淺談火電廠測控系統干擾及處理辦法

【摘要】隨著計算機控制技術的飛速發(fā)展，DCS應用于發(fā)電廠控制系統中。熱工測控系統的可靠性直接影響到發(fā)電廠的安全生產和經濟運行。其中，系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。為保證熱工控制系統的正常運行，防止和消除干擾是一個不容忽視的環(huán)節(jié)。下面就熱工控制系統在應用中的干擾與抗干擾問題作相關介紹。

【關鍵詞】干擾；接地；屏蔽

一、干擾的來源

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

1.因設計、安裝、使用環(huán)境不符合要求而產生的干擾。就像控制室位置不合適靠近大型電氣設備等，控制室結構設計不完善，控制室靠近振動源或熱源會產生線路卡件接觸不良或因溫度超限等都會干擾DCS系統的可靠性。

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

3.供電系統引入的干擾：變壓器，穩(wěn)壓電源，開關電源，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致邏輯電路的誤動作出現誤操作。

4.MCC柜、變頻器、電機等電器設備引入的電磁干擾，現場大型設備的頻繁啟動及各種開關裝置的頻繁動作通常會伴隨有電磁火花會產生很大的突變磁場，該磁場既可以通過信號線耦合產生干擾，也可能經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，就會影響DCS控制系統的工作。

5.由于接地系統不合理引入的干擾；當接地電阻過大，多點接地，接地線斷裂或接地線與高壓大電流電機同地，就會造成DCS的“死機”或信號數據失真。

6.電源線、信號線傳導耦合引入的干擾，這種干擾可以分為以下幾種情況：

1）強電和弱電信號同時接入控制系統中，這些信號線或者同走一個電纜槽盒或者同穿電纜管，干擾就會通過分布電容加到別的信號線上，同時交變信號周圍產生交變磁通，并行的導體之間產生電動勢，造成線路的干擾。

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

現在很多設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，也不能有效保護弱電的正常傳輸，因為交變電壓對靜電場有擊穿能力，從而干擾弱電導體。因此，有效的屏蔽方式是將屏蔽層一端或多端進行良好接地。

二、干擾方式

1.依據火電廠現場測控系統的干擾來源干擾可以分為以下幾個方面：

1）電阻耦合引入的干擾（傳導引入）

電纜傳輸信號的過程中，由于絕緣材料老化，線間漏電，或對地漏電引入干擾。

2）電容電感耦合引入的干擾

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

3）DCS系統供電線路上引入的干擾

在生產現場，一些大型電氣設備啟動，大的開關裝置動作產生的火花會在其周圍產生很大的交變磁場.這些交變磁場既可以通過在信號線上耦合產生干擾，也可能通過電源線上產生高頻干擾，這些干擾如果超過允許范圍，也會影響DCS系統的工作。

2.根據電廠直流信號受到的干擾可分為：共模干擾和串模干擾。

根據電廠直流信號受到的干擾，一般分為共模干擾和串模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這就是DCS系統I/O模件損壞率較高的主要原因）。差模電壓指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉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串聯疊加后作用到儀表上的。串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產生的空間電磁場。由傳感感器來的信號線有時長達一二百米，干擾源通過電磁感應和靜電耦合作用加上如此之長的信號線上的感應電壓數值是相當可觀的。例如一路電線與信號線平行敷設時，信號線上的電磁感應電壓和靜電感應電壓分別都可達到毫伏級，然而來自傳感的有效信號電壓的動態(tài)范圍通常僅有幾十毫伏，甚至更小。除了信號線引入的串模干擾外，信號源本身固有的漂移，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引入串模干擾。串模干擾也稱作差模干擾，是指由兩條信號線本身作為回路時，由于外界干擾源或設備內部本身耦合而產生干擾信號。

共模和串模干擾的差別主要是這兩個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、PLC系統的系統對接地的要求未能完全滿足，以及動力電纜、信號電纜分層敷設的原則并未完全貫徹。有時因為現場實際條件所限制以及施工過程中檢查不到位，動力電纜、信號電纜已經混放，這就使強電對弱電的干擾成為可能。因此在遇到干擾問題時檢查線纜的接地狀況、控制系統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，且整改難度相當大，一般必須重新敷設電纜，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。通過生產實踐總結分析，我認為解決現場干擾問題首先應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，當然前提是檢測元件、檢測放大回路無異常，確認無問題的情況下應按以下步驟方法來進行：

1.確認干擾源或確認干擾性質

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

2.消除干擾源或減弱干擾強度

如果確認干擾源是某一固定的裝置或線纜，可以通過技術改造減小干擾源的電磁輻射或改變干擾源的性質。例如對固定干擾源加屏蔽設施，并將屏蔽接地，對于不能避免的動力線引入的電磁干擾，信號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.采用信號隔離裝置

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

4.采用接地電容或濾波電容

對于共模轉串模造成的干擾采用線纜通過電容接地會有很好的效果，對于電磁感應造成的串模干擾可以采用信號回路間加濾波電容的方式。電廠內的電磁干擾源的頻率多為工頻或其倍頻，頻率較低，根據我們的經驗，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回路。

5.檢查控制系統屏蔽線，確保測控系統正確的接地

對于采取以上措施還無法消除的干擾，就必須著手對DCS控制系統接地情況進行檢查。DCS系統的接地主要有屏蔽電纜接地和系統接地，屏蔽電纜一般分為低頻電纜和高頻電纜，低頻信號屏蔽電纜的屏蔽層應采用單點接地，高頻信號電纜及動力電纜的屏蔽層至少應兩端接地或多點接地，DCS系統模擬量屬于低頻信號，信號線必須采取單點接地的方法。電纜屏蔽層的位置也應該符合以下原則：信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地，信號源不接地時，屏蔽層應在DCS側接地，信號線中間有接頭時，兩端屏蔽層應牢固連接并進行良好的絕緣處理，一定要避免多點接地，多測點信號屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽線連接時，各屏蔽層應相互連接好并將絕緣處理好，確保整個屏蔽層只有一點接地。接地系統的接地質量對DCS控制系統的防干擾能力至關重要，DCS控制系統屬于高速低電頻控制裝置，應采用單點直接接地方式。將DCS控制系統內的不同性質的接地，如保護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，各種接地電纜與匯集板的連接應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例分析：

1.在我廠建設期間，有一DCS卡件的某一通道燒壞過兩次，后來經檢查連接該信號的電纜是一根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端子箱，在DCS側也在同一卡件上連接，接線看似無異常，后來發(fā)現經常燒毀通道的這兩芯線距離就地端子箱中220VAC電源線最近，分析認為該線芯受到強電干擾。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，后來根據電流傳導的集膚效應，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過燒毀現象。

2.我廠某電動門在DCS上常顯示故障，故障原因為開關反饋信號同時送到DCS。但就地開關僅為一種狀態(tài)，接點信號都沒問題，DCS提供的48VDC正常，電纜接線屏蔽正確。經過檢查發(fā)現反饋信號線上有100V左右的交流干擾電壓，通過分析認為該干擾是因為和動力電纜混放導致，由于電纜路徑較長，更換成本較高，依據電容隔直流通交流的特性，后來在信號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.我廠二號小機TSI轉速信號由就地磁阻式探頭通過屏蔽線連接至電子間TSI機柜端子排，信號由端子排連接到柜內轉速表，在調試期間停機時只要把信號線接上，轉速表就顯示81r/min，檢查內部設置齒數為37齒，檢查探頭到TSI機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干擾.后來通過分析認為這是一起頻率干擾，分析過程是這樣的：假設整個回路中有50Hz的頻率信號干擾，根據頻率與轉速的60倍關系可以推算出有50x60=3000r/min轉速干擾，該轉速再除以它的極對數也就是齒數37，就應該是顯示的轉速即：3000÷37=81r/min，推算出的干擾轉速剛好與實際顯示轉速相吻合，接著就按照這個思路對有50Hz交流電源的地方進行重點檢查，后來發(fā)現從TSI機柜接線端子到轉速表之間的原廠配線兩端進行了接地（如圖2中機柜7號端子和轉速表3號端子，7號端子和柜內接地相連，3號端子是轉速表內部接地端子），隨后將端子排側的接地打開，整個回路屏蔽連接在轉速表的內部接地端子上（如圖3所示），干擾消除，轉速表停機時實際顯示為實際轉速0。

五、結束語

在火電廠中干擾源普遍存在，DCS控制系統的可靠屏蔽是是電廠安全運行的重要保證，首先要把屏蔽作為重要因素考慮，設計使用電纜應盡可能的避免干擾，其次在發(fā)現問題時，要從施工安裝接線可能存在的問題去考慮發(fā)現問題進行分析和解決。同時要不斷的總結消除干擾的經驗，學習研究新技術，適應新形勢，才能確保系統安全穩(wěn)定。

參考文獻

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