热工信号干扰原因分析及抗干扰措施

2015-03-23胡建华

电力安全技术 2015年10期

胡建华

(江苏淮阴发电有限责任公司，江苏淮安 223002)

随着大容量、高参数火电机组热控自动控制技术的快速发展和普遍应用，对热工测量信号的可靠性要求越来越高，但由于现场热工电缆质量、铺设走向、接地及其他抗干扰措施不符合规范要求，常导致热工测量信号受干扰发生跃变，导致控制设备出现扰动或发生误动作事故，严重影响机组安全稳定运行。因此，对新建机组或检修改造机组，进行规范建设和施工，提高热工测量信号的可靠性，就显得特别重要。

要解决热工测量信号受干扰问题，必须首先分析干扰信号的来源和传播的途径，只有切断干扰源，消除传播途径，增强设备的抗干扰性能，才能从根本上解决此问题。

1 干扰来源

1.1 电容耦合干扰

电力系统中许多控制信号线必须平行布置，而平行导线之间存在分布电容，为交变干扰信号提供了电抗通道，使外部干扰窜入。

1.2 电磁耦合干扰

电磁耦合是指通过电感引入的感应电势。任何交变信号线的周围均会产生交变的电磁场，而这些交变的电磁场会在并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。

1.3 漏电阻

漏电阻是由于绝缘不良造成的，如绝缘材料老化、漏电而影响到其他信号。这种干扰在施工建设期间一般不会出现，往往是在机组运行相当长时间后出现的一种干扰形式。

1.4 控制机柜内部干扰

机柜内部的干扰主要来源于机柜内部的元器件、不合理走线、系统接线等因素。DCS模板内部元器件及电路间均可能产生电磁辐射。机柜内部走线的数量是相当大的，包括电缆和内部二次线，由于空间有限，一般不会在机柜内部将强电和弱电信号分开布置，而是一起捆扎布置在走线槽中。电源线、外回路供电信号线产生的交变磁场会对一般的模拟量信号线产生干扰。控制系统长期运行后，接线端子出现松动，加上环境温度和湿度一年四季的变化，就会使接线端子和电缆线、二次线这些不同金属结合的部位出现热电势或由金属腐蚀造成的化学电势，这些电势在处于信号回路中时就会成为干扰信号。

1.5 不正常接地干扰

良好的接地可以有效抑制电磁干扰的影响，而且能够抑制设备向外系统发出干扰，但是如果系统接地错误或者出现异常，就很可能会引入较大的干扰信号，严重时会使整个控制系统无法工作。控制系统的接地一般包括系统接地、信号接地、电源接地等。不正常接地对控制系统的干扰主要是由于各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在电位差，引起环路电流，影响系统的正常工作。

1.6 公共阻抗

当2个或多个回路共用1个阻抗时，可能会通过公共阻抗形成回路间干扰。例如多个电路公用电源时，电源内阻和汇流条便成为公共阻抗。

1.7 电源干扰

在现场实际运行中，有很多因电源引入的干扰造成的热工控制系统故障。热工系统的正常供电电源均是由电网提供的，由于电网易受空间电磁场的干扰，且覆盖范围较广，尤其是电网内部发生急剧变化时，如大型电力设备启停、开关操作浪涌、电网短路暂态冲击、雷击等，都可以通过输电线路传到电源侧。虽然热工控制系统电源采用了隔离技术，但因受到其制造工艺与结构所限，隔离性能并不理想。另外由于分布参数，尤其是分布电容的存在，目前还做不到绝对隔离。

2 抗干扰措施

针对干扰信号产生的原因和途径，抗干扰的主要方法有：消除或抑制干扰源；阻断干扰信号传播途径；降低控制设备对干扰的敏感性。其中，消除干扰源是抗干扰的最有效方法，但在现场很难做到。从硬件制造角度则是采取降低卡件和工业计算机对外部干扰的敏感性，以及减少内部扰动的方法来抑制干扰。

为了消除或抑制干扰信号的影响，应在分散控制系统设计、施工、改造、检修时做好以下工作。

2.1 接地

电子设备接地就是要使电子设备与地保持等电位。分散控制系统的接地可分为以下几种：安全地(保护地)，即机柜的外壳接地，用以保护人身和设备免受高电压危害；交流地(电源地)，即计算机电源的中性点接地；信号地(屏蔽地)，即计算机输入信号用的屏蔽电缆的屏蔽接地，用以释放屏蔽层的静电能量；逻辑地(参考地)，即计算机内部电路的参考零电位点。

2.2 辐射干扰防范措施

对于电磁辐射造成的干扰应在电子间管理上严格要求：机组运行时，在电子间内不准使用产生辐射干扰的设备(如移动电话、对讲机等)；严禁在电子设备间使用电焊机、冲击钻等强电磁干扰设备；敷设信号电缆时应尽量远离高频设备，避免电磁辐射干扰影响分散控制系统安全运行。

2.3 物理隔离

在发电厂改造施工和设备检修时，对重要控制系统信号电缆敷设作如下要求：在电缆比较集中的地方，信号电缆、控制电缆应与电力电缆分层敷设，避免信号电缆、控制电缆与电力电缆平行敷设；避免弱电信号回路与强电回路共用接地线。

2.4 屏蔽干扰信号

屏蔽干扰信号的原理是，利用金属导体包围需要屏蔽的元件、信号线、电路和组合件等，以隔离测量设备和干扰信号，抑制电流性噪声耦合，使外界电磁场影响不到测量信号。在实际生产过程中，通常选择屏蔽电缆以消除外界磁场的干扰。

2.5 采取平衡抑制方法

热工控制系统平衡抑制干扰信号的方法是，当2条导线的传输信号相同，并形成相同的干扰电压时，通过平衡电路使导线中的干扰电压处于平衡状态，干扰信号得到抵消，以防止外部电磁场对系统的干扰。因此，在热工控制系统实际运行过程中，可采取平衡抑制的方法，采用双绞线作为系统平衡电路，对系统外部电磁场存在的干扰信号起到一定的抑制作用。

2.6 软件抗干扰技术

随着计算机和DCS技术的日趋成熟，为生产现场中很多复杂、无法用硬件措施抑制的干扰找到了新的解决方法——软件抗干扰。如数字滤波、数字处理等软件抗干扰技术都得到了广泛应用并取得了显著成果。

2.7 良好的维护

在火电厂热控系统维护中，不仅要定期对系统接地电缆进行绝缘测试，还要对信号电缆屏蔽层进行对地绝缘测试，防止因长期运行而出现的电缆屏蔽层多点接地现象。对控制系统卡件、机箱、电源定期进行清洁，可以有效减少机柜内模板之间干扰的产生。接线端子良好的紧固也可以有效减少热电势带来的干扰。

2.8 加强对温度和湿度的控制

控制系统环境温度和湿度的大幅度变化会导致机柜内部出现温度和化学效应，导致干扰的出现，因此必须将环境温度和湿度按照DCS厂家要求控制在一定范围之内。

3 实例分析

某发电厂3号炉汽包水位等热工信号受到干扰和检查情况分析。

3.1 干扰信号形式

3号炉汽包水位测量信号2，3出现阶跃尖脉冲，DCS品质判断为坏点，汽包水位自动跳为手动。另一时段再次出现3号炉汽包水位2，3，4，汽包压力1，2，3，锅炉左、右侧主汽压力等热工信号在同一时刻受到尖脉冲干扰，脉冲宽度达到3～4 s，汽包水位由正常±30 mm间波动突然跃变超过±200 mm，DCS品质判断为坏点，触发汽包水位控制由自动跳到手动，防止汽包水位保护误动。

3.2 干扰分布情况与检查分析

3.2.1 干扰分布情况

同一时刻受到干扰的3号炉汽包水位等热工信号多达14点，经检查这些受到干扰的热工信号具有一定的共同点。

(1) 受干扰的热工信号都带有电伴热，并分布在炉侧周围，有炉南侧、炉北侧和炉东侧。

(2) 受干扰的热工信号均在锅炉电梯4楼平台以上。

3.2.2 电缆检查

对3号炉受干扰的汽包水位、汽包压力、给水流量等信号电缆进行检查，信号电缆对地绝缘、信号电缆间绝缘、信号电缆屏蔽层对地绝缘均正常。

对3号炉汽包水位、汽包压力和冷段再热器左侧进口压力等热工信号现场变送器柜的信号电缆和伴热电源电缆进行检查。发现3号炉汽包水位、汽包压力信号和冷段再热器左侧进口压力信号电缆和变送器伴热电源电缆通过同一电缆穿线管进入变送器柜，在同一电缆桥架上还有很多动力电缆，如吹灰器的动力电源电缆等。

3.2.3 试验检查与分析

3号炉冷段再热器左侧进口压力信号，经常会受到尖脉冲的干扰，且干扰频次比较高，通过试验检查，进一步分析确定干扰源的位置。

(1) 切除3号炉冷段再热器左侧进口压力信号现场变送器柜伴热电源，干扰尖脉冲依然存在。

(2) 切除3号炉冷段再热器左侧进口压力信号动力盘到现场变送器柜伴热电源，干扰尖脉冲依然存在。

(3) 3号炉冷段再热器左侧进口压力信号回路长期受到干扰。查阅相关数据的历史曲线，信号长期以来一直存在跃变现象，跃变的幅度及时间与当前现象基本类似。经检查确认，信号电缆屏蔽、接地等措施均满足规范要求，DCS机柜接地正常。因此，信号跃变应为电缆回路引入干扰源，从而导致DCS中相关信号异常。

(4) 冬季来临，相关信号仪表管路投用电伴热后，信号突变发生的频率呈增长趋势，信号回路受到干扰的迹象越发明显。相关信号就地保温箱中均设置伴热棒、伴热带等伴热设施，相关回路中均配置温度控制装置。保温箱中伴热带呈螺旋状敷设，在伴热回路停电、通电时易产生电磁感应，易导致保温箱内的信号电缆回路产生干扰，过强的电磁环境易影响变送器的正常工作。

(5) 通过咨询了解到，浙江嘉兴某电厂曾经出现过因仪表伴热电源与检修电源同在一个配电段上，检修电源在使用电焊机时，干扰信号通过伴热电源，耦合到变送器测量信号中，造成机组停炉事故。仪表伴热电源如果和检修电源没有分开，极易导致干扰信号通过电源耦合到仪表测量信号回路。

3.2.4 干扰源确定

通过现场检查、处理和试验分析，初步判断干扰信号在一些地方是一直存在的，在另外一些地方需要在一定条件下才会产生，有的只是在冬季伴热电源投入后，加剧了干扰信号的强度，通过相互影响叠加才对含有伴热电源的热工信号产生干扰。

由于现场信号电缆与动力电缆铺设在同一电缆桥架上，加上信号电缆屏蔽性能、抗干扰强度逐步下降，动力电缆中负载变化对信号回路易造成电磁干扰，引起信号异常。从3号炉冷段再热器左侧进口压力信号经常出现干扰也可以得到验证。

3号炉汽包水位等受到干扰的热工信号，主要是含有伴热电源的炉侧热工信号。分析判断为伴热电源接在照明段，而照明段电源与检修段电源没有分开，检修段电源负载变化对伴热电源产生影响，通过电缆耦合到热工测量信号回路，从而引起热工信号跃变。

3.2.5 防范措施与效果

为保证热工测量信号的安全可靠，需采取积极主动的防范措施，消除干扰源对热工信号的影响。

(1) 切断干扰源。将能够切断的干扰源切断，将热工信号伴热电源与检修段电源分开。

(2) 主动防护，不让干扰信号窜入测量信号回路。采取了以下措施：

① 将3号炉冷段再热器左侧进口压力测点信号电缆重新铺设，更换为抗干扰性能好的电缆，同样将3号炉汽包水位等重要的保护信号电缆进行更换，重新铺设。

② 对含有伴热的3号炉汽包水位、汽包压力、给水流量和冷段再热器左侧进口压力等热工信号现场变送器柜的电缆和变送器，分别用金属蛇皮软管和锡箔纸屏蔽，以减少变送器柜内伴热电源对热工信号可能产生的干扰。

(3) 被动防护。当干扰信号串入信号回路后可采取以下措施进行处理：在热工信号回路增加合适的滤波电容，对干扰信号进行滤波。通过增加10 μF，250 V电容，干扰信号被滤除，测量信号没再出现跃变。但是，信号测量回路并接电容的安全性还需要进一步论证，以确保重要保护测量回路的安全可靠。