工頻干擾效果，光耦取樣于R2兩端的分壓，而且選擇信號充電時間常數大于5 ms，隔離后的數字地Gd可以浮空，也可以按一點接地原則接到獨立接地網上。

3.4 輸出控制回路設計

輸出控制一般涉及3個電源，數字電路電源（+5V），出口繼電器電源（+48 V），直流馬達電源（+220 V），這3個電源之間應隔離。輸出控制回路可采用圖11設計。

圖11 開關量輸出控制回路設計

圖11中，輸出控制電纜的屏蔽層也要在DCS側一點接地。直流馬達控制電源的負端也接DCS接地網。當萬一發生馬達繞組擊穿時，不會產生回路電流，因此也不會發生誤動事故。這是因為，G1和G2之間的電阻很大，從而限制了馬達接地電流。

4 DCS獨立接地網的設計

4.1 獨立接地網的結構

3號機組DCS的接地網采用4個井群式接地極，4個接地極埋在4個直徑為30 cm，深1.2 m的井中，每個井的距離為2.5 m，井內埋設防腐蝕接地極，周圍填充降阻劑。在頂層（地表下0.5 m處）用防腐蝕材料將4個接地極環繞連接。鑒于地質情況，地表下0.8 m即見海水，因此，每個接地極有0.4 m沒于海水中，接地效果極佳。在某個井頂點連接接地引出點。連接點處留有一個檢測井，以便定期檢查和測試。

4.2 接地電阻的測量

接地電阻測試儀器型號為GEOHMC，測量原理按照三線制測量原理測量。根據三線制接地電阻測量原理，測試儀中心樁與小接地網之間的距離必須達到5倍等效接地網半徑以上。因此，按接地等效半徑2.5 m算，中心樁與測量接地體之間的距離為12.5 m，遠樁的距離為25.0 m。測量原理如圖12所示。

圖12 三線制接地電阻測量原理

從測量原理看，這是雙平衡電橋測量。其中為中心樁與接地體以及中心樁與遠樁之間的土壤電阻，由于中心樁與二者之間等距離，因此，假設二者之間的電阻也一樣。因此，接地電阻RG的實質其實是接地體與周圍土壤之間的表面接觸電阻。

實際上，中心樁與二者之間等電阻這種假設是一種理想情況，因為地下地質情況千差萬別。接地點處的土壤情況是關鍵。按照上述測試方法得到3號機組4個接地井的接地電阻為1.7 Ω。

5 結語

3號機組DCS經過獨立接地網改造后，進行電焊沖擊試驗，未再出現信號波動現象。說明DCS設置獨立接地網是成功的。為了提高二次系統的抗干擾能力，對二次系統的電源、模擬量輸入回路、開關量輸入回路、控制回路等分別采取了相應的措施，將二次系統納入一個獨立、全程屏蔽的環境，阻斷了外部干擾的傳播通道。

［1］王洪新.電力系統電磁兼容［M］.武漢：武漢大學出版社，2007.

［2］葉江祺.熱工測量和控制儀表的安裝［M］.北京：中國電力出版社，2008.

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Analysis of Anti-Disturbance Ability of the DCS in the 300 MW Unit

The structure，power system，and grounding of the DCS in Unit 3 are analyzed.Factors impacting interference on DCS are suggested.It is suggested that the grounding grid of DCS ought to be designed separately.A well group structure grounding grid has been designed.

common grounding grid；well group structure grid；disturbance；insulation

TK323

：B

：1007－9904（2014）06－0039－04

2014-08-06

宋海濱（1975），男，工程師，從事發電廠熱工檢修維護技術和生產管理工作。