作者；张毅
电厂的恶劣电磁环境使得设计和安装维护过程巾防范措施不到位的热控系统现场设备和电缆，很容易受到电磁耦合和地电位波动的干扰影响，所引起的信号异常将带来系统运行的不稳定（如参数显示不准、控制出现偏差、误发报警信号、设备误动、自动品质变差等）．甚至损坏设备与部件，或引起机组跳闸。此类案例随着近几年机组增加而增多，如何提高热控系统抗干扰水平，确保设备在复杂电磁环境下可靠运行．已成为当前全罔发电厂热工白动化方面迫切需要研究的一个重要课题。为此，在浙江能源集团支持下，中同自动化学会发电自动化专业委员会组织浙能乐清发电厂等单位成立项目组．联合开展了“火电厂热控系统防雷和抗干扰技术研究及应用”项日，本文介绍了该项目研究起因、内容、成果与应用情况，供同行参考。
1 雷击与干扰影响机组热控系统运行案例统计与分析
通过总结自身现场案例处理的经验教训，结合书面函调查反馈和电厂实际调研收集，项目组对2008-2012年期间，浙江省内外电厂热控系统因雷击和干扰引起的130起设备故障案例原因进行了分析研究和归类统计，本文仅就雷击与干扰引起的热控系统故障进行归纳和分析。
1.1 雷击
雷电引起的案例通常影响设备的安全运行，如：某电厂2008年7月至2012年期问5次雷电后．损坏脱硫系统变送器8台、执行机构10台、热电阻7支，引起脱硫系统GGH的3台转速测量装置先后出现停转信号，一些旁路挡板执行机构异常快开。有的电厂机组控制设备网络接口因雷电损坏，如图1所示；电源开关烧损，如图2所示：有的机组转速、振动、高排温度等信号因雷电引起突变。超出保护动作值导致设备跳闸或机组主燃料跳闸( MFT)，如图3和图4所示。
在项目研究中综合了32起雷电故障案例导致的后果．主要可归纳为以下几点。
(1)引起控制器、电源模件、网络模件和集散控制系统(distributed control system，DCS)输入等模件故障，导致控制系统异动或运行设备跳闸。
system，CEMS)、电源开关等设备损坏，部分损坏的模件和仪表有明显浪涌电流烧损痕迹．而有的外表则没有任何痕迹，、
(3)引起转速、振动、高排温度等信号突变，超m保护动作值引起设备跳闸或机组主燃料跳闸(master fuel trip, MFT).
(4)通过地电位差引起测量信号波动。
1.2接地系统不规范
某电厂2012年4月25日受雷击时．发生转速信号超限导致刚投产不久的1 000 MW机组跳闸。检查电缆的屏蔽线，虽按转速表说明书要求接在仪表规定的端子上．，但该端子内部却未按要求接地。某电厂一次风机i点风机温度信号同一根电缆，电缆屏蔽层在接线盒处未连接且与盒体接触，运行巾发生信号同时波动导致风机跳闸。某电厂DCS改造后，热电偶测量回路信号波动记录曲线如图5所示（后查明铠装热电偶测量端接地,电缆屏蔽层DCS侧接地，导致二点接地引起）。
项目研究中，综合分析了38起与接地有关的故障，这些故障的原因都与接地不规范有关．主要可归纳为以下几点。
(1)单点接地系统中的电缆屏蔽层二点接地或未接地。
(2)接地连接位置和接地点选择不当，电缆屏蔽层、模件底板、发电机碳刷、公共直流等接地连接松动或接触不良。
(3)中间端子箱转接处电缆屏蔽层未连接或与壳体接触。
(4)振动探头电缆延伸接头未用热塑管紧固且与壳体接触。
(5)机柜内信号地和交流地直接接入公用地。
(6)电动机单相接地引起接地电位变化。
(7)二处接地产生接地电位差引起。
1.3电缆耦合干扰
在所有的热控系统干扰案例中，电缆耦合干扰引起的比较普遍，如某机组运行过程中，所有参数都正常情况下，汽机振动信号突变导致机组跳闸，记录曲线如图6所示。某电厂2号机组在运行过程巾，空气预热器支持油箱油温突变引起油泵自肩（见图7）。检查发现炉侧热电阻信号同时突变，且分布在不同PCU柜及柜内不同的BRC控制卡件。历史曲线显示跳变开始于7月5日15:30,共有113点（占热电阻信号总数的53%）热电阻信号不定期的同时波动或突变．分布在23块温度输入信号卡件上的温度信号波动幅度最大为±l0℃,且现场信号分布在炉侧不同的区域．来自不同的电缆桥架．涵盖了整个炉侧热电阻温度信号区域。
经过对25起案例原因的分析，发现均与电缆间耦合关联，可归纳为如下几点。
(1)清洁或检修人员较大幅度移动电缆引起电容式加速度传感器信号突变，导致机组跳闸。
(2)动力电缆与信号电缆一起敷设，或在同一层敷设，而二者间布置距离过小，动力设备启停时瞬变电流耦合干扰信号电缆引起信号突变。
(3)屏蔽电缆质量不符合要求。
(4)轴振探头延长电缆接头松动。
(5)电源与测量、位置反馈或控制信号合用
1根电缆引起信号波动或设备自启动等。
1.4 电磁辐射
电磁辐射引起的干扰故障案例近10起：如变频装置启停时相互干扰引起送引风机液偶控制晃动：微油点火枪点火时高能电磁辐射干扰导致模件故障：以及对讲机引起信号波动和振动高信号误发，如机组冲转启动过程，巡检人员手中对讲机对振动监测系统造成多次干扰，后经试验（如图8所示）在靠近本特利探头1m范围内使用对讲机．瓦振信号会有明显反应，靠近50 mm内使用．有效的信号完全被干扰信号覆盖。
1.5 电焊作业
综合研究了6起电焊作业时引起的干扰案例：如电焊时焊点与焊枪接地点不在同一处（相距30点）．焊接电流导致处于中间点的风机振动柜内的TSI模件烧损、振动保护动作导致风机跳闸、热控盘柜接地线烧损。焊接辐射导致ETS系统超速保护动作跳机、控制器死机（重启后正常）和热控线路干扰信号波动等。其中某机组风机因电焊作业引起跳闸时的振动曲线记录如图9所示。
1.6 电源干扰
综合研究了10起电源干扰引起的故障案例，如：电源部件故障使5V电源功率下降，引起模拟量信号波动或TSI信号误发而导致保护系统动作：供电电源瞬间波动引起设备停运或启动；ETS直流电源接地引起两段直流电源合环；瞬变电压导致计算机系统死机。另外，较典型的是焊机与汽包水位等热工仪表管的伴热带同接检修电源．焊机异常工作时对检修段母线电源造成谐波污染．使得热工的伴热电源回路产生谐波分量，通过电缆间的电导耦合干扰，引起汽包水位测量信号等参数大幅度波动越限后．触发了 MFT导致机组跳闸．如图10所示。
2热控系统防雷与抗干扰技术研究
上述案例，采用常规的抗干扰方法和预控措施，有些可被解决或者避免发生．但也有一些无法消除。为此，项目组在系统性研究的基础上，专题研究主动抑制干扰信号新设备及非电磁机理的传感器的研发与应用工作。
2.1 系统性研究
发电厂热工控制系统的抗干扰能力．不但与控制系统的电子线路、结构以及软件设计时考虑的各项抗干扰措施的抗十扰能力有关，还与工程设计、安装施工和使用维护有关。
(1)确保接地系统可靠。某电厂现场实测炯道接地与主接地网间电阻为零，但该电厂岩石基础的烟肉底部雷击散流特性较差．烟囱防雷接地电阻远大于主接地网接地电阻，故雷击时电流通过烟道成为主要释放通道，导致烟道上的热控没备多次遭雷击损坏。某电厂设计热工系统接地，是通过独立接地极再连接全厂电气地。但安装单位没有按设计施工，将电缆隔层来的接地电缆直接连接至靠近锅炉钢柱5m左右的电气接地引出点上，雷雨天气曾用录波器测量到地电位瞬间变化，这势必对控制系统会有影响。
冈此热控系统的防雷与抗干扰．首先是确保接地系统可靠，首选热工系统设计独立接地极，通过独立接地极再连接全厂电气地。
(2)掌握防雷与抗干扰技术。专业人员对干扰的认识深度与抗干扰措施的落实程度直接有关，由于缺乏了解和重视，未严格执行规范要求，安装维护过程中留下很多隐患，使得干扰通过各种耦合途径影响控制系统的正常运行。为此项目组系统性地进行了以下研究：①火电厂热控系统干扰信号源产生机理、引入热控系统的途径。②热控系统抗干扰原理及抑制技术。③热控系统防雷技术。④热控系统雷电与干扰故障分析及处理。⑤热控系统防雷与抗干扰技术管理措施。
通过上述系统性的研究，给出了现有硬、软件技术抑制干扰信号的一些常用易行的基本处理方法(见图11)及注意事项，提出《发电厂热控系统硬软件抑制干扰信号的方法与预控措施》，供同行工作中参考。
2.2抑制干扰信号防护器的研发与应用
对常规的抑制干扰方法无法有效解决的干扰问题，项曰组开展专题研究，提出设计方案，通过项目合作单位，进行抑制不同种类干扰信号的新型防雷与抗十扰保护器的研制和现场应用，主要包括以下几种类型：
(1)可编程多功能干扰防护器。由于发电厂下扰往往混杂着多种干扰，如浪涌、静电场、电磁场、漏电耦合、共阻抗耦合等，这些干扰需要采用不同的措施才能达到抗干扰目的，单一功能的元器件不一定能对干扰信号进行有效的保护；加上存在现场一时不能确定干扰原冈或不能及时找到相应的抑制部件，即使有多个部件（如磁环、电容、隔离器），现场义无法安装且会使接线端子处凌乱不堪的问题，研发了“可编程多功能干扰防护器”，具有粗细级保护电路和独创的可编程滤波方式，代替存在干扰信号的DCS输入接线端子，以串联的方式安装于机柜中设备信号输入的前端，平时不影响信号传输，当输入信号线路上窜人干扰谐波信号时，可通过拨动编程开关试验，接入适合的电路以达到抗干扰的目的，且在有浪涌过
电压到来时，迅速将浪涌过电压钳制在设定水平，并将浪涌电流通过接地系统泄放到大地，以便有效地防止浪涌电压引起的干扰信号，影响测量信号的准确性或损坏设备。
(2)现场仪表雷击防护器。脱硫现场经常发生变送器和执行机构雷击损坏的事件，是因为这些设备内部的电子线路和金属外壳都有一定间隙（或串接反向二极管），外壳通过金属安装支架与所处位置的主设备金属构架形成自然连接。当现场热控设备上空周围发生雷击放电时，空间辐射的电磁场会在各种电缆、设备金属外壳上产生感应电压（包括电磁感应和静电感应），当超过内部电子线路与外壳间的耐压强度时，将使设备失效或损坏。如果在雷击区域或露天安装的执行机构、变送器内部的信号输入／输出和电源的输入回路上加装防护器，在雷击发生时，能快速响应箝位限制过电压．泄放信号线卜瞬时增加的电荷能量，就可有效地保护仪表设备或DCS通道。由此项目组开发“变送器信号干扰防护器”和“现场执行机构雷击防护器”，将粗细一级的保护电路，以嵌入式并联安装于烟囱附近易遭雷击的变送器、执行机构内部的接线端子上，平时不影响信号的传输，当执行机构信号线路上感应到各种浪涌过电压时．保护器立即启动，迅速将浪涌过电压箝制在一定水平并以最短的路径将雷电流通过接地系统泄放到大地，从而在雷雨天气可靠防止雷电影响．保护现场变送器、执行机构不被损坏。
(3)电源线路谐波抑制器。为抑制电焊机等用电设备可能产生的谐波串人电源系统，项目组开发“电源线路谐波抑制器”与电源开关并联安装运行．当用电设备产生谐波时进行抑制而不影响供电电压质量。谐波抑制器与电源开关并联安装，具备失效和报警指示、雷电泄放记录及遥信接口等功能，安装在供电系统和现场热T电源柜、用电设备的配电柜或有谐波干扰的环境（如UPS/逆变、电焊机、频繁启动电动设备）中，可改善供电质量。平时电源供电电压正常时，抑制器内部浪涌过电压保护部分不工作，只有谐波抑制部分在工作，抑制电源系统中产生的高次谐波，保证电源的供电质量，保护易受谐波干扰设备的安全。当电源供电系统中出现浪涌过电压时，抑制器内部浪涌过电压保护部分立即启动，迅速将浪涌过
电压钳制在一定水平并将浪涌电流通过接地系统泄放到大地，有效地保护设备安全运行。
(4)屏蔽电缆现场侧瞬间接地连接器。由于热控电缆大多数是低频且弱信号通过电缆引入DCS监控，其沿途除静电场引起的容性干扰需要通过电缆一点接地以外，还有现场雷电及大功率电机的启停、高压开关的合闸与分闸和发电机等产生的瞬问电磁干扰，由于热工电缆都是一点接地．该电磁干扰信号会在信号电缆屏蔽上聚焦电压对信号线产生干扰，如能及时将其泄放到大地。则将大大减弱甚至消除该电磁干扰的影响，因此项曰组根据这一设想，进行屏蔽电缆现场侧瞬间接地连接器的开发，安装处于电磁干扰区域的电缆末端与地之间。平时保护器不工作，信号屏蔽地与地处于断开状态，保证信号电缆满足热工一点接地的要求。当信号电缆屏蔽层上感应到的电磁干扰暂态电压达到保护器的启动电压时瞬间接通，屏蔽电缆二点接地，为暂态干扰提供泄放通道而不影响测控信号的正常功能，当电磁干扰暂态电压低于启动电压时迅速恢复常态运行。
2.3 非电磁测量传感器研究与应用
针对电站设备环境采用常规的防雷与抗干扰技术措施不能消除的干扰和对恶劣的电磁环境现场无法进行监测信号的有效测量问题，研究光学等非电磁测量机理，根据使用环境和测量参数性能要求．采用激光和光纤测量技术提高测量信号抗干扰能力，应用于风机振动、温度、水池液位等易感参数测量，从根本上避免干扰影响。
(l)单点荧光光纤温度传感器。除了利用其光纤传感器共有的绝缘特性和抗电磁干扰特性外，充分利用其高灵敏度、高可靠性和长期稳定性，将光纤探头测量的温度物理量信号，通过转换器转换成4～20 mA信号送至DCS显示。
(2)激光液位传感器。对恶劣的电磁环境现场无法进行监测信号的有效测量问题，研发激光液位测量。采用基于光反馈效应的激光白混合干涉法的激光液位传感器，其特点是主动利用反馈光对激光器特性的影响来获得被测信息，除具有光纤传感器的绝缘特性和抗电磁干扰特性外，充分利用其高灵敏度、高可靠性和长期稳定性，将激光探头测量的液位物理量信号，通过转换器转换成4～20 mA信号送至DCS显示。
(3)光纤振动传感器。目前振动传感器大多数都采用电涡流传感器，易受电磁场干扰影响误发信号而导致设备误跳闸，凶此目前相当多的机组都撤出风机振动保护，这不仅增加了故障扩大或设备损坏的可能性，还威胁到机组的运行经济性和安全性。项目研究中，结合风机振动测试特点．利用共振原理研发了微振动光纤振动传感器，其输出脉冲波通过记数方式实现振动测量。
光纤温度和激光液位测量传感器投入试用，抗干扰效果明显。随着光纤传感器的逐步应用，易发生干扰或雷击故障区域的信号测量，以光纤传感器代替，这将是消除干扰影响和雷击损坏传感器的有效措施。
3结语
通过火电厂热控系统防雷与抗干扰技术的系统性分析，以及针对雷电、接地、电场、磁场等干扰引起的故障不同现象和对应的处理方法的专题研究，提出利用现有软硬件技术来抑制干扰信号的方法，针对尚未解决的干扰问题，研发与应用热控没备干扰防护器和非电磁原理测量仪表。投入运行后实现了干扰信号的抑制，可为今后从事这方面课题研究与应用的专业人员鉴用。
改变现在等故障发生后再实施补救措施的状况，在设计、安装或检修维护的各个阶段，预先分析可能影响控制系统的雷电和干扰的侵入途经，在未发生事故前采取相应的主动防雷与抗干扰预控措施，应成为热控专业解决雷击与干扰故障，提高控制系统可靠性研究的主要方向。
4摘要：在归类统计大量火电厂控制系统故障案例的基础上，系统地分析了雷电、接地、电场、磁场等引起的热控系统故障原凶，针对使用常规方法而无法有效地解决的干扰问题，提出了采用抗干扰防护器和非电磁测量传感器实现热控系统抗干扰方案，并成功研发了系统软硬件设备。现场应用表明，该系统能够有效地实现干扰信号的抑制，可为今后从事这方面课题研究与应用的专业人员鉴用。
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