抑制干扰影响的基本方法

第二讲

抑制干扰影响的基本方法孙长生浙江省电力试验研究院

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邮箱：scs54@WWW.抑制干扰影响的基本方法抑制干扰影响的基本方法接地和等电位连接屏蔽抑制技术控制室屏蔽电缆屏蔽辐射屏蔽电磁屏蔽静电屏蔽现场方法电路抑制压敏电阻隔离电容磁环防浪涌齐纳管设备屏蔽1）尽可能地抑制干扰源，削弱其强度输出，如远离、屏蔽等；但有的干扰源无法抑制，如雷击、无线电、发电机等。2）通过隔离和滤波等，拦截或减小干扰信号各种耦合路径的传输量。屏蔽来自导线的辐射噪声，削弱干扰的影响3）提高感受体（控制及弱电流电路、控制系统）的抗扰度，增加干扰源的泄放通路。除了简单的情况外，减少噪声问题的单一解决方案是不存在，通常需要采取综合措施。

抑制干扰影响的基本方法目前多数DCS星形连接方式汇接引入电缆隔层接地箱铜牌，再绝缘铜缆引入接地网（焊接或冷接），连接方式三种：1）专用接地网()：优点是地电位较稳定，不易受厂网地电位影响。问题需要纯净专用地，电缆难保证单点接地，加上与安全地不同地，设备过电压时二个地间会有电位差，放电损坏设备。2）共用厂接地网：优点是可以避免多点接地，简单易行。缺点易受动力设备接地附近地电位波动影响，安装有具体要求。3）通过专用接地网连接电气地网：不但可避免多点接地，又减小了动力设备接地点地电位波动的影响。连接有两种方式：▲铜板永久性连接/▲避雷器相连（暂态连接）讨论1——控制系统接地网的连接

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

屏蔽电缆——电气两点接地，热工单点接地，矛盾？讨论2——热工电缆屏蔽接地方式图1屏蔽电缆的等效电路图DCS干扰信号主要来源于电缆——干扰信号主要的发射器也是主要的接收器。通常采用磁屏蔽和屏蔽电缆二种方法防扩散和拒接受。电缆芯线上的耦合电压计算公式由图1等效电路列出：屏蔽层若只起屏蔽作用，传输的信号是开关量时，从防止暂态过电压看，屏蔽层采用基于信号参考电势的表面接地和两端接地方式为好，同时起到静电屏蔽和电磁屏蔽，对静电耦合和电磁感应都有抑制作用，不仅是提高了电磁兼容性而且不再需要检测接地故障。因为：对静电干扰，屏蔽层两端接地后降低了电缆屏蔽层的阻抗，从而有效地降低了电缆芯线上的静电耦合电压；对电磁干扰，屏蔽层两端接地后使电缆屏蔽层与接地网构成了闭合回路，外部干扰电流在屏蔽层上产生一个与外部干扰电流方向相反的感应纵向电流，这个电流所形成的磁通与干扰磁通反向，减弱了干扰磁通对芯线的影响，起到了抵消降低干扰磁通的作用。电缆屏蔽层二点接地

电缆屏蔽层二点接地

二点接地主要问题：当接地网上流过暂态电流时导致地电位暂态波动。图2如A、B间距离较远，弱信号电缆屏蔽层两端存在较大的地电位差eN，则其可能在A—B间信号线上产生较大的低频环流。这对屏蔽层还兼信号返回回路的电缆，不但破坏正常图2两点接地间的干扰的信号传输，甚至可能烧损屏蔽层；还将对信号芯线产生干扰电压。由于模拟信号稳定性和抗干扰性较差，仅1V左右的干扰电压就可能导致零点漂移和传输误差。这就要求eN不能大于某值（否则屏蔽层流过的电流将对芯线信号产生干扰，易构成各种地回路造成低频地回路干扰），但电厂难做到(西\嘉)，除非等电位网减少电势差。对电气自动装置和继电保护回路来说，由于其输入回路或输出回路，都有一端处于开关场的高压或超高压环境中，暂态过电压，电磁感应干扰是主要矛盾，且电缆芯所在回路为强电回路，因而屏蔽层电流产生的低频干扰信号影响较小，故电气专业规程规定：对受高频干扰信号较多的继电保护和自动装置，“当采用静态保护和屏蔽电缆时，屏蔽层宜在两端接地”。通常干扰信号大于1MHz时,将屏蔽体两端接地。电气电缆屏蔽层二点接地热工专业设备分散，就地电缆屏蔽层都接到全厂公用地难度大，且仪表及控制系统信号绝大多数为低频信号，弱电回路，面临更多的是低频干扰，电磁感应干扰比较而言矛盾不突出（也有），而厂房内热工系统范围内通常没有设置等电位接地带，当不能实现等电位接地时，两点接地产生的屏蔽层电流对芯线产生干扰的程度要大于电磁感应干扰。为保证热工信号不受地电位不一致导致的干扰电压的影响，故热工规程规定：除非厂家有特殊要求外，进入DCS的信号均应采用单点接地的方式并在控制柜处集中接地，这样屏蔽层电压为零，可显著减少静电感应电压；避免形成地回路，有利消除低频干扰。热工在高频区域电缆或一端接地，另一端通过电容或放电管接地。热工电缆屏蔽层单点接地金属导体，电缆屏蔽层及金属线槽（架）等，‍由露天场地（循环水泵房等）进入电缆隔层的金属电缆‍桥架（线槽）及电缆屏蔽层等，应安装防浪涌保‍护器要求或采用‍等电位连接。其保护信号的屏蔽电缆，应在屏蔽层两端‍及雷电防护区交界处做等电位连接并接地。当采用非屏‍蔽电缆时，应敷设在金属管道内并埋地引入，金属管应‍具有电气导通性，并应在雷电防护区交界处做等电位连‍接并接地，其埋地长度应符合规定要求。光缆的所有金属接头、金属挡潮层、金属加强‍芯等，应在入户处直接接地。光缆的所有金属接头、金属挡潮层、金属加强‍芯等，应在入户处直接接地。2.防干扰措施——电缆安装、检修、维护当系统要求一点接地时，电缆外层绝缘性能应良好。重要场合使用的多芯对绞屏蔽电缆，最好选用每对对绞线有单独屏蔽层且彼此绝缘以防对绞线间感性耦合。双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高。电厂通常绞距为50mm左右较经济适用，双绞线和屏蔽双绞线常用于频率低于100kHz的屏蔽。因为有较大的电容，不适用于高频或高阻抗回路。同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高频乃之超高频的频段.2.防干扰措施——电缆安装、检修、维护2.防干扰措施——电缆安装、检修、维护试验导线噪声衰减度比例dB平行导线10双绞线（1绞/101.6mm)14：123双绞线（1绞/76.2mm)71：137双绞线（1绞/50.8mm)112：141双绞线（1绞/25.4mm)141：143金属导管内平行线22：127DCS控制系统电缆的选取至关重要，宜选用优质铜网屏蔽层的控制电缆，但工作在干扰严重的环境中的电缆必须采用优质铜网屏蔽层的双绞线电缆。当经过电磁干扰严重区域的电缆或露天安装的控制设备信号和电源电缆屏蔽，宜采用复合式总屏蔽（内屏蔽层为一点接地，外层蔽层为两点接地）。重要信号电缆宜采用总屏带分屏的计算机专用屏蔽电缆;动力电缆采用屏蔽电缆（主动抗扰）；电缆敷设时信号电缆与动力电缆分层敷设，或保持规定距离，或加隔离，是提高热控系统整体抗干扰能力最重要环节。2.防干扰措施——电缆安装、检修、维护在电厂现场，不允许将信号线和交流电源线设在同一根电缆里，而且还需要将信号线和电源线以及高频信号线等保持一定的距离。上图现场总线电缆(紫色)未与执行器电源、信号电缆隔离敷设；理图现场正确的总线电缆敷设方法,总线电缆与其它电缆使用金属盒隔离，电缆敷设实例

确保DCS控制系统的模拟信号及控制电缆屏蔽层接地方式符合规定，通常同轴电缆和模拟信号测控电缆宜采用控制室侧集中一点接地方式。当电缆屏蔽层采用一点接地时，其接地点应根据信号源和接收端是否接地来确定。多数测量信号屏蔽层应在DCS机柜侧接地，但对于测量端接地的铠装热电偶，DCS侧屏蔽电缆应不接地（或DCS内的跨接片连接非接地方式）。检修时未端测量电缆屏蔽层接地的全程连续性；断开电缆屏蔽线与接地线的连接，测量其与地线间的电阻应大于1MΩ。2.防干扰措施——电缆安装、检修、维护对于前置器浮空的安装，屏蔽电缆的屏蔽层全部连通，不得有断层存在，屏蔽电缆的二头屏蔽层分别连接到前置器和TSI仪表端子排的COM端（是信号公共线），防止与大地相连，这样可以较好地解决现场共模和串模干扰产生的影响。严禁热控系统的动力电源和测量信号合用一根电缆。信号电缆在控制系统侧单点接地解决不了的干扰问题，可以在干扰源侧单点接地试验。信号干扰时，如能沿途电缆移位，很有可能干扰信号消失。但对于受电缆颁电容影响较大的信号回路,运行中电缆不能轻易挪动,如VM的振动传感器电缆.2.防干扰措施——电缆安装、检修、维护装有PLC的柜，为了防止受到其他电气设备漏电流的影响，在电气上需要和其他设备绝缘设置。应用屏蔽电缆进行输入/输出布线时的屏蔽2.防干扰措施——电缆安装、检修、维护PLC输入输出公用端公用端

图3屏蔽电缆的接地示意图

导体的接地，如图3所示，将靠近PLC侧的屏蔽导体连接到外壳接地端子上。但切不可将输入COM端和输出COM端相接在一起。通信电缆接地按通信单元手册中的屏蔽处理原则进行。重要信号的电缆屏蔽层，应尽可能接近接线端‍子处破开。破割电缆外皮时，应防止损伤芯线绝缘层。电缆的备用芯应可靠接地。用电设备周围的磁感应强度B，服从毕奥-萨伐定律，见下式:1）

式中：μ—磁导率，H/m；r—dv到场点（x，y，z）的距离，m；

dv—源点周围处的体积元，m3；er—源点指向场点的单位矢量。对于线形电流I，由Jdv=Idl，得动力电缆周围的磁感应强度：

2）式中：dl—源点附近的长度，m。由1）2）式，动力设备和电缆产生的干扰与距离平方成反比，随距离增大干扰衰减非常快。所以测控设备远离动力设备，电缆与动力电缆分层布置或拉远距离，是防止辐射干扰的重要措施。2.防干扰措施——热控设备远离干扰源

热控设备供电线路上引入的干扰超过容许范围时将产生影响系统运行。例如：变频器、大型电气设备启停时的电源波动和开关分合火花产生的交变磁场，这些交变磁场既可通过信号线耦合产生干扰，也可能通过电源线产生工频干扰2.防干扰措施——采用UPS电源或隔离变初级次级屏蔽初级次级屏蔽铁芯采用UPS电源（正常工作时）、隔离变压器或抑制干扰装置，隔离变压器，初级次级匝数比为1/1，和一般变压器不同处：为减小级间分布电容，初次级绕组分开绕制，各自加屏蔽，初次级绕组和铁芯均接地。是抑止来自工频电源干扰的有效方法。某电厂二期工程中，燃油泵控制系统的远程I/O站由于距离较远采用了就地电源供电，为提高该系统抑止电源干扰能力，安装隔离变压器的方法，至目前为止燃油泵远程I/O系统运行可靠稳定。某电厂在解决温度信号漂移的处理过程中，根据外方要求，在电源回路中也增加隔离变压器，也取得一定效果。2.防干扰措施——采用UPS电源或隔离变DCS一根安全带，抑制干扰重要环节；很多异常与接地相关。接地系统最搞不懂，用户、厂商技术人员都未必清楚，不同厂家对接地系统要求不一，就是同一家DCS也在不断改变之中。接地环节——基建到运行维护的全过程容易被忽视。接地方式不清楚、专用接地网弃之不用、柜连接不规范（线扎）、接地不可靠（多点、松动、未接、不连续、与动力设备接地距离近等），导致干扰侵入。热工专业应充分了解控制系统接地分类和目的，对控制系统接地方式、接地线截面选择、接地要求、信号屏蔽、接地箱布置等方面，进行认真设计和统筹考虑。2.防干扰措施——接地接地系统的主要作用和分类：保护接地（交流地）、逻辑接地（数字地）也叫主机电源地（逻辑电平负端公共地）、信号回路接地（仪表负端接地）、屏蔽接地。避免信号地与交流地公用，在电源地线的两点间有毫伏级、甚至是伏级电压，对于小信号电路来讲，是一种严重干扰，所以交流地与信号地必须隔离，不能混用为一点。UPS电源系统接地：UPS交流输入/输出端中的接地线已连一起且与外壳相连，因此其输入端接地线要单独与供电系统电气地相连（或交流电源进线处就近接地），不要引到DCS中；UPS交流输出端只引出相线和零线与DCS相连，电缆屏蔽不要在DCS侧接地；UPS外壳不能与DCS柜外壳相连或碰在一起。2.防干扰措施——接地控制站接地螺丝因机柜本体与底座间有胶皮形成绝缘，屏蔽地汇流排与底座间绝缘，I/O柜电源地与UPS电源地必须同地。DCS各站、网络交换机、服务器主机、显示器等外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。I/O模件：模拟量模件的直流24伏负端接至逻辑地汇流排上，逻辑地汇流排接至屏蔽地，再接入总接地汇流排。现场控制站的保护地应从机柜下方的接地螺钉接至接地分干线，现场控制站的屏蔽地应从接地汇流排接至公共接地铜板。独立热控系统，应结合其所在环境确保接地系统可靠。烟囱接地系统具有防雷击功能,不能用作仪表接地.接地系统的电阻必须进行测试。2.防干扰措施——控制系统接地光缆传输：能够解决辐射干扰和传导干扰的众多问题。若在不共地两点之间，或者在接地状况很不好的情况下，采用光缆传输控制信号，可有效防止接地环流等干扰。特别是厂房内的控制系统与电机传动、MCC之间，容易存在接地电位差或接地环流时，选用光缆优于选用双绞线。光纤传感器：具有很好的抗干扰性能，响应灵敏度高，随着光纤传感器的逐步应用，保护用轴承温度、液位和振动等信号，均可以采用光纤传感器代替，这是消除干扰影响的最有效措施。2.防干扰措施——光缆传输与光纤传感器易受雷电干扰的系统，应请电气专业配合选择‍合理的位置安装防浪涌保护器，或确认已安装防浪涌保‍护器的位置合理。从我省已发生的和收集到的受雷击事件来看，热控系统设备受雷击主要集中在冷却塔区域、烟囱区域、脱硫区域、化学制水等区域，为此针对这些区域的测量与控制设备信号输入端加装信号防浪涌保护器。现场独立的控制装置电源，加装防浪涌保护器。对可能引入谐波污染源的检修段母线电源、照‍明段母线电源、用电设备接入的电源开关等加装谐波处理装置，以防止其他设备使‍用检修段电源时产生的谐波污染干扰热控系统工作。2.防干扰措施——防浪涌保护器可能会因干扰而导致保护联锁系统误动的外置‍传感器，均应安装屏蔽防护罩。可能引入现场干扰的仪表（变送器、执行器等）加装金属防护罩，罩壳可靠接地，附近无接地设施的应敷设接地电缆或接地扁铁与主接地相连。但注意安装于烟囱附近的仪表及防护罩接地不得连接烟囱接地系统。现场电缆磁屏蔽——采用带盖板的金属电缆桥架和电缆槽，两端可靠接地，达到第二屏蔽层的作用。通信电缆应采用独立的电缆槽盒或增加金属隔‍离层。2.防干扰措施——加装防护罩测量精度和系统误差允许范围内，测量回路加入信号隔离器。消除了因电位差形成的对地环路；抑制高频和低频噪声电气信号进入DCS时，按热工一点接地要求或加装信号隔离器。变送器和其它的传感器，原则上都将其负端在DCS端子处一点接地。但对有些必须在现场端接地的，则该信号的输入端子不得和DCS的接地线有任何电气连接，应在前端采用有效隔离措施。2.防干扰措施——加装信号隔离装置变送器接受端隔离器在测量和控制系‍统的I/O回路中加装隔离器时，宜采用无源隔离器(信号源驱动能力)，否则隔离器电源宜与对应‍测量或控制仪表宜同一电源。同时要采取有效措施，防止积聚电荷而导致信号‍失真、漏电而导致执行器位置漂移、电源异常导致测量‍与控制失常现象发生。隔离器安装位置，输入信号在DCS侧，输出信号在现场侧。2.加装抗干扰部件——信号隔离装置无源隔离器250欧250欧20mA20mA5v8.8V2.防干扰措施——加装电容对于共模转串模和电磁感应造成的串模干扰,可采用信号回路间加滤波电容的方式。电厂内电磁干扰源的频率多为工频或其倍频，频率较低，根据干扰信号频率可以选用电容，尽量使用钽电容或涤纶电容，电容容量范围在0.1uF～220uF，可消除电磁干扰对测量带来的影响,保证量值有较好的动态特性。但该方法有一定的局限性，它一般只能用于直流信号回路。加装压敏电阻也能起到相同的作用。图5测量回路中加入齐纳二极管采用齐纳二极管和电容组合设计一个防雷保护装置，防雷保护装置接入到DCS卡件通道输入端，防雷保护装置接地端共用一个接地点，起到防雷2.防干扰措施——加装齐纳二极管电容组合

保护作用。防雷保护装置具备快速响应、良好的箝位能力、通流容量大、瞬变过程结束后能迅速恢复正常工作特点，在正常情况下不会对测量回路产生影响。在雷击发生时，防雷保护装置能快速泄放信号线上瞬时增加电荷能量，这样就有效地保护了DCS卡件。防雷原理参见图5所示。当PLC的输入端或输出端连接有感性负载时，则负载可能产生干扰信号，应采取相应的抗干扰措施，参见图6，其中直流感2.防干扰措施——加装二极管、阻容

性元件两端并联续流二极管，交流感性元件两端并联阻容吸收电路（浪涌抑制器），以抑制电路断开时电弧对PLC的影响。续流二极管可选额定电流为lA、额定电压大于电源电压3倍的二极管，阻容吸收电路的电阻取51～120Ω，电容C取0.1～0.47μF，电容的额定电压应大于电源峰值电压。图6PLC输入/输出有感性元件时抗干扰措施若使用接近开关、光电开关作输入信号源，由于这类传感器的漏电流较大，可能出现错误输入信号，可在输入端并联旁路电阻以减少输入电阻。见图7。

2.防干扰措施——加装并联旁路电阻图7传感器类输入电路的处理方法对于电缆上的电磁干扰信号，在电缆控制系统侧加装合适的磁环（如果一个铁氧体磁珠不能提供足够的衰减量，还可以串联多个铁氧体磁珠），可以起到衰减电磁干扰信号有作用(注意信号失真)。2.防干扰措施——加装磁环电路2磁环电路2磁环抑制共模干扰示意图抑制差模干扰示意图安装反向二极管：某些探头需要装置向探头部分提供24VDC工作电源，为了防止雷击感应电流通过电源回路进入振动测量装置内部，对振动测量卡加装反向二极管，见图8所示。

2.防干扰措施——加装反向二极管合图8加装反向二极管电源+24V信号电源

信号输出0V2010年9月开始，我们陆续对安徽淮沪煤电公司田集发电厂、大唐洛河电厂、国电蚌埠电厂、平圩电厂进行了接地与干扰问题实地调研。调研结果是四个电厂均没有发生过因干扰问题引起的机组跳闸事件，因干扰引起测量显示异常的现象也很少，打雷只是偶尔引起振动显示波动但幅度很小。其经验是机组检修时重视接地系统的检查，他们设计有接地系统检查表，按部就班的进行检查、测试，发现问题及时解决。此经验值得我省电厂热工专业借鉴，应将屏蔽电缆单点接地的可靠性列入机组检修任务（查找干扰过程中发现的问题）。2.加强技术管理——接地系统检查外部磁场变化也会干扰热工传感器的正常测量，因此必须消除外部磁场产生的影响。较为常见的是汽轮机厂靠发电机侧振动信号异常，甚至引起误跳机，原因是瓦轴承接地电刷接触不好，导致固定在轴承座上的支架带电，使探头测量信号受到了强信号的干扰而失真。为防止这一故障的出现，将检查发电机两端的振动探头所采用的绝缘垫木及测量探头与机座绝缘是否完好这一内容，列入机组检修计划及检修验收项目。2.加强技术管理——探头与机座绝缘外部磁场变化会干扰传感器正常测量，须消除外部磁场影响。较为常见的是靠发电机侧振动信号异常甚至误跳机，原因是瓦轴承接地电刷接触不好，导致固定在轴承座上支架带电，探头受强信号干扰。应将检查发电机两端的振动探头所采用的绝缘垫木及测量探头与机座绝缘是否完好内容，列入机组检修计划及检修验收项目。为有效减少TSI系统的异常发生，在安装、检修、运行、维护中，要有可靠措施确保延伸电缆的固定与走向不会出现损伤电缆的可能，并远离强磁场和高温区。有延长线的在接头部分一定要衔接可靠，并用热缩套管密封好。安装前置放大器的金属盒应选择在较小振动并便于检修的位置，盒体可靠接地。前置放大器应安装于金属盒中，接线端子要清除污特保持清洁，接口和接线紧固。2.加强技术管理——探头绝缘可能会因干扰引起保护联锁系统误动的设备、测量探头或元件的防干扰措施完善、可靠（屏蔽罩、