热电联产装置DCS系统抗电磁干扰措施的探讨和分析.doc

热电联产装置DCS系统抗电磁干扰措施的探讨和分析【摘 要】结合热电联产装置DCS系统的现场情况，对产生电磁干扰的原因和抗电磁干扰的措施进行分析，详细介绍了提高DCS系统抗电磁干扰的具体措施。【关键词】热电联产装置 DCS系统 电磁干扰电磁兼容热电联产装置是为满足的供电、供热需求，规划建设的自备热电厂。其DCS系统所采用的抗电磁干扰措施，是一个很重要的综合性问题，它不仅涉及到DCS系统本身的安全运行，而且对整个热电联产装置电力系统、通讯安全运行有重要影响。采用哪一种抗电磁干扰措施更能够适合热电联产装置DCS系统，是热电联产装置DCS系统设计和施工所面临的一个重要问题。DCS系统具有功能强、自动化水平高、节约占地面积、减轻值班员操作及监视的工作量、缩短维修周期以及可实现无人值班等优越性。但它的工作环境是在电磁干扰极其严重的强电环境中，如果不采取必要的抗电磁干扰措施，DCS系统在强电磁场干扰下本身的安全运行不但得不到保证而且会对热电联产装置的安全运行产生负面的影响。一. 现场电磁干扰源分析热电联产装置内的高压设备操作、低压交直流回路内电气设备的操作、雷电引起的浪涌电压、电气设备周围的静电场、电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所引起的瞬变过程等都会产生电磁干扰。这些电磁干扰进入热电联产装置内的DCS系统，就可能引起DCS系统工作不正常，甚至损坏DCS系统。因此，要对DCS系统采取合理的抗电磁干扰措施,分析现场的电磁干扰源是非常必要的。按照电磁兼容性要求,DCS系统能够在规定的电磁环境下不因电磁干扰而降低工作性能，它们本身所发射的电磁能量不影响其他设备或系统的正常工作，从而达到互不干扰，在共同的电磁环境下执行各自功能的共存状态。电磁兼容性具体体现在抗干扰(设备和系统抵抗电磁干扰的能力)和电磁发射控制(设备和系统发射的电磁能量的控制)两方面。要正确分析现场的电磁干扰源,首先必须讨论产生电磁干扰的关键因素：干扰源、传播途径和电磁敏感设备。与DCS系统有关的电磁干扰源有外部干扰和内部干扰两方面:外部干扰源与DCS系统的结构无关，而是由DCS使用条件和热电联产装置外部环境因素决定的干扰源。对DCS系统来说，外部干扰源主要有交直流回路开关操作、扰动性负荷(非线性负荷、波动性负荷)、短路故障、大气过电压(雷电)、静电、无线电干扰和核电磁脉冲等。 内部干扰源是由DCS系统结构、元件布置和装配工艺等决定。主要有杂散电感电容引起的不同信号感应，基准电位偏移引起的干扰，长距离线传输造成的波的反射，寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等。从电磁学的角度分析，外部干扰和内部干扰具有同一物理性质。因而消除和抑制的方法大同小异。二、DCS系统抗电磁干扰的措施针对产生电磁干扰的关键因素，一般情况下采用以下方法抗电磁干扰：1、 抑制干扰源产生的电磁干扰(滤波、屏蔽和接地)；2、 切断干扰的传播途径；3、 提高敏感设备抗电磁干扰的能力(降低对干扰的敏感度)。电磁干扰源的能量通过各种途径以传导或辐射方式耦合至热电联产装置的一次系统和二次回路。因此，在热电联产装置电气系统和热工控制系统设计及施工中，电磁兼容是至关重要的问题。按电磁兼容标准进行电磁兼容设计是预防出现电磁干扰的一个基本要求。但现场的电磁环境是千变万化的，要真正达到经济上和技术上的电磁兼容，保证一、二次设备运行的可靠性，必须根据具体情况，灵活运用各种技术和措施。下面根据热电联产装置实际情况，介绍几种常用的电磁兼容技术，同时讨论应该采取的抗电磁干扰措施： (一)屏蔽措施 (1)电气一次设备与DCS系统输入、输出的电缆均采用带有金属屏蔽层的电缆，电缆的屏蔽层两端接地，对电场耦合和磁耦合有显著的削弱作用。当屏蔽层一点接地时屏蔽层电压为零，可明显减少静电感应(电容耦合)电压；当两点接地时，干扰磁场在屏蔽层中感应电流，该电流产生的磁通与干扰磁通方向相反，互相抵消，因而显著降低磁场耦合感应电压。 (2)电气系统的二次设备、DCS系统中的测量、微机保护或综合自动化装置所采用的各类中间互感器的一、二次绕组之间加设屏蔽层，这样可起电场屏蔽作用，防止高频干扰信号通过分布电容进入DCS系统的相应部件； (3)机箱或机柜的输入端子上对地接一滤波电容，可抑制外部高频干扰。由于干扰都是通过端子串入的，当高频干扰到达端子时，通过滤波电容对地短路，避免了高频干扰进入DCS系统内部； (4)DCS系统的机柜和机箱所采用的铁质材料，本身就是一种电磁屏蔽。 (二)减少强电回路的感应耦合 为了减少由DCS系统以外一次设备带来的感应耦合，一般采用以下方法减少强电回路的感应耦合： (1)控制电缆尽可能离开高压母线和暂态电流的入地点，并尽可能减少两者的平行长度。高压母线往往是强烈的干扰源，因此，增加控制电缆和高压母线间的距离，是减少电磁耦合的有效措施。避雷器和避雷针的接地点、电容式电压互感器、耦合电容器等是高频暂态电流的入地点，控制电缆要尽可能远离它们，以减少感应耦合； (2)电流互感器（CT）回路的A、B、C相线和中性线应在同一根电缆内，避免出现环路； (3)电流互感器（CT）和电压互感器（PT或VT）的二次交流回路电缆，从高压设备引出至DCS或其他保护设备时，应尽量靠近接地体，减少进入DCS或其他保护设备回路的高频瞬变泄漏磁通。 (三)接地保护 接地保护是热电联产装置一、二次设备电磁兼容的重要措施之一，也是DCS系统抑制电磁干扰的主要方法。在热电联产装置设计和施工过程中，如果能把接地保护和屏蔽很好地结合起来，则可以解决大部分干扰问题。在热电联产装置DCS系统中，采用以下几种接地线： 1)微机电源地线和数字地线(即逻辑地)，这种地是微机直流电源和逻辑开关网络的零电位； 2)模拟地线，这是A/D转换器和前置放大器或比较器的零电位； 3)信号地线，通常为传感器的接地线； 4)噪声地线，继电器、电动机等噪声接地线； 5)屏蔽地线，即设备外壳接地。 电磁干扰可能进入DCS系统弱电部分的主要途径是通过微机电源。因为电源与干扰源的联系比较紧密，同时电源线直接连接至各部分，包括CPU部分，因此来自电源的干扰很容易引起死机。对于处理微机电源的地线问题，一般采用浮地和共地、一点共地和多点共地等几种接线方式： 1)微机电源采用浮地的方法：微机电源地和数字地采用浮动地方法是指微机电源的零线不与机壳相连。这种方法必须尽量减少电源线同机壳之间的分布电容； 2)微机电源与机壳共地方法：电源与机壳共地存在的主要问题是，电源零线与机壳接地线间总有一定的阻抗，很难避免浪涌电流流过电源线对微机系统造成干扰的情况，而且这种干扰容易造成微机系统工作紊乱，甚至死机，建议热电联产装置DCS系统不要采用此种方法。 3)一点接地和多点接地的问题。对微机电源地或数字地的接地方式，一般认为：高频电路(10MHz以上)宜采用多点接地；而低频电路(1MHz以下)常采用一点接地。因为在低频电路中，布线和元件的电感并不是什么大的问题，但是接地电路若形成环路，则对干扰影响大，采用一点接地，对避免地线形成环流有利，热电联产装置DCS系统属低频系统，应尽量采用一点接地，DCS系统中的各个子系统都由多块插件组成，各插件板之间应遵循一点接地的原则。由于A/D转换器的数字地通常和电源地是共地连接，实践证明：数字地上电平的跳跃会造成很大的尖峰干扰，会影响A/D转换器的模拟地电子的波动，影响转换结果的精度。为了解决此问题，对数字地和模拟地间的关系可以采用如下处理方式： 1)数字地和模拟地共地； 2)模拟地浮空的接线方式。其特点是将模拟地和信号地连在一起然后浮空，不与数字地连在一起； 3)模拟地和数字地通过一对反相二极管相连接，这种接线方式使模拟地和数字地有所隔离，而又保证了模拟地对数字地的电位漂移被二极管所箝制，这种连接方式对保证A/D转换精度比较高插件较为有利。 对于继电器或电动机等回路的噪声地采用独立接地的方式，不要与模拟地和数字地合接在一起。 以上介绍了DCS系统的几种接地方式，在实际应用中，并不是简单地采用某一种接地方式即可消除电磁干扰，而往往是根据地线的分流的原则，综合运用上述几种接地方式。 (四)隔离措施 采取良好的隔离措施，可以减小电磁干扰传导侵入。在热电联产装置DCS系统中可以采取以下几种隔离措施： (1)模拟量的隔离 热电联产装置的DCS系统所采集的模拟量，大多数都来自一次系统的电压互感器和电流互感器，它们均处于强电回路中，不能直接输入至DCS系统，必须经过设置在各种交流输入回路中的隔离变压器(常称小电压互感器TV和小电流互感器TA)隔离，这些隔离变压器一、二次之间设有屏蔽层，且屏蔽层必须可靠接地，才能起到比较好的屏蔽效果。 (2)开关量输入、输出的隔离 DCS系统开关量的输入，主要是断路器、隔离开关的辅助触点和主变压器分头位置等。开关量的输出，大多数也是对断路器、隔离开关和主变压器分接开关的控制。这些断路器和隔离开关都处于强电回路中，如果与DCS系统直接相连，必然会引入较强的电磁干扰。因此，要通过光电耦合器隔离或继电器触点隔离，这样会取得比较好的效果。 (3)其他隔离措施 二次回路布线时，应考虑隔离，减少互感耦合，避免电磁干扰由互感耦合侵入。 1)强、弱信号电缆的隔离，强、弱信号不应使用同一根电缆；信号电缆应尽可能避开电力电缆；尽量增大与电力电缆的距离，并尽量减少其平行长度； 2)二次设备配线时，应注意避免各回路的相互感应； 3)印刷电路板上的布线要注意避免互相感应。 (五)滤波 滤波是抑制DCS系统模拟量输入通道传导干扰的主要手段之一。对于串入信号回路的干扰，采用滤波的方法可以有效地滤波。因此，各模拟量输入回路都需要先经过一个滤波器，以防止频率混迭。滤波器能很好地吸收各种干扰。 (六)DCS供电电源的抗干扰措施 DCS系统的供电系统分直流供电和交流供电：微机保护子系统或自动装置等均采用直流220V供电，其电源取自站内直流屏；DCS系统的监控机或管理机或其他用途的微机系统，其供电电源常采用交流220V，一般取自站用变压器。这种情况下，电网的冲击、电压频率的波动都将直接影响到微机系统运行的可靠性和稳定性，甚至由于电网的冲击，会造成死机，而电源线是计算机的重要干扰途径。因此