2022水电站仪表及控制系统接地和抗干扰措施VIP

水电站仪表及控制系统接地和抗干扰措施作者：职场人一、一点接地和二点接地水电站热工自动化专业规定屏蔽层一点接地和继电保护要求在现场两点接地的要求不一致。与火电热工自动化专业不一样，火电热工自动化专业的人员一般都是专业的热工自动化人员，但水电和电网专业许多从事热工自动化专业的人员和电气二次专业有比较多的联系，因此对于控制系统的接地，确实有必要给大家解释清楚。《电力装置的继电保护和自动化装置设计规范》第14.0.16条规定，当“采用静态保护时，采用屏蔽电缆，屏蔽层宜在两端接地”。理论上讲，屏蔽层多点接地（注意，这里所指多点接地的地是全厂接地网的地，而非当地的自然地），屏蔽层完全处于等电位，干扰将减至最小，但实际无法办到，因此电气后退为“宜”两端接地。众所周知，对于通过电容耦合的电场干扰，一点接地即可大大降低干扰电压，发挥屏蔽作用。对于通过电磁耦合的电场干扰，一点接地不能起到屏蔽作用，只有两端都接地，外部干扰电流产生的磁场才能在屏蔽层中感应产生一个与外部干扰电流方向相反的电流，这个电流起到抵消降低干扰电流的作用，即屏蔽作用。但是，两点接地存在两个问题：其一,如果两端地电位不一致（接地网上出现短路电流或雷击电流时），由于电缆屏蔽层两点的电位不同，使屏蔽层内流过电流，可能烧毁屏蔽层。其二，当屏蔽层内流过电流时，对每个芯线将产生干扰信号。正是由于两点接地的这种“有利”和“有弊”之间的矛盾，须根据具体情况来确定是否采用。

对于大量应用的通过高压开关场的常规二次回路，如电流、电压回路及直流控制回路等，其控制电缆的屏蔽层一般采用两点接地，因为这些电缆通常是长距离电缆，高压开关场的电磁干扰很强烈，必须采用两点接地以降低电磁干扰。接地点(特别是靠近高压设备的接地点)应离开大短路接地电流或雷电入地点适当距离，以尽量避免这些大接地电流在接地网中产生不均衡电压。由于常规二次回路的信号电平较高，过去的运行经验表明地电位不同引起的附加干扰还不会出现大的问题。对继电保护和自动装置来说，由于其输入和输出均有一端在开关场的高压或超高压环境中，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干扰信号影响较小，同时继电保护的现场设备相对集中，易于实现两点接地的条件，故继电保护和自动装置规程规定屏蔽层宜在两端接地是适当的。如果通过高压开关场的是电平很低的弱电系统，则接地方式需慎重考虑，这种情况最好采用抗干扰性能较强的传输回路，例如采用双绞线或光纤（例如高压电缆接头的测温信号最好采用光纤传输）。由于热工自动化专业的设备不具备现场设备相对集中的特点，因此就地设备处的屏蔽层都要接到全厂公用地困难较大，对于信号电平较低的弱电回路，更需要用屏蔽电缆以降低高频电磁干扰，如回路较短宜采用一点接地，以降低外部电场的共模干扰，对弱电回路一般应采用双绞线以降低感应耦合的差模干扰。所以计算机监控系统中屏蔽电缆屏蔽层一般采用一点接地。如果现场中的地网良好（一般不具备这样的条件），屏蔽层的接地点可选在现场侧，否则就在屏柜侧一端接地。电缆屏蔽层在现场及屏柜接于专用的接地母线，在屏柜内的该专用接地母线与信号接地母线连接。但如果发现确有个别信号出现较大干扰，也可个别采取两端接地的方案来试一下。对于变电站综合自动化微机系统，由于进入的信号主要是低电平的弱电回路，应按照热工自动化专业的要求进行，个别信号可以根据实际情况处理。从以上的分析看，一点接地和二点接地其实是统一的，关键还是等电位接地的要求。二、干扰源的产生仪表在工业生产的现场使用的条件常常是很复杂的。被测量的参数又往往被转换成微弱的低电平电压信号，并通过长距离传输至二次表或者计算机系统。因此除了有用的信号外，经常会出现一些与被测信号无关的电压或电流存在。这种无关的电压或电流信号我们称之为“干扰”（也叫噪声）。

干扰的来源有很多种，通常我们所说的干扰是电气的干扰。根据仪表输入端干扰的作用方式，可分为差模干扰和共模干扰。差模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。

干扰来自于干扰源，它们在仪表内外都可能存在。在仪表外部，一些大功率的用电设备以及电力设备都可能成为干扰源，而在仪表内部的电源变压器、开关以及电源线等也均可能成为干扰源，干扰的引入方式主要如下：电磁感应，也就是磁耦合。信号源与仪表之间的连接导线、仪表内部的配线通过磁耦合在电路中形成干扰。像我们在工程中使用的大功率的变压器、交流电机、高压电网等的周围空间中都存在有很强的交变磁场，而仪表的闭合回路处在这种变化的磁场中将会产生感应电势。静电感应，也就是电容的耦合。在相对的两物体中，如其一的电位发生变化，则由于物体间的电容使另一物体的电位也发生变化。干扰源是通过电容性的耦合在回路中形成干扰。它是两电场相互作用的结果。当把两根信号线与动力线平行敷设时，由于动力线到两信号线的距离不相等，分布电容也不相等。它在两根信号导线上能产生电位差，有时可达几十毫伏甚至更大。当把信号线扭绞时能使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。而在采用静电屏蔽后，能使感应电势减小到1/100～1/1000。

附加热电势和化学电势，主要是由于不同金属产生的热电势以及金属腐蚀等原因产生的化学电势，当它处于电回路时会成为干扰，这种干扰大多以直流的形式出现。在接线端子板或是干簧继电器等处容易产生热电势。振动。导线在磁场中运动时，会产生感应电动势。因此在振动的环境中把信号导线固定是很有必要的。

以上这4种干扰都是和信号串联，也就是以差模干扰的形式出现。

不同地电位引入的干扰。在大地中，各个不同点之间往往存在电位差。尤其在大功率的用电设备附近，当这些设备的绝缘性能较差时，这一电位差更大。而在仪表的使用中往往又会有意或无意的是输入回路存在两个以上的接地点。这样就会把不同接地点的电位差引入仪表，这种地电位差有时能达1～10伏以上，它是同时出现在两根信号导线上。通过静电耦合的方式，能在两输入端感应出对地的共同电压，以共模干扰的形式出现。由于共模干扰它不和信号相叠加，它不直接对仪表产生影响。但它能通过测量系统形成到地的泄漏电流，这漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪表，产生干扰。除一些脉冲电压能够作用于模拟电路之外，还可以对数字电路产生干扰，这些脉冲电压的发生源是开关、电机、继电器这样一些感性负载和产生放电的机器等。

三、消除干扰的措施在了解了各种不同的干扰源之后，我们就可以针对不同的情况采取对应的措施加以消除或避免。因为所有的干扰源都是通过一定的耦合通道而对仪表产生影响，因此我们可以通过切断干扰的耦合通道来抑制干扰。通常采用的方式有信号导线的扭绞、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等各种方法，一般我们会同时采取多种措施。

常用的抗干扰措施比较多，要想抑制干扰，必须对干扰作全面地分析了解，要在消除或抑制噪声源、破坏干扰途径和削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三个方面采取措施。

消除噪声源是积极主动的措施。比如插接件接触不良、虚焊等情况，对于这类干扰源是可以消除的。从原则上讲，对于噪声源应予以消除。但是，实际上很多的噪声源是难以消除或不能消除的。例如有时候泵房中的仪表，泵运行时电机的电磁干扰就是不能够消除的。这时候就必须采取防护措施来抑制干扰。

1、扭绞和屏蔽

信号导线的扭绞。由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且是两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进入回路的串模干扰大为减小。屏蔽，为了防止电场的干扰，可以把信号导线用金属包起来。通常的做法是在导线外包一层金属网（或者铁磁材料），外套绝缘层。屏蔽的目的就是隔断“场”的耦合，抑制各种“场”的干扰。屏蔽技术是最常见的抗干扰措施，屏蔽是把不同设备之间通过屏蔽层进行分割，以达到屏蔽层内外设备相互不干扰的目的。电磁屏蔽的方式解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路进行修改。

干扰源既来自屏蔽层外部，同样屏蔽层内部的电路也同样会产生电磁辐射。屏蔽层的目的是通过吸收和反射将这种辐射干扰进行衰减以达到不影响电路正常工作的目的。仪表屏蔽接地分两种。一种是电缆保护管、电缆槽等接地。这类接地应与装置电气接地网相连，属于等电位连接（在具体实施过程中，电缆保护管、电缆槽要连在一起，然后和电气接地网相连）。另一种为信号屏蔽电缆接地，应根据信号源和接收仪表的不同情况采用不同接法。例如：常用的变送器内部电路多数是不接地的，因此信号屏蔽电缆一般在控制室一侧接地。信号屏蔽电缆接地应为单点接地。从热工自动化仪表屏蔽的作用主要是电场屏蔽，电场屏蔽即静电屏蔽，解决分布电容产生的干扰问题，采用高电导率的材料，应当接地。因此解决干扰信号的第一个有效的措施就是采用良好的屏蔽电缆和电缆的走线，目前大多数电缆走向混乱，许多仪控信号电缆经电缆桥架经常与其它电缆(包括强信号电缆、仪控设备工作电源电缆)混在一起，极易受到其它强电电缆的干扰。所以监控系统重要模拟量信号电缆要选用带优质铜网屏蔽层的控制电缆，最好是带优质铜网屏蔽层的双绞线电缆。目前各电厂采用的屏蔽电缆有的是锡皮屏蔽，有的电缆中部屏蔽层断裂问题非常突出。以在线监测系统的振动信号为例，一些电厂的信号稳定性差，对讲机可能导致信号干扰，解决的方法一是要固定好电缆，发电机组附近是一个强电磁环境，导线在磁场中运动时，会产生感应电动势，因此首先要把信号导线固定好（关于火电机组的振动电缆的固定有专门的规范）。二是振动和摆度探头延伸电缆的屏蔽在就地端子箱中是断开的，为减少干扰，从探头到在线检测装置的电缆的屏蔽都要相联，接地点就是装置的信号地。对于屏蔽方面的问题，还有一个重要的问题是信号电缆的穿管与桥架之间出现断层现象。这一方面容易引起电缆在钢管或槽架快口处碰伤、绝缘层磨坏等现象的发生，另一方面强干扰信号易串入，而影响控制系统的正常可靠工作。另外，信号电缆在桥架内转弯过程中没有采取屏蔽措施，有些电缆采取了一根屏蔽钢管串一根电缆的屏蔽措施，但在电缆转弯处却又将几根电缆捆扎在一起，使得原本良好的设计意图失去了应有的作用。2、接地仪表信号接地分隔离信号与非隔离信号。隔离信号一般可以不接地。这里的隔离应当是每一输入信号(或输出信号)的电路与其他输入信号(或输出信号)的电路是绝缘的，对地是绝缘的，其电源是独立的相互隔离的。非隔离信号通常以24VDC电源负极为参考点并接地。信号分配均以此为参考点。这种电路的共模抑制电压通常都很小，接地是消除此类干扰的主要措施。接地工程设计时应当注意避免设备工作时在地线上产生电压降，而对信号产生干扰。仪表信号公共点接地、分散型控制系统(DCS)和可编程序控制器(PLC)的非隔离输入的接地等，均应从连接端子排或汇流条接到接地汇总板上。这实质上也是一种等电位连接。仪表非隔离信号接地，虽然最终是与电气接地相连的，但不应直接与电气接地混接。仪表工作接地的连线应当采用多股铜芯绝缘电线，在接至接地汇总板之前，各接地线、接地汇流条除正常的连接点外，都应当是绝缘的。最终与接地体或接地网的连接是从接地汇总板单独接线的。分散型控制系统(DCS)和可编程序控制器(PLC)的接地本来不是一个单独的接地分类，但由于种种原因，使人们有意无意地将其分离出来，而国内、国际并没有单独为DCS和PLC所编制的接地标准规范(其实在客观上也根本没有必要)，有时由于一些误解或不正确的规定，反而令造成不小的麻烦。DCS(或PLC)的设备可分为信号处理部分和数据处理部分。信号处理部分就是控制器、检测器的输入、输出(I/O)部分。这与常规仪表是一样的，属于仪表工作接地。数据处理部分有控制器、操作台、工程师站等各处理机或称网络站点设备。这些设备的实质是单板机、微机、工作站、小型机等类型的计算机。而这些设备的接地是保护接地，其开关电源、主板等器件或板卡的接地，或浮空或与机壳相连。因此DCS(或PLC)接地方法与常规仪表是相同的，这是非常明确的。在DCS制造商的接地工程手册中，大多都有应当符合当地政府、国家或国际有关电气接地标准、规范的条文，然后再推荐一个根据DCS(或PLC)制造商当地政府、国家或国际有关标准的接地方法。我国有些规范的有关条文常写成“根据仪表制造厂的要求”去做，这并不合适。国外的标准、规范极少这样规定，国际标准根本就没有这样的规定，都是制造商必须符合当地政府、国家或国际有关标准、规范的规定。这不但是一个科学技术问题，在某些领域或某些方面甚至是政治、经济问题。这样的例子并不少见，应当引起重视。3、滤波。对于变化速度很慢的直流信号，可以在仪表的输入端加入滤波电路，以使混杂于信号的干扰衰减到最小，因此对于采取其它方法不能解决的干扰问题，根据干扰信号频率可以大胆选用电容，尽量使用钽电容或涤纶电容。

以上的几种方法是主要是针对与不可避免的干扰场形成后的被动抑制措施，但是在实际过程中，我们应当尽量避免干扰场的形成。譬如注意将信号导线远离动力线；合理布线，减少杂散磁场的产生；对变压器等电器元件加以磁屏蔽等等，采取主动隔离的措施。4、监控系统对瞬态干扰的抑制

电涌(又称浪涌)是指电路中突然出现的瞬间电压或过电流现象。它产生于雷击电磁脉冲、雷电产生的静电感应、静电放电、电源开关的通或断、电磁场干扰等。其中，工频交流或直流产生的常态过电压/过电流，持续时间是秒、毫秒级的；高压系统接地故障出现的暂态过电压(TOV)，持续时间是毫秒级的；波形呈三角形的瞬态电涌，持续时间是微秒、纳秒(ns)级的。开关电磁脉冲(SEMP)，有的经测试可达到4kV，静电放电(ES