熱工信號干擾原因分析及抗干擾措施

胡建華

(江蘇淮陰發(fā)電有限責任公司，江蘇 淮安 223002)

隨著大容量、高參數(shù)火電機組熱控自動控制技術的快速發(fā)展和普遍應用，對熱工測量信號的可靠性要求越來越高，但由于現(xiàn)場熱工電纜質量、鋪設走向、接地及其他抗干擾措施不符合規(guī)范要求，常導致熱工測量信號受干擾發(fā)生躍變，導致控制設備出現(xiàn)擾動或發(fā)生誤動作事故，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。因此，對新建機組或檢修改造機組，進行規(guī)范建設和施工，提高熱工測量信號的可靠性，就顯得特別重要。

要解決熱工測量信號受干擾問題，必須首先分析干擾信號的來源和傳播的途徑，只有切斷干擾源，消除傳播途徑，增強設備的抗干擾性能，才能從根本上解決此問題。

1 干擾來源

1.1 電容耦合干擾

電力系統(tǒng)中許多控制信號線必須平行布置，而平行導線之間存在分布電容，為交變干擾信號提供了電抗通道，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電勢。任何交變信號線的周圍均會產(chǎn)生交變的電磁場，而這些交變的電磁場會在并行的導體之間產(chǎn)生電動勢，這也會造成線路上的干擾。

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。這種干擾在施工建設期間一般不會出現(xiàn)，往往是在機組運行相當長時間后出現(xiàn)的一種干擾形式。

1.4 控制機柜內(nèi)部干擾

機柜內(nèi)部的干擾主要來源于機柜內(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。機柜內(nèi)部走線的數(shù)量是相當大的，包括電纜和內(nèi)部二次線，由于空間有限，一般不會在機柜內(nèi)部將強電和弱電信號分開布置，而是一起捆扎布置在走線槽中。電源線、外回路供電信號線產(chǎn)生的交變磁場會對一般的模擬量信號線產(chǎn)生干擾。控制系統(tǒng)長期運行后，接線端子出現(xiàn)松動，加上環(huán)境溫度和濕度一年四季的變化，就會使接線端子和電纜線、二次線這些不同金屬結合的部位出現(xiàn)熱電勢或由金屬腐蝕造成的化學電勢，這些電勢在處于信號回路中時就會成為干擾信號。

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，而且能夠抑制設備向外系統(tǒng)發(fā)出干擾，但是如果系統(tǒng)接地錯誤或者出現(xiàn)異常，就很可能會引入較大的干擾信號，嚴重時會使整個控制系統(tǒng)無法工作。控制系統(tǒng)的接地一般包括系統(tǒng)接地、信號接地、電源接地等。不正常接地對控制系統(tǒng)的干擾主要是由于各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在電位差，引起環(huán)路電流，影響系統(tǒng)的正常工作。

1.6 公共阻抗

當2個或多個回路共用1個阻抗時，可能會通過公共阻抗形成回路間干擾。例如多個電路公用電源時，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)場實際運行中，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，如大型電力設備啟停、開關操作浪涌、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。雖然熱工控制系統(tǒng)電源采用了隔離技術，但因受到其制造工藝與結構所限，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，目前還做不到絕對隔離。

2 抗干擾措施

針對干擾信號產(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；阻斷干擾信號傳播途徑；降低控制設備對干擾的敏感性。其中，消除干擾源是抗干擾的最有效方法，但在現(xiàn)場很難做到。從硬件制造角度則是采取降低卡件和工業(yè)計算機對外部干擾的敏感性，以及減少內(nèi)部擾動的方法來抑制干擾。

為了消除或抑制干擾信號的影響，應在分散控制系統(tǒng)設計、施工、改造、檢修時做好以下工作。

2.1 接地

電子設備接地就是要使電子設備與地保持等電位。分散控制系統(tǒng)的接地可分為以下幾種：安全地(保護地)，即機柜的外殼接地，用以保護人身和設備免受高電壓危害；交流地(電源地)，即計算機電源的中性點接地；信號地(屏蔽地)，即計算機輸入信號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)，即計算機內(nèi)部電路的參考零電位點。

2.2 輻射干擾防范措施

對于電磁輻射造成的干擾應在電子間管理上嚴格要求：機組運行時，在電子間內(nèi)不準使用產(chǎn)生輻射干擾的設備(如移動電話、對講機等)；嚴禁在電子設備間使用電焊機、沖擊鉆等強電磁干擾設備；敷設信號電纜時應盡量遠離高頻設備，避免電磁輻射干擾影響分散控制系統(tǒng)安全運行。

2.3 物理隔離

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

2.4 屏蔽干擾信號

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

2.5 采取平衡抑制方法

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

2.6 軟件抗干擾技術

隨著計算機和DCS技術的日趨成熟，為生產(chǎn)現(xiàn)場中很多復雜、無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都得到了廣泛應用并取得了顯著成果。

2.7 良好的維護

在火電廠熱控系統(tǒng)維護中，不僅要定期對系統(tǒng)接地電纜進行絕緣測試，還要對信號電纜屏蔽層進行對地絕緣測試，防止因長期運行而出現(xiàn)的電纜屏蔽層多點接地現(xiàn)象。對控制系統(tǒng)卡件、機箱、電源定期進行清潔，可以有效減少機柜內(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帶來的干擾。

2.8 加強對溫度和濕度的控制

控制系統(tǒng)環(huán)境溫度和濕度的大幅度變化會導致機柜內(nèi)部出現(xiàn)溫度和化學效應，導致干擾的出現(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 實例分析

某發(fā)電廠3號爐汽包水位等熱工信號受到干擾和檢查情況分析。

3.1 干擾信號形式

3號爐汽包水位測量信號2，3出現(xiàn)階躍尖脈沖，DCS品質判斷為壞點，汽包水位自動跳為手動。另一時段再次出現(xiàn)3號爐汽包水位2，3，4，汽包壓力1，2，3，鍋爐左、右側主汽壓力等熱工信號在同一時刻受到尖脈沖干擾，脈沖寬度達到3～4 s，汽包水位由正常±30 mm間波動突然躍變超過±200 mm，DCS品質判斷為壞點，觸發(fā)汽包水位控制由自動跳到手動，防止汽包水位保護誤動。

3.2 干擾分布情況與檢查分析

3.2.1 干擾分布情況

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

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

(2) 受干擾的熱工信號均在鍋爐電梯4樓平臺以上。

3.2.2 電纜檢查

對3號爐受干擾的汽包水位、汽包壓力、給水流量等信號電纜進行檢查，信號電纜對地絕緣、信號電纜間絕緣、信號電纜屏蔽層對地絕緣均正常。

對3號爐汽包水位、汽包壓力和冷段再熱器左側進口壓力等熱工信號現(xiàn)場變送器柜的信號電纜和伴熱電源電纜進行檢查。發(fā)現(xiàn)3號爐汽包水位、汽包壓力信號和冷段再熱器左側進口壓力信號電纜和變送器伴熱電源電纜通過同一電纜穿線管進入變送器柜，在同一電纜橋架上還有很多動力電纜，如吹灰器的動力電源電纜等。

3.2.3 試驗檢查與分析

3號爐冷段再熱器左側進口壓力信號，經(jīng)常會受到尖脈沖的干擾，且干擾頻次比較高，通過試驗檢查，進一步分析確定干擾源的位置。

(1) 切除3號爐冷段再熱器左側進口壓力信號現(xiàn)場變送器柜伴熱電源，干擾尖脈沖依然存在。

(2) 切除3號爐冷段再熱器左側進口壓力信號動力盤到現(xiàn)場變送器柜伴熱電源，干擾尖脈沖依然存在。

(3) 3號爐冷段再熱器左側進口壓力信號回路長期受到干擾。查閱相關數(shù)據(jù)的歷史曲線，信號長期以來一直存在躍變現(xiàn)象，躍變的幅度及時間與當前現(xiàn)象基本類似。經(jīng)檢查確認，信號電纜屏蔽、接地等措施均滿足規(guī)范要求，DCS機柜接地正常。因此，信號躍變應為電纜回路引入干擾源，從而導致DCS中相關信號異常。

(4) 冬季來臨，相關信號儀表管路投用電伴熱后，信號突變發(fā)生的頻率呈增長趨勢，信號回路受到干擾的跡象越發(fā)明顯。相關信號就地保溫箱中均設置伴熱棒、伴熱帶等伴熱設施，相關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，在伴熱回路停電、通電時易產(chǎn)生電磁感應，易導致保溫箱內(nèi)的信號電纜回路產(chǎn)生干擾，過強的電磁環(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配電段上，檢修電源在使用電焊機時，干擾信號通過伴熱電源，耦合到變送器測量信號中，造成機組停爐事故。儀表伴熱電源如果和檢修電源沒有分開，極易導致干擾信號通過電源耦合到儀表測量信號回路。

3.2.4 干擾源確定

通過現(xiàn)場檢查、處理和試驗分析，初步判斷干擾信號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產(chǎn)生，有的只是在冬季伴熱電源投入后，加劇了干擾信號的強度，通過相互影響疊加才對含有伴熱電源的熱工信號產(chǎn)生干擾。

由于現(xiàn)場信號電纜與動力電纜鋪設在同一電纜橋架上，加上信號電纜屏蔽性能、抗干擾強度逐步下降，動力電纜中負載變化對信號回路易造成電磁干擾，引起信號異常。從3號爐冷段再熱器左側進口壓力信號經(jīng)常出現(xiàn)干擾也可以得到驗證。

3號爐汽包水位等受到干擾的熱工信號，主要是含有伴熱電源的爐側熱工信號。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，檢修段電源負載變化對伴熱電源產(chǎn)生影響，通過電纜耦合到熱工測量信號回路，從而引起熱工信號躍變。

3.2.5 防范措施與效果

為保證熱工測量信號的安全可靠，需采取積極主動的防范措施，消除干擾源對熱工信號的影響。

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

(2) 主動防護，不讓干擾信號竄入測量信號回路。采取了以下措施：

① 將3號爐冷段再熱器左側進口壓力測點信號電纜重新鋪設，更換為抗干擾性能好的電纜，同樣將3號爐汽包水位等重要的保護信號電纜進行更換，重新鋪設。

② 對含有伴熱的3號爐汽包水位、汽包壓力、給水流量和冷段再熱器左側進口壓力等熱工信號現(xiàn)場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)伴熱電源對熱工信號可能產(chǎn)生的干擾。

(3) 被動防護。當干擾信號串入信號回路后可采取以下措施進行處理：在熱工信號回路增加合適的濾波電容，對干擾信號進行濾波。通過增加10 μF，250 V電容，干擾信號被濾除，測量信號沒再出現(xiàn)躍變。但是，信號測量回路并接電容的安全性還需要進一步論證，以確保重要保護測量回路的安全可靠。

上述防護措施抗干擾效果顯著，消除了全部尖脈沖干擾。

4 結束語

以上簡要介紹了熱工信號受干擾的方式及類型，分析了干擾的來源種類，提出了相關應對措施，并利用相關理論指導現(xiàn)場干擾信號源的分析、檢查以及信號源的確定，采取相應防范措施解決了現(xiàn)場熱工信號受干擾的問題。

火電廠熱控DCS系統(tǒng)抗干擾是一個十分復雜的問題，在抗干擾設計中應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)。

1 蔡 輝．DCS系統(tǒng)中熱工信號抗干擾問題探究[J]．中國科技博覽，2010，(35)：231.

2 王 翔，丁俊宏．濱海熱電熱控系統(tǒng)干擾問題分析與處理[C]．第八屆電力工業(yè)節(jié)能減排學術研討會論文集．滁州，2013：108-111.

3 陳 侃．火電廠熱控系統(tǒng)干擾問題分析及對策[J]．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12(14)：65-66.

4 王建東．熱工檢測及控制系統(tǒng)中信號干擾產(chǎn)生與抑制[J].科技風，2010,23(18)：222.

5 熊中全．電廠熱工控制系統(tǒng)應用中的抗干擾問題[J]．城市建設理論研究(電子版)，2013，3(21)：60-64.

6 劉瑞強．電廠熱工控制系統(tǒng)應用中的抗干擾問題處理[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，7(20)：69-70.

7 黃澤山．淺談電廠熱工控制系統(tǒng)應用中的抗干擾分析[J].中國電力教育，2011，27(36)：97-98.

8 邊麗杰．淺議火電廠熱控系統(tǒng)抗干擾技術[J]．城市建設理論研究(電子版)，2011，3(33)：102-104.