金立洪

(上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機廠，上海 200240)

0 引言

發(fā)電行業(yè)普遍采用DCS(Distributed Control System)分布式計算機控制系統(tǒng)，具有很強的實用性和較高的可靠性，通過軟件編程即可實現(xiàn)工藝參數(shù)的監(jiān)測與控制。由于DCS系統(tǒng)硬件配置強大，對來自發(fā)電機運行現(xiàn)場的一次檢測儀表的Pt100鉑熱電阻測溫Ω信號、K(E、T)型熱電偶測溫mV信號、脈沖開關(guān)量及各類電壓、電流信號均能直接進行信號處理。在DCS控制系統(tǒng)中，一般的數(shù)據(jù)采集通道模塊都具有較強的抗共模、串模干擾能力，DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境越來越復(fù)雜，所受到的干擾也越來越多。來自電源波形的畸變、現(xiàn)場設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾、接地電阻的耦合等各種形式干擾，都可能使系統(tǒng)不能正常工作。特別是對發(fā)電機內(nèi)部進行溫度測量時，由于檢測元件處于較強電、磁場環(huán)境中，被測量信號來自發(fā)電機內(nèi)部，其輸出的低電勢信號更容易受到干擾信號的影響。

當(dāng)出現(xiàn)測溫顯示異常時，研究分析DCS控制系統(tǒng)干擾信號的來源、成因和抑制措施，對于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，具有重要作用。

由于干擾信號的加入，DCS控制系統(tǒng)從檢測元件獲取的電信號發(fā)生意外的差錯，未能獲取任何有用的真實信息，使DCS控制系統(tǒng)發(fā)出莫名其妙的報警或停機信號。干擾問題一直是相當(dāng)麻煩和令人困惑的問題，無論是溫度檢測元件制造商還是發(fā)電機制造商或使用者，都面臨著如何消除干擾的問題。

1 干擾的基本概念

所需信息以外的其它電磁信號，通常稱之為干擾。干擾有多種多樣，有電氣的、振動的等等。而發(fā)電機用測溫元件的輸出信號中夾雜的干擾大多是電磁干擾和偶爾發(fā)生的振動干擾。

電磁干擾一般有如下幾種：

a) 輸配電線的感應(yīng)(一般叫交流聲)；

b) 發(fā)電機內(nèi)部的電磁場、電刷放電；

c) 開關(guān)觸接點的瞬間放電。

2 干擾在傳感器電路中重疊

傳感器電路的形式很多，典型描述如圖1所示。圖中，干擾源1為前述的干擾，干擾源2存在于含有傳感器的電路回路中，像一種熱干擾，這是經(jīng)常遇到的干擾，當(dāng)然也包括因振動導(dǎo)致接觸不良而引起的干擾。

圖1 傳感器電路與干擾源

圖1中的干擾分為二種，如圖2所示。圖2(a)表示平衡態(tài)(與接地不同，線路1、2的干擾電壓相等)，圖2(b)為不平衡態(tài)(與線路1不同，線路2存在干擾電壓)。平衡態(tài)干擾與共態(tài)干擾稱為同相干擾，不平衡態(tài)干擾與常態(tài)干擾也稱為差動干擾。

圖1中的干擾源2即為圖2(b)的干擾；圖1中的干擾源1的影響，大多變成圖2(a)的平衡態(tài)干擾。若線路1和線路2不同于接地而具有相等的阻抗，則干擾源1全部變成了平衡態(tài)，而不平衡態(tài)只能變成干擾源2。

圖2 干擾的形態(tài)

一般情況下，和接地不同，線路多為不平衡態(tài)，因此，干擾源1的感應(yīng)干擾便產(chǎn)生不平衡干擾。特殊情況如圖3所示，這時線路2接地，該線與地之間

圖3 線路一端接地的傳感器電路

干擾為零，干擾源1的感應(yīng)多發(fā)生在線路1上。這種情形下產(chǎn)生的干擾，可立即看出是不平衡狀態(tài)。

特別值得注意的是，在平衡態(tài)干擾條件下，線路1和線路2之間的干擾電壓為零。這意味著在傳感器電路通過被測信息的信號電流時，該干擾與此信號電流無關(guān)。因此，如果干擾源2很小可以忽略不計，且線路1和線路2平衡(線路1和線路2的阻抗與地線阻抗相等)的話，由于外來干擾全部為平衡狀態(tài)，故此干擾與信號電流無關(guān)。所謂無關(guān)，它意味著重疊只是一種表面現(xiàn)象，實際上是指干擾成分能完全平衡而被剔除。

不平衡干擾，是與信號電流一起在同一方向通過的干擾電流。因此，它是重疊于傳感器電路電流的干擾。該干擾有時能夠剔除，有時又不可能剔除。此種干擾除了利用干擾與信號電流的頻譜之差通過濾波器來過濾外，別無他法，詳見后面的敘述說明。在頻譜重合的情況下，盡管可用適當(dāng)?shù)臑V波器提高信號/干擾比，但也無法完全剔除干擾。

3 剔除干擾的措施

剔除混入傳感器電器中的干擾，一般可從如下兩點來考慮：

a) 設(shè)法防止干擾混入；

b) 用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ蕹烊氲母蓴_。

上述兩者前者更為重要。關(guān)注干擾環(huán)境來設(shè)計電路，在防止干擾混入方面預(yù)先采取措施。

3.1 屏蔽是防止干擾侵入的基本設(shè)計思路

與上述a)的要求相適應(yīng)，最有效的方法是屏蔽。屏蔽又分為靜電屏蔽和電磁屏蔽。防干擾的第一步，首先運用屏蔽的基本原理。

電磁感應(yīng)有二種，一種是靜電感應(yīng)，一種是磁感應(yīng)。由于靜電感應(yīng)是通過靜電電容(C)構(gòu)成的，故一般稱作為C耦合，而磁感應(yīng)是通過磁場相互感應(yīng)(M)構(gòu)成的，故一般稱作為M耦合。為控制這二種耦合，通常采用靜電屏蔽和電磁屏蔽。

如圖4所示，即二條線路位于地線之上時，若相對于地線對導(dǎo)體1加V1的電壓，則導(dǎo)體2也將產(chǎn)生與V1成比例的電壓V2，就是說，導(dǎo)體之間必然存在靜電電容，若設(shè)電容為C10、C12和C20，則電壓V1就被C12和C20分為兩部分， 該被分開的電壓就為V2，可用下式加以計算：

圖4 靜電感應(yīng)

(1)

圖5 靜電屏蔽的結(jié)構(gòu)

屏蔽線就是利用這一原理的線路。屏蔽線的首要目的是靜電屏蔽，但也可有效地用于控制M耦合。根據(jù)上述說明，顯然在采用屏蔽線實現(xiàn)靜電屏蔽時，屏蔽必須接地才能獲得很好的效果。

電磁感應(yīng)是指回路與回路之間(也可說是線圈與線圈之間，在發(fā)電機內(nèi)部鐵心繞組層間的溫度傳感器回路很多使用線圈，是造成電磁干擾的主要原因，另外在配線方面也會造成回路現(xiàn)象)的電磁耦合。其原理如圖6(a)所示。

當(dāng)電流I1、I2通過導(dǎo)線1和2時，若分別構(gòu)成回路，則相互之間就產(chǎn)生了電磁耦合。所謂耦合，即在導(dǎo)體2流過I1成分，在導(dǎo)體1又流過I2成分。對導(dǎo)體1來說，I2為不需要的電流，因此，它只能是對I1的干擾成分。

由于電磁屏蔽需遮斷磁場Φ1和Φ2，故圖6(b)所示，只要在其中間裝入磁板，回路1和回路2之間的磁通便不相鏈接，這樣即可完成屏蔽。但是，實際上在防干擾措施上很少采用裝入磁性材料的方法來進行屏蔽。這是因為適當(dāng)形狀的高性能磁性材料比較難以獲得， 真正有效而實用的方法是盡可能避免組成回路。從很多電廠反饋的情況了解到，發(fā)電機內(nèi)部及電廠集控柜內(nèi)的測溫元件引線在引至接線端子卡件時，將多余的導(dǎo)線繞成圈固定在接線端子附近，造成回路，增加了電磁干擾的風(fēng)險。

圖6 電磁感應(yīng)原理

要剔除干擾就必須分清干擾是由電壓引起還是由電流引起，然后按照不同的情況來決定采取靜電屏蔽還是電磁屏蔽。

圖7為屏蔽線的干擾耦合說明圖。現(xiàn)在設(shè)：干擾源為導(dǎo)體2，導(dǎo)體2相對于地線(E)載有V的電壓，通過電流I，傳感器電路由長度L的屏蔽線(導(dǎo)體1和屏蔽S)構(gòu)成。如圖所示，有C2S、C1S和CSE等電容存在，且因電流I而產(chǎn)生磁通Φ。V和I(Φ)會對屏蔽線的導(dǎo)體1誘發(fā)一個電壓。

圖7 對屏蔽線的耦合

首先考慮靜電感應(yīng)的情況。這時，屏蔽板為屏蔽線的屏蔽S。因而必須將屏蔽線接地，使CSE=0。據(jù)此，V為C耦合就能完全防止導(dǎo)體2產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這就意味著屏蔽必須接地。

其次考慮電磁感應(yīng)，這種情況下，與電壓V無關(guān)，問題在于I引起的磁通Φ。如圖7所示，將A點與C點、B點與D點分別用線連接起來，顯然，這樣就構(gòu)成了ABCD的回路。由于磁通Φ與該回路鏈接，故在該回路產(chǎn)生電壓e。

(2)

式中：Φ′為與回路鏈接的磁通，L越長或AC、BD的長度越長，Φ′就越大，e也隨之變大。設(shè)該電壓為e，回路通過電流為IS，屏蔽的電阻為RS，感抗為LS，則電流IS為：

(3)

推導(dǎo)過程從略。由于IS，也即由于e而使內(nèi)導(dǎo)體即導(dǎo)體1兩端產(chǎn)生電壓e1：

若頻率變高，則e1≈e，為消除e1，就應(yīng)該避免組成回路。就圖7而言，有效利用AC或BD，斷開其中的一方，就能避免形成回路，則e1便等于零，也就不存在干擾的耦合。這就是通常所說的“一點接地原理”。

3.2 監(jiān)測回路中引入濾波器是抑制干擾的手段

當(dāng)干擾信號不可避免地闖入到監(jiān)測回路時，必須引入干擾濾波器。通過濾波回路將干擾信號從監(jiān)測回路中剔出。

溫度傳感器防干擾措施的首要問題，就是設(shè)計干擾耦合最小的回路。濾波器也首先要以預(yù)防干擾耦合為目的，因此，在設(shè)計或選擇DCS系統(tǒng)時，就應(yīng)預(yù)先考慮引入濾波器。

平衡式干擾如圖2(a)所示，與兩條線路相等的對地干擾電壓往往引起平衡式干擾，故線路間干擾電壓為零。對這種干擾通常采用圖8所示的濾波器。圖中(a)、(b)為通用濾波器，一般采用C型濾波器便能收到很好的效果。(c)的中和變壓器是一種對同相成分 (在兩線路同一方向大小相等的相位成分，即平衡成分)具有高阻抗，而對差動成分(來回于兩線路的成分)卻幾乎沒有阻抗的電路。(d)是代替中和變壓器用鐵氧體部件，故用于高頻。不平衡式干擾(差動干擾)如圖2(b)所示，是與信號電流Is相重疊的干擾(In)。因此，在Is與In之間若無頻率，就不可能用濾波器分離。該干擾分脈沖性干擾和同步干擾(如交流雜波)兩種。脈沖性干擾頻帶很寬，而交流雜波只有50 Hz(或60 Hz)及其高次諧波成分。圖9表示一種理論關(guān)系，波形愈尖銳，所占頻帶愈寬。

圖8 剔除平衡式干擾用的濾波器

圖9 脈沖性干擾和同步干擾的波形及頻譜

將A脈沖與B脈沖加以比較，B脈沖具有高頻成分，如果該帶域與其有信號成分的帶域重疊，就不可能用濾波器濾除干擾。由于信號電流一般多集中在直流邊緣，故可用濾波器將干擾濾除相當(dāng)一部分，提高信號/干擾比。如圖10所示，僅在線路之間插入電容器，一般即可收到較好的效果。

圖10 不平衡干擾的剔除

圖9(b)所示周期性連續(xù)干擾，即為其頻譜。圖9(b)表示的是50 Hz交流波的例子。這是一種經(jīng)常遇到的情況，通常只剔除50 Hz干擾便能滿足要求，多采用對50 Hz衰減大的濾波器。

當(dāng)用同一電源驅(qū)動兩個以上有獨立功能的電路時，須對各電路配上去耦濾波器。圖11為該項技術(shù)說明圖。一般多采用RC電路，也有時用L代替R。但若不加考慮地使用L，可能在線圈上誘發(fā)M耦合干擾，使LC的諧波變成一種干擾，反而造成不良后果。

圖11 去耦濾波器

消除發(fā)電機溫度信號受干擾問題是一個永久性的課題。在防干擾技術(shù)上，存在許多技巧性因素，也先后出現(xiàn)了一些能有效控制干擾的裝置。因此，在設(shè)計傳感器電路時，必須將環(huán)境干擾因素考慮進去。

4 結(jié)語

經(jīng)過以上的分析，得知自動檢測所拾取的信號基本上都是弱電信號，在信號傳輸過程中極易受到電磁干擾。在發(fā)電機運行時發(fā)生的干擾現(xiàn)象由于受電廠條件限制，不能對這些干擾進行實時監(jiān)測和甄別，給抗干擾工作帶來較大難度。但是，如果發(fā)電機在設(shè)計、制造時能從下列事項中考慮，就能減少測溫元件輸出信號受電磁干擾影響：

(1) 層間鉑金絲繞制測溫元件，繞制方式采用∝字形繞制或雙線繞制，使電磁場對鉑電阻的干擾為平衡式干擾，造成的干擾信號絕大部分可在鉑電阻內(nèi)部相互抵消。

(2) 采用信號專用傳輸導(dǎo)線

a) 每組引線中的導(dǎo)線的千米電阻值相互之差不超過0.3 Ω；

b) 每組引線采用絞線結(jié)構(gòu)，節(jié)距均勻。

(3) 電纜走向和分布合理，即強弱電纜分層敷設(shè)，必要時對弱電信號電纜加裝屏蔽保護。

(4) 測溫元件引線在發(fā)電機內(nèi)部布線時，不要產(chǎn)生繞線現(xiàn)象。引線接入端子排時，應(yīng)將多余的引線剪除，不要將其纏繞挷扎在端子排附近。

(5) 測溫元件及導(dǎo)線采用屏蔽時，測溫元件上的屏蔽與導(dǎo)線上的屏蔽應(yīng)可靠連接，同時遵循屏蔽層一點接地原則。

(6) 對于發(fā)電廠來講，應(yīng)選擇具有濾波回路的干擾抑制能力強的DCS系統(tǒng)。