萬 翟 張征平

(廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510600)

0 引言

在DCS控制系統(tǒng)中，一般的數(shù)據(jù)采集通道模塊都具有較強(qiáng)的抗共模、串模干擾能力，但由于DCS應(yīng)用的環(huán)境越來越復(fù)雜，所受到的干擾也越來越多。如來自電源波形的畸變、現(xiàn)場設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾、接地電阻的耦合等各種形式的干擾，都可能使系統(tǒng)不能正常工作。特別是在對發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行溫度測量時，由于檢測元件處于較強(qiáng)電、磁場干擾環(huán)境中，其輸出的低電勢信號更容易受到干擾信號的影響。所以當(dāng)出現(xiàn)測溫顯示異常時，研究分析DCS控制系統(tǒng)干擾信號的來源、成因及抑制措施，對于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠測量具有重要作用。

1 發(fā)電機(jī)溫度異?，F(xiàn)象概述

某電廠2×600 MW國產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組采用東方電氣的QFSN-600-2-22A型水氫氫冷氣輪發(fā)電機(jī)，DCS系統(tǒng)采用上海西屋控制系統(tǒng)有限公司的Ovation控制系統(tǒng)。該電廠自投運(yùn)以來，1#、2#發(fā)電機(jī)內(nèi)部較多的測溫點(diǎn)一直存在以下測量不準(zhǔn)確的問題。

①當(dāng)定子線棒進(jìn)水溫度為36.5℃時，大多數(shù)絕緣引水管的出水測溫點(diǎn)溫度在DCS上顯示為44℃左右，數(shù)值波動不大，工作正常，但1#、2#、8#出水測溫點(diǎn)溫度僅在25℃左右波動，波動中值比正常溫度低大約20 K。出水溫度低于進(jìn)水溫度，且波動幅值大，應(yīng)該為異常測量值。

② DCS顯示11#、39#、40#絕緣引水管的出水溫度在44～52℃之間波動，波動幅值大，為異常測溫點(diǎn)。

③在所有定子鐵心溫度測量值中，有8個測溫點(diǎn)異常。其中，有的溫度值不穩(wěn)定，波動范圍大，前后兩次測量值波動幅值可達(dá)7～12 K;有的溫度值不僅波動范圍大，且波動中值在10～40 K之間，大大低于發(fā)電機(jī)的熱氫溫度47℃，顯然也為異常測量值。

④DCS顯示汽側(cè)和勵側(cè)7#、8#槽之間鐵心齒部(D-D剖面)64#測點(diǎn)(101℃)與43#測點(diǎn)(95℃)的測量值大大高于其他鄰近測量值(約為87℃左右)，為可疑測溫點(diǎn)。

2 溫度異常原因分析與處理

2.1 溫度異常原因分析

針對上述異?，F(xiàn)象的特點(diǎn)，我們從干擾信號頻率和幅值、通道測量準(zhǔn)確性和抗干擾能力、測量回路的抗干擾措施等方面來進(jìn)行分析和研究。

首先在現(xiàn)場加浮置模擬信號校準(zhǔn)1#、2#、8#測點(diǎn)測量回路，校準(zhǔn)結(jié)果顯示正常，說明測量回路的冷端補(bǔ)償正確，對浮置模擬信號測量準(zhǔn)確。

對現(xiàn)場熱電偶輸出信號進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)在直流毫伏信號上均疊加有一波形為正弦波、頻率為50 Hz的干擾信號，1#、2#、8#測點(diǎn)的干擾信號波形幅值約為200 mV。在DCS模塊側(cè)進(jìn)行檢測，這一信號幅值已衰減為60 mV。根據(jù)多數(shù)DCS控制系統(tǒng)通道的抗串模交流干擾信號能力來判斷，這一幅值大小的干擾信號已能對測量帶來影響，但不至于引起20 K的偏差。各通道的抗干擾能力實(shí)際測試結(jié)果也證明了這點(diǎn)。

檢測一個正常顯示通道(3#測點(diǎn))輸入信號，其干擾信號頻率、幅值與1#、2#、8#測點(diǎn)通道相似。將1#、2#、8#測點(diǎn)信號接入3#測點(diǎn)通道，DCS均能正確顯示，將3#測點(diǎn)信號接入1#、2#、8#測點(diǎn)通道，DCS均不能正確顯示。經(jīng)測試，該模塊各通道的抗串模交流干擾能力幾乎一致。至此，可以判斷干擾信號不是引起問題的根本原因。

最后檢查各通道測量回路信號線、屏蔽接地情況，發(fā)現(xiàn)1#、2#、8#測點(diǎn)通道與該模塊3#測點(diǎn)通道不同。各測點(diǎn)的接地差異如圖1所示。

圖1 各測點(diǎn)接地差異Fig.1 Grounding difference of various measuring points

在圖1(a)中，1#、2#、8#測點(diǎn)通道屏蔽層在模塊側(cè)單端接地，但信號線負(fù)端在現(xiàn)場和模塊側(cè)分別接地，與地形成回路。由于地電位差的存在，且熱電偶負(fù)端熱電極阻抗遠(yuǎn)大于地電阻阻抗，因此，在熱電偶負(fù)端熱電極上額外疊加電壓降，直接串入熱電偶測量回路，造成測量誤差，從而使DCS顯示示值均比實(shí)際溫度偏低20 K左右。

在圖1(b)中，3#測點(diǎn)熱電偶信號在現(xiàn)場接地，屏蔽層在模塊側(cè)單點(diǎn)接地。由于熱電偶信號在現(xiàn)場單點(diǎn)接地，與地不會形成地電流回路，不會在熱電偶負(fù)端熱電極上額外疊加電壓降，因此，該通道在干擾與1#、2#、8#測點(diǎn)通道相似的情況下顯示正常。但這種接地方式不是最理想的屏蔽接地方式。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，屏蔽層接地應(yīng)改在現(xiàn)場信號源側(cè)接地才能實(shí)現(xiàn)最大可能地防止電場、磁場對熱電偶信號傳輸線路的干擾。

2.1.2 測量值波動

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對現(xiàn)場熱電偶輸出信號進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)從發(fā)電機(jī)膛內(nèi)出來的熱電偶輸出信號疊加了很強(qiáng)的工頻串模干擾信號。在出水溫度為44℃、參考端溫度為20℃時，測溫元件(T分度熱電偶)產(chǎn)生的直流電壓信號約為1.0 mV，但疊加的工頻串模干擾信號卻達(dá)到了近500 mV。

由DCS技術(shù)資料可知，I/O模塊的串模抑制比為60 dB(干擾頻率為50 Hz)。通過實(shí)際的通道抗串模干擾能力試驗(yàn)，證明了幅值為1 000 mV的工頻串模干擾在信號溫度為44℃時能引起大約20 K的溫度變化，這與該通道的實(shí)際顯示波動幅值接近。因此，11#、39#、40#測點(diǎn)絕緣引水管出水溫度測量值跳變范圍大，最大可能是由疊加在現(xiàn)場熱電偶信號上的高幅值工頻串模干擾引起。

2.1.3 測點(diǎn)溫度

在現(xiàn)場熱電偶冷端進(jìn)行輸出信號分析，相對于前述的高幅值工頻串模干擾而言，該測點(diǎn)的熱電偶輸出信號上疊加的工頻串模干擾幅值并不高，僅為100 mV左右。

分別用FLUKE萬用表和TEK示波器進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度為40℃時該熱電偶輸出信號的直流電壓為4.7 mV(由于FLUKE萬用表對地浮置，其抗串模、共模能力較強(qiáng)，特別是對50 Hz的串模干擾有極強(qiáng)的濾波能力，因此該4.7 mV的直流電壓測得值可信度較高)。

由于熱電偶已安裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)，不能進(jìn)行實(shí)物校準(zhǔn)，只能根據(jù)目測判斷熱電偶型號。根據(jù)目測觀察結(jié)果以及廠家技術(shù)資料，可以認(rèn)為該熱電偶為T型熱電偶。查T型熱電偶的分度表，可計(jì)算出該熱電偶測量端溫度約為136℃。該推算值與DCS上的測量值基本吻合。檢查該模塊及信號和屏蔽層接地情況，發(fā)現(xiàn)其接地方式與圖1(b)相同，不存在信號回路中疊加串模直流干擾的問題。

64#測點(diǎn)所對應(yīng)的測量通道也經(jīng)過多次對比檢查，確認(rèn)該通道冷端補(bǔ)償及熱電偶型號設(shè)置是正確的。因此，我們可以得出結(jié)論：該熱電偶測量通道測量準(zhǔn)確可靠。

對該工頻串模干擾信號進(jìn)行RC(R=330 Ω、C=1 000 μF)濾波，工頻干擾幅值已從100 mV降至10 mV以內(nèi)，DCS上該測點(diǎn)的測量值仍然保持穩(wěn)定為137℃。通道的實(shí)際抗干擾能力測試也說明10 mV的工頻干擾對64#測點(diǎn)的測量值不會造成什么影響。

另外，某電廠與該電廠同型號、同批次生產(chǎn)的兩臺發(fā)電機(jī)相同測溫點(diǎn)的測量結(jié)果對比如表1所示。

表1 測量結(jié)果對比Tab.1 Comparison of the measuring results

從表1可以看出，該電廠的兩臺發(fā)電機(jī)與另外某電廠的兩臺發(fā)電機(jī)在定子鐵心的同一區(qū)域反映出64#測點(diǎn)的溫度是最高的。

綜上所述，我們可以得出結(jié)論，DCS顯示值反映的就是64#測點(diǎn)的實(shí)際溫度值。

2.2 溫度異常處理方法

根據(jù)上述各種問題產(chǎn)生原因的分析，提出下述解決辦法。

2.2.1 對異常測溫點(diǎn)的處理

對異常測溫點(diǎn)的處理過程中，通過改變各通道測量回路的接地方式，由兩點(diǎn)接地改為單點(diǎn)接地。由于熱電偶已在發(fā)電機(jī)側(cè)接地，無法改變，因此，統(tǒng)一移去熱電偶信號在模塊側(cè)的接地。經(jīng)修改，幾個通道已能準(zhǔn)確測量。另外，雖然信號屏蔽層在模塊側(cè)單點(diǎn)接地，但這種接地方式不是最理想的屏蔽接地方式。由DCS的I/O模塊技術(shù)資料可知，建議將信號屏蔽層在模塊側(cè)接地改為熱電偶信號源側(cè)接地方式，如圖2所示，以實(shí)現(xiàn)最大可能地防止電場、磁場對熱電偶信號傳輸線路的干擾。

圖2 熱電偶測量通道接地方式Fig.2 Grounding measure of the thermocouple measurement channel

另外，建議在機(jī)組停機(jī)期間對所有熱電偶測量回路進(jìn)行信號和屏蔽層接地方式檢查。如有必要，還可以對整個DCS系統(tǒng)的接地方式進(jìn)行確認(rèn)。

2.2.2 測量值波動大的處理

由于這些點(diǎn)所用熱電偶的輸出信號上疊加了幅值過大的工頻串模干擾，在機(jī)組正常運(yùn)行時，無法對此工頻串模干擾源進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，所以只能采取在I/O模塊側(cè)加裝工頻串模干擾濾波電路，以降低該干擾的幅值，使之處于DCS系統(tǒng)通道的串?？垢蓴_能力范圍內(nèi)，從而保證測量的準(zhǔn)確可靠。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，如圖3所示的信號濾波電路可以保證11#、39#、40#測點(diǎn)獲得正確的測量值(對其中元件的參數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際情況作一些調(diào)整。調(diào)試濾波電路時，可先將R用一個1 kΩ或500 Ω的電位器代替，獲得一個最好的阻值后，再用固定阻值的電阻接入濾波電路中)。

圖3 工頻串模干擾濾波電路Fig.3 Filtering circuit for serial mode interference under power frequency

2.2.3 測量值溫度偏高的處理

64#測點(diǎn)的測量值(137℃)已明顯超過鐵心的溫度限值(120℃)，對發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行是十分不利的。這應(yīng)引起廠家的足夠重視，對此問題進(jìn)行制造工藝上的探討研究，并提出相應(yīng)的處理措施。

3 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時存在極強(qiáng)的電磁場干擾，對溫度及其他參數(shù)的準(zhǔn)確測量帶來很大的影響，這些影響隨著不同的信號測量回路結(jié)構(gòu)又表現(xiàn)出不同的結(jié)果特征。應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)果特征，從干擾信號特性、通道抗干擾能力以及測量回路接地方式等方面進(jìn)行分析，找到產(chǎn)生問題的真正原因，再采取適合現(xiàn)場安裝條件的措施加以解決。最理想的方式是在機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝期間我們就做好測量的抗干擾措施，如對熱電偶的熱電極采用雙絞線和屏蔽層設(shè)計(jì)、信號屏蔽層應(yīng)設(shè)計(jì)在信號源側(cè)接地、安裝時要確認(rèn)屏蔽層和接地安裝正確和可靠等。在機(jī)組運(yùn)行過程中，如果測量回路中串入不可避免干擾信號，我們應(yīng)實(shí)際檢測干擾信號幅頻特性，通過額外設(shè)計(jì)、添加干擾信號濾波電路加以解決。

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