抑制干擾影響的基本方法

第二講

抑制干擾影響的基本方法孫長生浙江省電力試驗研究院

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郵箱：scs54@WWW.抑制干擾影響的基本方法抑制干擾影響的基本方法接地和等電位連接屏蔽抑制技術控制室屏蔽電纜屏蔽輻射屏蔽電磁屏蔽靜電屏蔽現(xiàn)場方法電路抑制壓敏電阻隔離電容磁環(huán)防浪涌齊納管設備屏蔽1）盡可能地抑制干擾源，削弱其強度輸出，如遠離、屏蔽等；但有的干擾源無法抑制，如雷擊、無線電、發(fā)電機等。2）通過隔離和濾波等，攔截或減小干擾信號各種耦合路徑的傳輸量。屏蔽來自導線的輻射噪聲，削弱干擾的影響3）提高感受體（控制及弱電流電路、控制系統(tǒng)）的抗擾度，增加干擾源的泄放通路。除了簡單的情況外，減少噪聲問題的單一解決方案是不存在，通常需要采取綜合措施。

抑制干擾影響的基本方法目前多數(shù)DCS星形連接方式匯接引入電纜隔層接地箱銅牌，再絕緣銅纜引入接地網（焊接或冷接），連接方式三種：1）專用接地網()：優(yōu)點是地電位較穩(wěn)定，不易受廠網地電位影響。問題需要純凈專用地，電纜難保證單點接地，加上與安全地不同地，設備過電壓時二個地間會有電位差，放電損壞設備。2）共用廠接地網：優(yōu)點是可以避免多點接地，簡單易行。缺點易受動力設備接地附近地電位波動影響，安裝有具體要求。3）通過專用接地網連接電氣地網：不但可避免多點接地，又減小了動力設備接地點地電位波動的影響。連接有兩種方式：▲銅板永久性連接/▲避雷器相連（暫態(tài)連接）討論1——控制系統(tǒng)接地網的連接

U1=（Zsh/（Zsh+1/jwC3））*（X2/（X2+1/jwC4））Us

屏蔽電纜——電氣兩點接地，熱工單點接地，矛盾？討論2——熱工電纜屏蔽接地方式圖1屏蔽電纜的等效電路圖DCS干擾信號主要來源于電纜——干擾信號主要的發(fā)射器也是主要的接收器。通常采用磁屏蔽和屏蔽電纜二種方法防擴散和拒接受。電纜芯線上的耦合電壓計算公式由圖1等效電路列出：屏蔽層若只起屏蔽作用，傳輸?shù)男盘柺情_關量時，從防止暫態(tài)過電壓看，屏蔽層采用基于信號參考電勢的表面接地和兩端接地方式為好，同時起到靜電屏蔽和電磁屏蔽，對靜電耦合和電磁感應都有抑制作用，不僅是提高了電磁兼容性而且不再需要檢測接地故障。因為：對靜電干擾，屏蔽層兩端接地后降低了電纜屏蔽層的阻抗，從而有效地降低了電纜芯線上的靜電耦合電壓；對電磁干擾，屏蔽層兩端接地后使電纜屏蔽層與接地網構成了閉合回路，外部干擾電流在屏蔽層上產生一個與外部干擾電流方向相反的感應縱向電流，這個電流所形成的磁通與干擾磁通反向，減弱了干擾磁通對芯線的影響，起到了抵消降低干擾磁通的作用。電纜屏蔽層二點接地

電纜屏蔽層二點接地

二點接地主要問題：當接地網上流過暫態(tài)電流時導致地電位暫態(tài)波動。圖2如A、B間距離較遠，弱信號電纜屏蔽層兩端存在較大的地電位差eN，則其可能在A—B間信號線上產生較大的低頻環(huán)流。這對屏蔽層還兼信號返回回路的電纜，不但破壞正常圖2兩點接地間的干擾的信號傳輸，甚至可能燒損屏蔽層；還將對信號芯線產生干擾電壓。由于模擬信號穩(wěn)定性和抗干擾性較差，僅1V左右的干擾電壓就可能導致零點漂移和傳輸誤差。這就要求eN不能大于某值（否則屏蔽層流過的電流將對芯線信號產生干擾，易構成各種地回路造成低頻地回路干擾），但電廠難做到(西\嘉)，除非等電位網減少電勢差。對電氣自動裝置和繼電保護回路來說，由于其輸入回路或輸出回路，都有一端處于開關場的高壓或超高壓環(huán)境中，暫態(tài)過電壓，電磁感應干擾是主要矛盾，且電纜芯所在回路為強電回路，因而屏蔽層電流產生的低頻干擾信號影響較小，故電氣專業(yè)規(guī)程規(guī)定：對受高頻干擾信號較多的繼電保護和自動裝置，“當采用靜態(tài)保護和屏蔽電纜時，屏蔽層宜在兩端接地”。通常干擾信號大于1MHz時,將屏蔽體兩端接地。電氣電纜屏蔽層二點接地熱工專業(yè)設備分散，就地電纜屏蔽層都接到全廠公用地難度大，且儀表及控制系統(tǒng)信號絕大多數(shù)為低頻信號，弱電回路，面臨更多的是低頻干擾，電磁感應干擾比較而言矛盾不突出（也有），而廠房內熱工系統(tǒng)范圍內通常沒有設置等電位接地帶，當不能實現(xiàn)等電位接地時，兩點接地產生的屏蔽層電流對芯線產生干擾的程度要大于電磁感應干擾。為保證熱工信號不受地電位不一致導致的干擾電壓的影響，故熱工規(guī)程規(guī)定：除非廠家有特殊要求外，進入DCS的信號均應采用單點接地的方式并在控制柜處集中接地，這樣屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應電壓；避免形成地回路，有利消除低頻干擾。熱工在高頻區(qū)域電纜或一端接地，另一端通過電容或放電管接地。熱工電纜屏蔽層單點接地金屬導體，電纜屏蔽層及金屬線槽（架）等，?由露天場地（循環(huán)水泵房等）進入電纜隔層的金屬電纜?橋架（線槽）及電纜屏蔽層等，應安裝防浪涌保?護器要求或采用?等電位連接。其保護信號的屏蔽電纜，應在屏蔽層兩端?及雷電防護區(qū)交界處做等電位連接并接地。當采用非屏?蔽電纜時，應敷設在金屬管道內并埋地引入，金屬管應?具有電氣導通性，并應在雷電防護區(qū)交界處做等電位連?接并接地，其埋地長度應符合規(guī)定要求。光纜的所有金屬接頭、金屬擋潮層、金屬加強?芯等，應在入戶處直接接地。光纜的所有金屬接頭、金屬擋潮層、金屬加強?芯等，應在入戶處直接接地。2.防干擾措施——電纜安裝、檢修、維護當系統(tǒng)要求一點接地時，電纜外層絕緣性能應良好。重要場合使用的多芯對絞屏蔽電纜，最好選用每對對絞線有單獨屏蔽層且彼此絕緣以防對絞線間感性耦合。雙絞線的屏蔽效果隨每單位長度的絞合數(shù)的增加而提高。電廠通常絞距為50mm左右較經濟適用，雙絞線和屏蔽雙絞線常用于頻率低于100kHz的屏蔽。因為有較大的電容，不適用于高頻或高阻抗回路。同軸電纜是一種特制的用金屬編織網作屏蔽的電纜，在很大的范圍內，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于從直流到甚高頻乃之超高頻的頻段.2.防干擾措施——電纜安裝、檢修、維護2.防干擾措施——電纜安裝、檢修、維護試驗導線噪聲衰減度比例dB平行導線10雙絞線（1絞/101.6mm)14：123雙絞線（1絞/76.2mm)71：137雙絞線（1絞/50.8mm)112：141雙絞線（1絞/25.4mm)141：143金屬導管內平行線22：127DCS控制系統(tǒng)電纜的選取至關重要，宜選用優(yōu)質銅網屏蔽層的控制電纜，但工作在干擾嚴重的環(huán)境中的電纜必須采用優(yōu)質銅網屏蔽層的雙絞線電纜。當經過電磁干擾嚴重區(qū)域的電纜或露天安裝的控制設備信號和電源電纜屏蔽，宜采用復合式總屏蔽（內屏蔽層為一點接地，外層蔽層為兩點接地）。重要信號電纜宜采用總屏帶分屏的計算機專用屏蔽電纜;動力電纜采用屏蔽電纜（主動抗擾）；電纜敷設時信號電纜與動力電纜分層敷設，或保持規(guī)定距離，或加隔離，是提高熱控系統(tǒng)整體抗干擾能力最重要環(huán)節(jié)。2.防干擾措施——電纜安裝、檢修、維護在電廠現(xiàn)場，不允許將信號線和交流電源線設在同一根電纜里，而且還需要將信號線和電源線以及高頻信號線等保持一定的距離。上圖現(xiàn)場總線電纜(紫色)未與執(zhí)行器電源、信號電纜隔離敷設；理圖現(xiàn)場正確的總線電纜敷設方法,總線電纜與其它電纜使用金屬盒隔離，電纜敷設實例

確保DCS控制系統(tǒng)的模擬信號及控制電纜屏蔽層接地方式符合規(guī)定，通常同軸電纜和模擬信號測控電纜宜采用控制室側集中一點接地方式。當電纜屏蔽層采用一點接地時，其接地點應根據信號源和接收端是否接地來確定。多數(shù)測量信號屏蔽層應在DCS機柜側接地，但對于測量端接地的鎧裝熱電偶，DCS側屏蔽電纜應不接地（或DCS內的跨接片連接非接地方式）。檢修時未端測量電纜屏蔽層接地的全程連續(xù)性；斷開電纜屏蔽線與接地線的連接，測量其與地線間的電阻應大于1MΩ。2.防干擾措施——電纜安裝、檢修、維護對于前置器浮空的安裝，屏蔽電纜的屏蔽層全部連通，不得有斷層存在，屏蔽電纜的二頭屏蔽層分別連接到前置器和TSI儀表端子排的COM端（是信號公共線），防止與大地相連，這樣可以較好地解決現(xiàn)場共模和串模干擾產生的影響。嚴禁熱控系統(tǒng)的動力電源和測量信號合用一根電纜。信號電纜在控制系統(tǒng)側單點接地解決不了的干擾問題，可以在干擾源側單點接地試驗。信號干擾時，如能沿途電纜移位，很有可能干擾信號消失。但對于受電纜頒電容影響較大的信號回路,運行中電纜不能輕易挪動,如VM的振動傳感器電纜.2.防干擾措施——電纜安裝、檢修、維護裝有PLC的柜，為了防止受到其他電氣設備漏電流的影響，在電氣上需要和其他設備絕緣設置。應用屏蔽電纜進行輸入/輸出布線時的屏蔽2.防干擾措施——電纜安裝、檢修、維護PLC輸入輸出公用端公用端

圖3屏蔽電纜的接地示意圖

導體的接地，如圖3所示，將靠近PLC側的屏蔽導體連接到外殼接地端子上。但切不可將輸入COM端和輸出COM端相接在一起。通信電纜接地按通信單元手冊中的屏蔽處理原則進行。重要信號的電纜屏蔽層，應盡可能接近接線端?子處破開。破割電纜外皮時，應防止損傷芯線絕緣層。電纜的備用芯應可靠接地。用電設備周圍的磁感應強度B，服從畢奧-薩伐定律，見下式:1）

式中：μ—磁導率，H/m；r—dv到場點（x，y，z）的距離，m；

dv—源點周圍處的體積元，m3；er—源點指向場點的單位矢量。對于線形電流I，由Jdv=Idl，得動力電纜周圍的磁感應強度：

2）式中：dl—源點附近的長度，m。由1）2）式，動力設備和電纜產生的干擾與距離平方成反比，隨距離增大干擾衰減非?？?。所以測控設備遠離動力設備，電纜與動力電纜分層布置或拉遠距離，是防止輻射干擾的重要措施。2.防干擾措施——熱控設備遠離干擾源

熱控設備供電線路上引入的干擾超過容許范圍時將產生影響系統(tǒng)運行。例如：變頻器、大型電氣設備啟停時的電源波動和開關分合火花產生的交變磁場，這些交變磁場既可通過信號線耦合產生干擾，也可能通過電源線產生工頻干擾2.防干擾措施——采用UPS電源或隔離變初級次級屏蔽初級次級屏蔽鐵芯采用UPS電源（正常工作時）、隔離變壓器或抑制干擾裝置，隔離變壓器，初級次級匝數(shù)比為1/1，和一般變壓器不同處：為減小級間分布電容，初次級繞組分開繞制，各自加屏蔽，初次級繞組和鐵芯均接地。是抑止來自工頻電源干擾的有效方法。某電廠二期工程中，燃油泵控制系統(tǒng)的遠程I/O站由于距離較遠采用了就地電源供電，為提高該系統(tǒng)抑止電源干擾能力，安裝隔離變壓器的方法，至目前為止燃油泵遠程I/O系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。某電廠在解決溫度信號漂移的處理過程中，根據外方要求，在電源回路中也增加隔離變壓器，也取得一定效果。2.防干擾措施——采用UPS電源或隔離變DCS一根安全帶，抑制干擾重要環(huán)節(jié)；很多異常與接地相關。接地系統(tǒng)最搞不懂，用戶、廠商技術人員都未必清楚，不同廠家對接地系統(tǒng)要求不一，就是同一家DCS也在不斷改變之中。接地環(huán)節(jié)——基建到運行維護的全過程容易被忽視。接地方式不清楚、專用接地網棄之不用、柜連接不規(guī)范（線扎）、接地不可靠（多點、松動、未接、不連續(xù)、與動力設備接地距離近等），導致干擾侵入。熱工專業(yè)應充分了解控制系統(tǒng)接地分類和目的，對控制系統(tǒng)接地方式、接地線截面選擇、接地要求、信號屏蔽、接地箱布置等方面，進行認真設計和統(tǒng)籌考慮。2.防干擾措施——接地接地系統(tǒng)的主要作用和分類：保護接地（交流地）、邏輯接地（數(shù)字地）也叫主機電源地（邏輯電平負端公共地）、信號回路接地（儀表負端接地）、屏蔽接地。避免信號地與交流地公用，在電源地線的兩點間有毫伏級、甚至是伏級電壓，對于小信號電路來講，是一種嚴重干擾，所以交流地與信號地必須隔離，不能混用為一點。UPS電源系統(tǒng)接地：UPS交流輸入/輸出端中的接地線已連一起且與外殼相連，因此其輸入端接地線要單獨與供電系統(tǒng)電氣地相連（或交流電源進線處就近接地），不要引到DCS中；UPS交流輸出端只引出相線和零線與DCS相連，電纜屏蔽不要在DCS側接地；UPS外殼不能與DCS柜外殼相連或碰在一起。2.防干擾措施——接地控制站接地螺絲因機柜本體與底座間有膠皮形成絕緣，屏蔽地匯流排與底座間絕緣，I/O柜電源地與UPS電源地必須同地。DCS各站、網絡交換機、服務器主機、顯示器等外殼接地或直接將電源地線連接至電氣接地網。I/O模件：模擬量模件的直流24伏負端接至邏輯地匯流排上，邏輯地匯流排接至屏蔽地，再接入總接地匯流排。現(xiàn)場控制站的保護地應從機柜下方的接地螺釘接至接地分干線，現(xiàn)場控制站的屏蔽地應從接地匯流排接至公共接地銅板。獨立熱控系統(tǒng)，應結合其所在環(huán)境確保接地系統(tǒng)可靠。煙囪接地系統(tǒng)具有防雷擊功能,不能用作儀表接地.接地系統(tǒng)的電阻必須進行測試。2.防干擾措施——控制系統(tǒng)接地光纜傳輸：能夠解決輻射干擾和傳導干擾的眾多問題。若在不共地兩點之間，或者在接地狀況很不好的情況下，采用光纜傳輸控制信號，可有效防止接地環(huán)流等干擾。特別是廠房內的控制系統(tǒng)與電機傳動、MCC之間，容易存在接地電位差或接地環(huán)流時，選用光纜優(yōu)于選用雙絞線。光纖傳感器：具有很好的抗干擾性能，響應靈敏度高，隨著光纖傳感器的逐步應用，保護用軸承溫度、液位和振動等信號，均可以采用光纖傳感器代替，這是消除干擾影響的最有效措施。2.防干擾措施——光纜傳輸與光纖傳感器易受雷電干擾的系統(tǒng)，應請電氣專業(yè)配合選擇?合理的位置安裝防浪涌保護器，或確認已安裝防浪涌保?護器的位置合理。從我省已發(fā)生的和收集到的受雷擊事件來看，熱控系統(tǒng)設備受雷擊主要集中在冷卻塔區(qū)域、煙囪區(qū)域、脫硫區(qū)域、化學制水等區(qū)域，為此針對這些區(qū)域的測量與控制設備信號輸入端加裝信號防浪涌保護器?，F(xiàn)場獨立的控制裝置電源，加裝防浪涌保護器。對可能引入諧波污染源的檢修段母線電源、照?明段母線電源、用電設備接入的電源開關等加裝諧波處理裝置，以防止其他設備使?用檢修段電源時產生的諧波污染干擾熱控系統(tǒng)工作。2.防干擾措施——防浪涌保護器可能會因干擾而導致保護聯(lián)鎖系統(tǒng)誤動的外置?傳感器，均應安裝屏蔽防護罩?？赡芤氍F(xiàn)場干擾的儀表（變送器、執(zhí)行器等）加裝金屬防護罩，罩殼可靠接地，附近無接地設施的應敷設接地電纜或接地扁鐵與主接地相連。但注意安裝于煙囪附近的儀表及防護罩接地不得連接煙囪接地系統(tǒng)?，F(xiàn)場電纜磁屏蔽——采用帶蓋板的金屬電纜橋架和電纜槽，兩端可靠接地，達到第二屏蔽層的作用。通信電纜應采用獨立的電纜槽盒或增加金屬隔?離層。2.防干擾措施——加裝防護罩測量精度和系統(tǒng)誤差允許范圍內，測量回路加入信號隔離器。消除了因電位差形成的對地環(huán)路；抑制高頻和低頻噪聲電氣信號進入DCS時，按熱工一點接地要求或加裝信號隔離器。變送器和其它的傳感器，原則上都將其負端在DCS端子處一點接地。但對有些必須在現(xiàn)場端接地的，則該信號的輸入端子不得和DCS的接地線有任何電氣連接，應在前端采用有效隔離措施。2.防干擾措施——加裝信號隔離裝置變送器接受端隔離器在測量和控制系?統(tǒng)的I/O回路中加裝隔離器時，宜采用無源隔離器(信號源驅動能力)，否則隔離器電源宜與對應?測量或控制儀表宜同一電源。同時要采取有效措施，防止積聚電荷而導致信號?失真、漏電而導致執(zhí)行器位置漂移、電源異常導致測量?與控制失?，F(xiàn)象發(fā)生。隔離器安裝位置，輸入信號在DCS側，輸出信號在現(xiàn)場側。2.加裝抗干擾部件——信號隔離裝置無源隔離器250歐250歐20mA20mA5v8.8V2.防干擾措施——加裝電容對于共模轉串模和電磁感應造成的串模干擾,可采用信號回路間加濾波電容的方式。電廠內電磁干擾源的頻率多為工頻或其倍頻，頻率較低，根據干擾信號頻率可以選用電容，盡量使用鉭電容或滌綸電容，電容容量范圍在0.1uF～220uF，可消除電磁干擾對測量帶來的影響,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。加裝壓敏電阻也能起到相同的作用。圖5測量回路中加入齊納二極管采用齊納二極管和電容組合設計一個防雷保護裝置，防雷保護裝置接入到DCS卡件通道輸入端，防雷保護裝置接地端共用一個接地點，起到防雷2.防干擾措施——加裝齊納二極管電容組合

保護作用。防雷保護裝置具備快速響應、良好的箝位能力、通流容量大、瞬變過程結束后能迅速恢復正常工作特點，在正常情況下不會對測量回路產生影響。在雷擊發(fā)生時，防雷保護裝置能快速泄放信號線上瞬時增加電荷能量，這樣就有效地保護了DCS卡件。防雷原理參見圖5所示。當PLC的輸入端或輸出端連接有感性負載時，則負載可能產生干擾信號，應采取相應的抗干擾措施，參見圖6，其中直流感2.防干擾措施——加裝二極管、阻容

性元件兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，交流感性元件兩端并聯(lián)阻容吸收電路（浪涌抑制器），以抑制電路斷開時電弧對PLC的影響。續(xù)流二極管可選額定電流為lA、額定電壓大于電源電壓3倍的二極管，阻容吸收電路的電阻取51～120Ω，電容C取0.1～0.47μF，電容的額定電壓應大于電源峰值電壓。圖6PLC輸入/輸出有感性元件時抗干擾措施若使用接近開關、光電開關作輸入信號源，由于這類傳感器的漏電流較大，可能出現(xiàn)錯誤輸入信號，可在輸入端并聯(lián)旁路電阻以減少輸入電阻。見圖7。

2.防干擾措施——加裝并聯(lián)旁路電阻圖7傳感器類輸入電路的處理方法對于電纜上的電磁干擾信號，在電纜控制系統(tǒng)側加裝合適的磁環(huán)（如果一個鐵氧體磁珠不能提供足夠的衰減量，還可以串聯(lián)多個鐵氧體磁珠），可以起到衰減電磁干擾信號有作用(注意信號失真)。2.防干擾措施——加裝磁環(huán)電路2磁環(huán)電路2磁環(huán)抑制共模干擾示意圖抑制差模干擾示意圖安裝反向二極管：某些探頭需要裝置向探頭部分提供24VDC工作電源，為了防止雷擊感應電流通過電源回路進入振動測量裝置內部，對振動測量卡加裝反向二極管，見圖8所示。

2.防干擾措施——加裝反向二極管合圖8加裝反向二極管電源+24V信號電源

信號輸出0V2010年9月開始，我們陸續(xù)對安徽淮滬煤電公司田集發(fā)電廠、大唐洛河電廠、國電蚌埠電廠、平圩電廠進行了接地與干擾問題實地調研。調研結果是四個電廠均沒有發(fā)生過因干擾問題引起的機組跳閘事件，因干擾引起測量顯示異常的現(xiàn)象也很少，打雷只是偶爾引起振動顯示波動但幅度很小。其經驗是機組檢修時重視接地系統(tǒng)的檢查，他們設計有接地系統(tǒng)檢查表，按部就班的進行檢查、測試，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。此經驗值得我省電廠熱工專業(yè)借鑒，應將屏蔽電纜單點接地的可靠性列入機組檢修任務（查找干擾過程中發(fā)現(xiàn)的問題）。2.加強技術管理——接地系統(tǒng)檢查外部磁場變化也會干擾熱工傳感器的正常測量，因此必須消除外部磁場產生的影響。較為常見的是汽輪機廠靠發(fā)電機側振動信號異常，甚至引起誤跳機，原因是瓦軸承接地電刷接觸不好，導致固定在軸承座上的支架帶電，使探頭測量信號受到了強信號的干擾而失真。為防止這一故障的出現(xiàn)，將檢查發(fā)電機兩端的振動探頭所采用的絕緣墊木及測量探頭與機座絕緣是否完好這一內容，列入機組檢修計劃及檢修驗收項目。2.加強技術管理——探頭與機座絕緣外部磁場變化會干擾傳感器正常測量，須消除外部磁場影響。較為常見的是靠發(fā)電機側振動信號異常甚至誤跳機，原因是瓦軸承接地電刷接觸不好，導致固定在軸承座上支架帶電，探頭受強信號干擾。應將檢查發(fā)電機兩端的振動探頭所采用的絕緣墊木及測量探頭與機座絕緣是否完好內容，列入機組檢修計劃及檢修驗收項目。為有效減少TSI系統(tǒng)的異常發(fā)生，在安裝、檢修、運行、維護中，要有可靠措施確保延伸電纜的固定與走向不會出現(xiàn)損傷電纜的可能，并遠離強磁場和高溫區(qū)。有延長線的在接頭部分一定要銜接可靠，并用熱縮套管密封好。安裝前置放大器的金屬盒應選擇在較小振動并便于檢修的位置，盒體可靠接地。前置放大器應安裝于金屬盒中，接線端子要清除污特保持清潔，接口和接線緊固。2.加強技術管理——探頭絕緣可能會因干擾引起保護聯(lián)鎖系統(tǒng)誤動的設備、測量探頭或元件的防干擾措施完善、可靠（屏蔽罩、