儀表信號的干擾及抗干擾措施

 當前的發(fā)電廠中，以微處理器為基礎的控制系統(tǒng)（DCS及PLC）得到了廣泛應用，儀表信號通過傳輸電纜接入到控制系統(tǒng)中，由于發(fā)電廠是電磁環(huán)境非常復雜、惡劣的場所，在信號的傳輸過程中，不可避免得要受到噪聲干擾。干擾會造成測量誤差，嚴重的干擾還會造成保護誤動，因此研究分析干擾產生的原因及采取針對性的抗干擾措施對發(fā)電廠安全運行至關重要，本文從發(fā)電廠儀表系統(tǒng)的設計、施工及設備制造等要求出發(fā)，分析在工程中采取何種抗干擾措施更有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
1 干擾的分類及產生
按噪聲干擾模式不同分類，分為共模干擾和串模干擾。
1.1 串模干擾 串模干擾是指作用于信號輸入端兩極的干擾電壓（電流），主要由下列方式產生：
1.1.1 空間交變電磁場 發(fā)電廠中有很多高壓開關、變壓器、大功率電動機（給水泵、三大風機、磨煤機等）電器設備產生的電火花激發(fā)的高頻交變磁場，交變磁場通過磁耦合在信號電纜回路中產生感應電勢（電流），這種感應感勢（電流）串入有用測量信號中，形成干擾，如圖1所示。
感應電勢可用下式表示Vn=？駐BSsin？茲/？駐t（1）
式中Vn—感應電勢的有效值；？駐B—磁感應強度的變化量；S—閉合回路的面積；？茲—磁通量與閉合回路面積的夾角。
從上式可以看出，為降低感應電勢？駐B、S均應必須減少，信號電纜應用于交變磁場較強的強用電設備，降低磁通面積的有效方法是采用對絞電纜。上式只是表示在交變磁場壞境下如何縮小干擾，要克服這種干擾最重要的方法是采用屏蔽電纜，從根本上減少交變磁場的影響。
1.1.2 與信號電纜平行敷設的動力電纜產生的干擾 動力電纜在與信號電纜平行敷設的過程中，將在信號電纜的周圍產生電感應磁場，由于信號電纜的兩芯的空間位置的差異，該磁場可對信號電纜的兩芯產生不同的對地電容，進而在信號回路中產生電位差Vn，如圖2所示。
要抑制這種干擾，關鍵是消除C1和C2的差異，即采用對絞電纜。另外擾最重要的方法是采用屏蔽電纜，從根本上減少電感磁場的影響。
1.1.3 不平衡電路轉換共模干擾所形成的干擾 在不平衡電路中，施加在信號回路的共模干擾可轉化為串模干擾疊加在信號輸入的兩端，直接影響信號的測量，要克服這種形式的干擾就要從根本上抑制系統(tǒng)中有可能產生的共模干擾，抗干擾措施在共模干擾部分介紹。
1.2 共模干擾 共模干擾是信號輸入端對地的電位差，主要由電網系統(tǒng)干擾串入、地電位差及空間磁場在信號線上感應的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成，電網系統(tǒng)引入的共模干擾主要是指通過供電線路的阻抗耦合產生的對電源的干擾，由于發(fā)電廠控制系統(tǒng)的供電電源采用UPS電源，從控制系統(tǒng)至儀表的供電電源均通過開關電源送出，UPS電源及開關電源裝置具有良好的隔離及抗干擾能力，能提供出良好品質的電源，故此種干擾在本文中不作為主要考慮的對象。
1.2.1 地電位差引入的共模干擾 在大地中，各個不同點之間往往存在電位差，在發(fā)電廠儀表系統(tǒng)中，對于外供電的儀表，由于信號源側與輸入端側的系統(tǒng)地的接地點不同，必然會存在系統(tǒng)地電位的差異Ec，這種地電位差會形成共模干擾施加在信號回路中，如圖3所示。
在不平衡電路中，該共模干擾電壓Ec還會轉化成串模干擾，直接影響測量結果，在平衡電路中，該共模干擾電壓也會影響輸入端卡件的正常工作，消除共模干擾的有效方法一是提高系統(tǒng)共模抑制比，增加電隔離措施，另外一個方法是阻斷共模干擾的形成回路，增加光隔離措施。
1.2.2 空間電磁場造成的共模干擾 空間電磁場產生的條件及避免電磁場干擾措施，在串模干擾部分已介紹，要減少和消除這種因素引起的共模干擾，可行的措施是信號傳輸采用屏蔽電纜，并在信號的輸入端設置隔離裝置，提高共模抑制比。
2 抗干擾措施
根據上述干擾產生的原因，可采取有針對性的措施抑制可能產生的干擾，下面從消除或抑制干擾源、破壞干擾途徑和增強接收電路抗干擾能力三個方面采取措施。
2.1 抑制干擾源 從工程設計和施工角度，可采取以下措施：①儀表信號電纜的敷設路徑應避開高壓電動機、變壓器、耦合電容器、電容式電壓互感器等區(qū)域。②儀表信號電纜與電力電纜并行敷設相互間距，在可能范圍內宜遠離；對電壓高、電流大的電力電纜間距宜更遠。③儀表信號電纜與動力電纜、強電控制電纜分層敷設；如受條件所限，無法滿足分層敷設時，儀表信號電纜與強電控制電纜在同一層電纜橋架中敷設，中間須設置隔板。④儀表信號電纜在電磁干擾區(qū)域可采用鋼管保護管，以阻隔干擾，但儀表信號電纜不得與強電控制電纜在同一根保護管內敷設。
2.2 破壞干擾途徑 在無法避免電磁環(huán)境干擾的情況下，怎樣使電磁干擾對信號的影響最小，這就要阻斷干擾侵入信號回路的途徑，可通過下列方式：
①儀表信號導線的扭絞。從前面式（1）可以看出，要減少感應電勢Vn，最重要是減少磁通面積S，而信號扭絞是一個減少磁通面積的方法，絞合節(jié)距越短，磁通面積越小。另外同一根導線的兩扭環(huán)產生的磁通方向相反，這也能有效抑制磁通對信號的干擾。
從動力電纜靜電感應對信號電纜產生的干擾看，見圖2，在信號導線扭絞時，兩根信號電纜與動力電纜的距離基本相同，對地電容C1、C2很小，感應電勢Vn≈0。
可見信號導線扭絞有助于克服上述兩種形式的干擾。
②屏蔽。在儀表系統(tǒng)設計中，信號電纜應選用屏蔽電纜，為提高屏蔽效果，模擬量信號電纜一般選用對絞分屏加總屏計算機電纜。屏蔽的目的就是隔斷電磁場的耦合，抑制各種電磁場的干擾。當然，要使屏蔽能起到阻斷干擾的作用，必須使屏蔽層能正確接地。從目前計算機電纜的設計選型中一般選用的屏蔽層材料為：銅帶（銅塑復合帶）繞包屏蔽、銅網（鍍錫銅網）編織屏蔽、鋁帶（鋁塑復合帶）繞包屏蔽。
③接地。為克服系統(tǒng)地電位差造成的共模干擾，對于控制系統(tǒng)供電的儀表在控制系統(tǒng)機柜側統(tǒng)一接地，對于外供電的儀表，如不能做到兩個系統(tǒng)地在同一點接地，只能采取阻斷共模干擾形成的回路來克服干擾了，這可以用設置信號接入的隔離裝置來實現(xiàn)。
對于信號電纜屏蔽層的接地，須采取“單點接地”的方式，在目前設計中，一般在控制系統(tǒng)側（DCS、PLC機柜處）統(tǒng)一接地。如果屏蔽層在信號輸入端和儀表側均接地，則地電位差會通過屏蔽層形成回路，由于地電阻通常比屏蔽層電阻小得多，所以在屏蔽層上就會形成電位梯度，并通過屏蔽層與信號導線間的分布電容耦合到信號回路中去，因此屏蔽層必須“單點接地”。
2.3 增強接收回路的抗干擾能力
2.3.1 在控制系統(tǒng)輸入/輸出回路的設計中，會考慮很多抗干擾的電路設計，如采用差動放大器等措施，提高共模（差模）抑制比，以達到對系統(tǒng)抗干擾的要求。另外一種有效克服共模干擾的措施是在信號輸入回路中設置隔離裝置，常用的是變壓器的電隔離和光電耦合器的光隔離，在系統(tǒng)設計中，外供電儀表信號輸入回路中必須設置隔離裝置。下面介紹一下光電隔離裝置的抗干擾原理。
在光電耦合器中通過光傳輸阻斷輸入信號源回路和信號接收端回路的地線聯(lián)系，光電耦合器前后形成兩個獨立的電回路，有效抑制了共模干擾信號。
2.3.2 在系統(tǒng)設計中，通常會要求控制系統(tǒng)（DCS、PLC）滿足下面抗電磁干擾的標準：
IEC 60801-1（GB/T13926.1-92）
工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性
第1部分：總論（EQV）
IEC60801-2（GB/T13926.2-92）
工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性
第2部分：靜電放電要求（EQV）
IEC60801-3（GB/T13926.3-92）
工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性
第3部分：輻射電磁場要求（EQV）
IEC60801-4（GB/T13926.4-92）
工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性
第3部分：電快速瞬變脈沖群要求（EQV）
IEC60801-5
工業(yè)過程測量和控制設備的電磁兼容性
抗沖擊要求
IEC 61000-4-1992（GB/T17626-1998）
工業(yè)過程測量和控制設備的電磁兼性
試驗方法
3 總結
本文通過分析在發(fā)電廠儀表系統(tǒng)中，儀表信號采集、傳輸、接收等環(huán)節(jié)可能會受到的干擾，并針對干擾產生的原因提出了克服干擾的措施，這些措施要從設計、施工、設備制造等方面綜合考慮，抑制和消除各種干擾，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。