仪表信号的干扰及抗干扰措施

 当前的发电厂中，以微处理器为基础的控制系统（DCS及PLC）得到了广泛应用，仪表信号通过传输电缆接入到控制系统中，由于发电厂是电磁环境非常复杂、恶劣的场所，在信号的传输过程中，不可避免得要受到噪声干扰。干扰会造成测量误差，严重的干扰还会造成保护误动，因此研究分析干扰产生的原因及采取针对性的抗干扰措施对发电厂安全运行至关重要，本文从发电厂仪表系统的设计、施工及设备制造等要求出发，分析在工程中采取何种抗干扰措施更有利于系统的安全稳定运行。
1 干扰的分类及产生
按噪声干扰模式不同分类，分为共模干扰和串模干扰。
1.1 串模干扰 串模干扰是指作用于信号输入端两极的干扰电压（电流），主要由下列方式产生：
1.1.1 空间交变电磁场 发电厂中有很多高压开关、变压器、大功率电动机（给水泵、三大风机、磨煤机等）电器设备产生的电火花激发的高频交变磁场，交变磁场通过磁耦合在信号电缆回路中产生感应电势（电流），这种感应感势（电流）串入有用测量信号中，形成干扰，如图1所示。
感应电势可用下式表示Vn=？驻BSsin？兹/？驻t（1）
式中Vn—感应电势的有效值；？驻B—磁感应强度的变化量；S—闭合回路的面积；？兹—磁通量与闭合回路面积的夹角。
从上式可以看出，为降低感应电势？驻B、S均应必须减少，信号电缆应用于交变磁场较强的强用电设备，降低磁通面积的有效方法是采用对绞电缆。上式只是表示在交变磁场坏境下如何缩小干扰，要克服这种干扰最重要的方法是采用屏蔽电缆，从根本上减少交变磁场的影响。
1.1.2 与信号电缆平行敷设的动力电缆产生的干扰 动力电缆在与信号电缆平行敷设的过程中，将在信号电缆的周围产生电感应磁场，由于信号电缆的两芯的空间位置的差异，该磁场可对信号电缆的两芯产生不同的对地电容，进而在信号回路中产生电位差Vn，如图2所示。
要抑制这种干扰，关键是消除C1和C2的差异，即采用对绞电缆。另外扰最重要的方法是采用屏蔽电缆，从根本上减少电感磁场的影响。
1.1.3 不平衡电路转换共模干扰所形成的干扰 在不平衡电路中，施加在信号回路的共模干扰可转化为串模干扰叠加在信号输入的两端，直接影响信号的测量，要克服这种形式的干扰就要从根本上抑制系统中有可能产生的共模干扰，抗干扰措施在共模干扰部分介绍。
1.2 共模干扰 共模干扰是信号输入端对地的电位差，主要由电网系统干扰串入、地电位差及空间磁场在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成，电网系统引入的共模干扰主要是指通过供电线路的阻抗耦合产生的对电源的干扰，由于发电厂控制系统的供电电源采用UPS电源，从控制系统至仪表的供电电源均通过开关电源送出，UPS电源及开关电源装置具有良好的隔离及抗干扰能力，能提供出良好品质的电源，故此种干扰在本文中不作为主要考虑的对象。
1.2.1 地电位差引入的共模干扰 在大地中，各个不同点之间往往存在电位差，在发电厂仪表系统中，对于外供电的仪表，由于信号源侧与输入端侧的系统地的接地点不同，必然会存在系统地电位的差异Ec，这种地电位差会形成共模干扰施加在信号回路中，如图3所示。
在不平衡电路中，该共模干扰电压Ec还会转化成串模干扰，直接影响测量结果，在平衡电路中，该共模干扰电压也会影响输入端卡件的正常工作，消除共模干扰的有效方法一是提高系统共模抑制比，增加电隔离措施，另外一个方法是阻断共模干扰的形成回路，增加光隔离措施。
1.2.2 空间电磁场造成的共模干扰 空间电磁场产生的条件及避免电磁场干扰措施，在串模干扰部分已介绍，要减少和消除这种因素引起的共模干扰，可行的措施是信号传输采用屏蔽电缆，并在信号的输入端设置隔离装置，提高共模抑制比。
2 抗干扰措施
根据上述干扰产生的原因，可采取有针对性的措施抑制可能产生的干扰，下面从消除或抑制干扰源、破坏干扰途径和增强接收电路抗干扰能力三个方面采取措施。
2.1 抑制干扰源 从工程设计和施工角度，可采取以下措施：①仪表信号电缆的敷设路径应避开高压电动机、变压器、耦合电容器、电容式电压互感器等区域。②仪表信号电缆与电力电缆并行敷设相互间距，在可能范围内宜远离；对电压高、电流大的电力电缆间距宜更远。③仪表信号电缆与动力电缆、强电控制电缆分层敷设；如受条件所限，无法满足分层敷设时，仪表信号电缆与强电控制电缆在同一层电缆桥架中敷设，中间须设置隔板。④仪表信号电缆在电磁干扰区域可采用钢管保护管，以阻隔干扰，但仪表信号电缆不得与强电控制电缆在同一根保护管内敷设。
2.2 破坏干扰途径 在无法避免电磁环境干扰的情况下，怎样使电磁干扰对信号的影响最小，这就要阻断干扰侵入信号回路的途径，可通过下列方式：
①仪表信号导线的扭绞。从前面式（1）可以看出，要减少感应电势Vn，最重要是减少磁通面积S，而信号扭绞是一个减少磁通面积的方法，绞合节距越短，磁通面积越小。另外同一根导线的两扭环产生的磁通方向相反，这也能有效抑制磁通对信号的干扰。
从动力电缆静电感应对信号电缆产生的干扰看，见图2，在信号导线扭绞时，两根信号电缆与动力电缆的距离基本相同，对地电容C1、C2很小，感应电势Vn≈0。
可见信号导线扭绞有助于克服上述两种形式的干扰。
②屏蔽。在仪表系统设计中，信号电缆应选用屏蔽电缆，为提高屏蔽效果，模拟量信号电缆一般选用对绞分屏加总屏计算机电缆。屏蔽的目的就是隔断电磁场的耦合，抑制各种电磁场的干扰。当然，要使屏蔽能起到阻断干扰的作用，必须使屏蔽层能正确接地。从目前计算机电缆的设计选型中一般选用的屏蔽层材料为：铜带（铜塑复合带）绕包屏蔽、铜网（镀锡铜网）编织屏蔽、铝带（铝塑复合带）绕包屏蔽。
③接地。为克服系统地电位差造成的共模干扰，对于控制系统供电的仪表在控制系统机柜侧统一接地，对于外供电的仪表，如不能做到两个系统地在同一点接地，只能采取阻断共模干扰形成的回路来克服干扰了，这可以用设置信号接入的隔离装置来实现。
对于信号电缆屏蔽层的接地，须采取“单点接地”的方式，在目前设计中，一般在控制系统侧（DCS、PLC机柜处）统一接地。如果屏蔽层在信号输入端和仪表侧均接地，则地电位差会通过屏蔽层形成回路，由于地电阻通常比屏蔽层电阻小得多，所以在屏蔽层上就会形成电位梯度，并通过屏蔽层与信号导线间的分布电容耦合到信号回路中去，因此屏蔽层必须“单点接地”。
2.3 增强接收回路的抗干扰能力
2.3.1 在控制系统输入/输出回路的设计中，会考虑很多抗干扰的电路设计，如采用差动放大器等措施，提高共模（差模）抑制比，以达到对系统抗干扰的要求。另外一种有效克服共模干扰的措施是在信号输入回路中设置隔离装置，常用的是变压器的电隔离和光电耦合器的光隔离，在系统设计中，外供电仪表信号输入回路中必须设置隔离装置。下面介绍一下光电隔离装置的抗干扰原理。
在光电耦合器中通过光传输阻断输入信号源回路和信号接收端回路的地线联系，光电耦合器前后形成两个独立的电回路，有效抑制了共模干扰信号。
2.3.2 在系统设计中，通常会要求控制系统（DCS、PLC）满足下面抗电磁干扰的标准：
IEC 60801-1（GB/T13926.1-92）
工业过程测量和控制装置的电磁兼容性
第1部分：总论（EQV）
IEC60801-2（GB/T13926.2-92）
工业过程测量和控制装置的电磁兼容性
第2部分：静电放电要求（EQV）
IEC60801-3（GB/T13926.3-92）
工业过程测量和控制装置的电磁兼容性
第3部分：辐射电磁场要求（EQV）
IEC60801-4（GB/T13926.4-92）
工业过程测量和控制装置的电磁兼容性
第3部分：电快速瞬变脉冲群要求（EQV）
IEC60801-5
工业过程测量和控制设备的电磁兼容性
抗冲击要求
IEC 61000-4-1992（GB/T17626-1998）
工业过程测量和控制设备的电磁兼性
试验方法
3 总结
本文通过分析在发电厂仪表系统中，仪表信号采集、传输、接收等环节可能会受到的干扰，并针对干扰产生的原因提出了克服干扰的措施，这些措施要从设计、施工、设备制造等方面综合考虑，抑制和消除各种干扰，以保证系统稳定的运行。