電磁干擾對巨型水電機組測溫系統的影響及對策

楊春霞，王德寬，汪華強，魏海波

（1.中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京100038；2.羅克韋爾自動化中國有限公司，重慶400010）

電磁干擾對巨型水電機組測溫系統的影響及對策

楊春霞1，王德寬1，汪華強1，魏海波2

（1.中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京100038；2.羅克韋爾自動化中國有限公司，重慶400010）

國內某水電站測溫系統投運初期出現較為嚴重的電磁干擾問題，影響了電站及監控系統的安全穩定運行。通過現場測試分析，將現場干擾歸納了持續工頻高電壓、持續較長時間脈沖、快速尖脈沖等幾種典型的干擾現象，針對不同的干擾現象，采取了不同的處理措施，對電源接地、屏蔽接地等嚴格按標準和設計進行整改，并采取了齊納二級管保護、軟件濾波、三中取二等措施，取得了良好的效果。

巨型水電站；測溫系統；電磁干擾

0 引言

電磁干擾一直是困擾水電站計算機監控系統正常運行的一個重要問題。隨著機組容量的不斷增加，電流電壓也隨之增加，巨型水電站的電磁干擾問題更為突出。三峽、龍灘于2007年初先后投產后，景洪、構皮灘、拉西瓦等一批巨型水電站也相繼發電投產。據了解，在大中型電站似乎已經解決的電磁干擾問題，對這些巨型電站的計算機監控系統穩定運行均不同程度地產生了一些不利影響。由于溫度信號是小信號，其信號采集與處理更容易受到各種干擾的影響，巨型電站測溫系統抗干擾應引起足夠重視。

2009年底，我國某巨型水電站首批兩臺機組先后并網投入運行，計算機監控系統總體運行情況良好穩定，但出現了機組測溫屏和水機屏測溫模塊多次燒損現象，嚴重地影響了電站的安全運行。經過現場測試分析，相關技術人員按規范和設計要求對現場接地、屏蔽等進行了嚴格的整改，并對已發電的3臺機組測溫回路增加必要的保護措施，現測溫系統均運行穩定可靠，取得了明顯的成效。

本文試圖從該水電站出現的電磁干擾現象出發，簡要論述電磁干擾的產生與傳播，電子設備抗電磁干擾的主要措施，最后談談在該水電站采取的措施以及效果，供借鑒和參考。

圖1 機組LCU系統結構圖

1 系統概況

該水電站機組LCU設置有控制、測溫和水機保護等三套PLC系統，分別簡稱為主控屏、測溫屏和水機屏，三套PLC相互獨立。機組LCU系統結構如圖1所示。

測溫系統采用冗余PLC配置，設有獨立的CPU電源和I/O電源，采集機組溫度量344點。它與機組控制PLC沒有關聯，在機組控制PLC退出時，溫度數據的采集不受影響，仍可將溫度信號送到上位機系統，提高了機組運行的安全性和可靠性。該測溫系統可以將溫度過高停機信號通過以太網傳遞給機組主控屏PLC，啟動停機順控回路。

水機屏PLC獨立于機組主控屏PLC和測溫屏PLC，為單CPU配置，也設置獨立的CPU電源和I/O電源，主要完成引起機組事故停機和緊急事故停機的SOE信號和96點溫度量的采集，以及相關設備的控制功能。與測溫屏的溫度信號取自不同的溫度傳感器。水機屏將信號通過以太網獨立送到主控級用于事故記錄，同時將溫度過高停機信號通過以太網總線傳遞機組主控屏PLC，啟動停機順控回路。

2 現場干擾檢測

經過對現場RTD三線信號對地電壓的監測，發現引起模塊損壞主要源于嚴重的共模干擾信號，干擾信號主要有以下幾種。

2.1 持續工頻高電壓

典型測點：6F測溫屏定子線圈34號測溫模塊通道經常損壞。經實測，該點 372V（峰值），145rms（有效值），波形如圖 2所示。而一直正常的測點6F測溫屏定子線圈33號的電壓約為4V。

圖2 6F定子線圈34號RTD干擾信號波形

2.2 持續較長時間脈沖

典型測點：6F水機屏推力軸瓦20號，電壓800V/5ms，400V/25ms，200V/40ms。實測波形如圖3所示。

圖3 6F水機屏推力軸瓦20號RTD干擾信號波形

2.3 快速尖脈沖

典型測點：集中在6F水機屏和測溫屏推力瓦，電壓100～300V不等，典型時間寬度在500μs左右。實測波形如圖4和圖5所示。

圖4 6F水機屏推力瓦8號RTD干擾信號波形

圖5 6F測溫屏推力瓦8號RTD干擾信號波形

3 干擾信號的類型

電磁干擾源一般就是產生電流和電壓劇烈變化的部位。干擾信號通常按照干擾產生的原因、噪聲干擾模式或噪聲波形性質來劃分。按噪聲產生的原因可分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等。按噪聲的波形、性質不同，可分為持續噪聲、偶發噪聲等。按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾等。

電磁干擾源包括外部干擾和內部干擾。設備內部產生的干擾通過硬件產品的設計、制造環節解決，這里不做討論。外部干擾對電子設備的影響主要是空間電磁輻射和外引線兩種途徑。空間電磁輻射主要對陰極射線管構成的顯示器影響嚴重，現采用液晶技術后已基本克服，對其他設備的影響不十分明顯。外引線干擾主要通過電源和信號線等引入，又稱為傳導干擾，主要表現為分別來自電源線、信號線和地線的三類干擾。

由于水電站現場設備多，各種電纜縱橫交錯，設計、施工環節稍有疏忽，便會形成相互之間耦合或傳導，引入干擾。良好的屏蔽、接地是提高電子設備抗干擾能力的重要措施。

4 現場抗干擾措施

針對上述三類干擾，我們對該水電站測溫系統分別采取了下列提高抗干擾能力的措施。

4.1 電源系統抗干擾處理

在PLC控制系統中，電源地位極重要。電源干擾串入PLC控制系統主要通過PLC系統的供電電源 （如CPU電源、I/O電源）、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。現在對于PLC系統供電的電源，一般都采用了隔離性能較好的電源，而對于變送器供電電源以及和PLC系統有直接電氣連接的儀表供電電源，有時沒有受到足夠的重視。

機組主控屏PLC設置專門的自動化元件供電電源，并且對運行環境潮濕容易引起短路的自動化元件設置獨立的供電回路，以減少對其他自動化元件供電回路的影響。電源的進線側安裝電涌保護器，即最靠近電纜進入點的導軌上。這樣外部的干擾電壓在進入機柜處就被釋放掉，防止耦合入機柜。在電涌保護器前加裝空氣開關，形成更基礎的保護，同時要保證電涌保護器良好的接地，電涌保護器出線盡量短。

4.2 接地系統抗干擾處理

控制系統接地的目的有兩個，一是安全，二是抑制干擾。完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。系統接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式。對PLC控制系統接地線而言，應采用一點接地或串聯一點接地方式。信號源接地時，屏蔽層應該在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地，一定要避免多點接地。

在該水電站現場測試時發現，現場接地混亂，存在以下現象：

（1）在控制柜和現場接線箱存在信號線浮地/單點/多點接地情況；

（2）工作地和保護地在控制柜和現場接線箱混在一起；

（3）控制柜內的一些設備如電源和機架沒有連接工作地和保護地；

（4）所有測溫盤柜24VDC浮地。

4.3 信號抗干擾處理

在測溫信號接入PLC測溫模塊之前，如圖6所示加裝齊納二極管IN4732，進行共模抑制。

圖6 測溫信號增加齊納二級管抑制尖峰電壓示意圖

溫度模塊24VDC負端和工作地連接在一起，RTD的H和L端外部干擾能量經齊納二極管對地泄放。24VDC負端如果浮地，相當于在24VDC負端和工作地之間有一個等效電阻，雖然H和C端以及L與C端通過齊納二極管進行了線間尖峰抑制，但在該等效電阻上仍然會有電壓存在，會導致H和L對工作地有較高的共模電壓，經監測，此時共模尖峰電壓大約在40～70V之間。

在檢查RTD埋件、規范接地、增加齊納二極管尖峰抑制以及測溫屏的獨立供電電源24VDC負端接地等措施后，再次測試結果如下:

（1）持續工頻高電壓干擾信號

產生這類信號的原因主要是測溫電阻埋件安裝有問題，產生工頻感應高電壓。在4F開機調試過程中，測出水機屏定子線圈23號電壓約145V（與圖2類似）。現場更換備用測溫電阻埋件后，測得電壓約2V。所以處理這類信號的辦法是檢查溫度傳感器的安裝是否符合工藝要求，如有問題則只能更換該傳感器。

（2）持續較長時間脈沖干擾信號

典型測點：6F水機屏推力軸瓦20號溫度加裝二極管前后對比情況，有保護后電壓基本在5V以下，如圖7所示。

圖7 6F水機屏推力瓦20號RTD信號波形

（3）快速尖脈沖干擾信號

典型測點：6F水機屏推力軸瓦11號溫度加裝二極管前后對比情況，有保護后電壓基本在6～10V之間（圖8）。

圖8 6F水機屏推力瓦11號RTD信號波形圖

4.4 軟件防干擾處理

由于電磁干擾的復雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統的軟件設計和組態時，還應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統的可靠性。

該電站機組溫度保護的功能在軟件設計上考慮了以下抗干擾措施。

（1）溫度信號三選二原則

該水電站用于水機屏和測溫屏的溫度信號都來自現場不同的溫度傳感器。參與水機屏事故停機和溫度屏的溫度量，按照三選二的原則，僅當相鄰的3個瓦溫中至少2個瓦溫都過高，才作用于停機，并且該3點分別布置在不同的溫度輸入模塊上，避免由于某一點測溫信號受到干擾而誤停機。

（2）溫度信號有效性判斷

機組測溫信號的有效性判斷包括：通道越上限判斷、通道越下限判斷、通道初始化判斷、梯度計算等。只有經過有效性判斷的信號才參與溫度信號三選二的判斷流程。

（3）溫度保護投退功能

針對機組不同部件的溫度保護，在水機屏和溫度屏上分別設有溫度保護投退軟壓板。根據現場的實際需要，運行人員可以投退相應的溫度保護功能，即也可以保證溫度信號的有效性篩選。

5 結束語

該巨型水電站運行前期所暴露的問題充分證明了測溫系統抗干擾措施的重要性。這些問題的出現及處理表明，巨型電站機組測溫系統的抗干擾是個系統工程，不是不可解決的。要通過設計、集成、安裝施工等方面通力配合，在各個環節、不同階段予以全面考慮，注重屏蔽、接地等抗干擾措施的細節落實，確保施工質量，才能夠保證系統的電磁兼容性和運行可靠性。經過現場運行的檢驗表明，該電站機組測溫系統的抗干擾處理措施是有效可靠的，為巨型機組計算機監控系統設計提供了有益的借鑒。

[1]圖爾克（天津）傳感器有限公司.如何解決PLC控制系統中的干擾問題[J].今日自動化，2010.5.

[2]楊春霞.瀑布溝水電站計算機監控系統的結構和特點[A].第二屆水力發電技術國際會議論文集（水電篇）[C].2009.

TM930.9

B

1672-5387（2011）03-0011-03

2011-04-11

楊春霞（1975-），女，工學碩士，高級工程師，主要從事水電廠計算機系統及自動化系統研制、開發等工作。