水電廠(chǎng)電阻測溫的干擾源的應用研究

1.引言

在水電廠(chǎng)，為保證機組的安全運行，我們必須監視機組各部位的運行狀況，溫度就是其中一個(gè)重要指標，通過(guò)溫度變化趨勢可以判斷各部位的受力情況。水電廠(chǎng)的測溫位置主要有三部軸承瓦溫、油溫、定子、冷熱風(fēng)，這些部位都有著(zhù)強大的電磁干擾，惡劣的運行環(huán)境，時(shí)時(shí)刻刻干擾著(zhù)電阻測溫的正常工作。在三門(mén)峽水電廠(chǎng)，就發(fā)生多次由于測溫跳變導致的設備障礙，2005年1F、2F定子溫度測值多次跳變到140多攝氏度，2006年5F、7F先后發(fā)生了由于溫度跳變導致水機事故出口動(dòng)作的障礙。這類(lèi)缺陷嚴重困擾著(zhù)水電廠(chǎng)的安全運行。為提高水電廠(chǎng)安全運行水平，必須提高水電廠(chǎng)測溫的抗干擾水平。本文將從測溫原理出發(fā)，結合對各種干擾源的分析，提出測溫在實(shí)際運行過(guò)程中有效的抗干擾措施。

2.測溫原理

RTD(resistance temperature detector)全稱(chēng)電阻溫度檢測器。在眾多測量溫度(或測溫)方法中，電阻溫度檢測器(或電阻測溫器，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為RTD)是最精確的一種方法，在各種工業(yè)環(huán)境中廣泛應用。在RTD中，器件電阻與溫度成正比。RTD通過(guò)對測溫電阻施加外部激勵進(jìn)行采集，一般RTD測量有如下幾種原理。

(1)RTD集成電路

該原理一般采用自帶RTD功能的集成電路芯片，如XTR105等。該類(lèi)芯片一般自帶2路精密恒流源輸出，直接產(chǎn)生4-20mA的電流型輸出信號或數字信號。該原理器件集成度高，電路簡(jiǎn)單，并且采集精度高。但該類(lèi)器件一般輸出的電流較小，只有0.4~0.8mA,并且抗干擾能力較弱，在干擾大的環(huán)境下容易造成測值不準，必須在硬件或軟件上有較好的濾波設計。

(2)電橋原理

該原理采用惠斯通電橋法。通過(guò)在電阻電橋上疊加電壓源，在被測電阻上形成電壓，通過(guò)機械式繼電器切換，沒(méi)有切入的通道僅和電壓源有電氣聯(lián)系，和采集回路沒(méi)有電氣聯(lián)系。

本原理采用電壓源取代電流源，實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但存在以下問(wèn)題：

非線(xiàn)性問(wèn)題：由于采集電壓和電阻的變化率呈非線(xiàn)性關(guān)系，因此不同類(lèi)型的測溫電阻之間無(wú)法實(shí)現自適應，必須軟件補償;三線(xiàn)制問(wèn)題：該原理無(wú)法真正實(shí)現三線(xiàn)制接線(xiàn)，即使通過(guò)三線(xiàn)制接線(xiàn)方式，也無(wú)法完全消除引線(xiàn)電阻。

必須采用機械式繼電器，由于機械式繼電器壽命有限，長(cháng)時(shí)間頻繁動(dòng)作后損壞率較高。

當多個(gè)測溫電阻發(fā)生接地時(shí)會(huì )測量不到溫度值。由于測溫電阻埋設在軸瓦和定子中，加上引線(xiàn)距離較長(cháng)，因此很容易發(fā)生電阻接地的情況。如下圖所示，當測溫電阻R1的一端和R2的另一端同時(shí)發(fā)生接地時(shí)，電流會(huì )沿紅色通道流過(guò)，從而R1被短路，無(wú)法正確測量。

(3)恒流源原理

采用獨立的恒流源電路，通過(guò)MOS繼電器在通道間切換，沒(méi)有切入的通道通過(guò)MOS繼電器隔離，和內部電路沒(méi)有任何電氣上的連接;切入的通道，電流源在電阻上形成電壓并由AD采集。

該原理采用獨立大電流的恒流源，抗干擾能力較強;通道之間完全獨立，并且沒(méi)有切入的通道和內部電路沒(méi)有任何電氣聯(lián)系，極大降低了被干擾的概率;該原理支持2線(xiàn)、3線(xiàn)及4線(xiàn)等多種接線(xiàn)形式，可有效消除引線(xiàn)電阻。此種方法應用比較廣泛。

3.水電廠(chǎng)電阻測溫的干擾源

(1)電磁干擾

電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。

傳導干擾又分為兩大類(lèi)：共模干擾、差模干擾。

共模干擾(Common-mode Interference)定義為任何載流導體與參考地之間不希望有的電位差;差模干擾(Differential-mode Interference)定義為任何兩個(gè)載流導體之間的不希望有的電位差。

輻射干擾又可分為近場(chǎng)干擾[測量點(diǎn)與場(chǎng)源距離λ/6(λ為干擾電磁波波長(cháng))]和遠場(chǎng)干擾(測量點(diǎn)與場(chǎng)源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，導體中變化的電流會(huì )在其周?chē)臻g中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的大小以及其作用范圍。

在水電廠(chǎng)中，無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在著(zhù)強大的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)對電阻及電纜產(chǎn)生電磁干擾，不僅存在著(zhù)差模干擾，共模干擾有時(shí)甚至能達到V級，嚴重影響了溫度測量的準確度。

(2)工頻干擾

水電廠(chǎng)的環(huán)境復雜，高壓開(kāi)關(guān)的分合，大容量的電容充放電等等都會(huì )產(chǎn)生工頻干擾，工頻干擾會(huì )產(chǎn)生感應電壓或感應電流。這嚴重影響測溫裝置的正常運行。

(3)環(huán)境干擾

環(huán)境溫度干擾：如果采用兩線(xiàn)制的話(huà)，線(xiàn)阻是一個(gè)不可忽視的因素。這時(shí)一般會(huì )采用溫度補償的方法來(lái)解決。但環(huán)境溫度變化會(huì )引起線(xiàn)阻的變化，導致溫度補償不恒定，從而導致溫度測值不準。

運行環(huán)境干擾：運行環(huán)境惡劣。還是以推力瓦測溫電阻為例，傳感器及其導線(xiàn)長(cháng)期浸泡在溫度較高的透平油里，并時(shí)刻承受油流的沖擊和機組的振動(dòng)。在這樣的環(huán)境中傳感器及導線(xiàn)極易出現松動(dòng)、斷線(xiàn)等情況。這類(lèi)由于斷線(xiàn)導致的測值跳變占了電阻缺陷總數的近一半。

4.抗干擾措施

(1)采用三線(xiàn)制或四線(xiàn)制

熱電阻(如Pt100)是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一原理制成的將溫度量轉換成電阻量的溫度傳感器。

溫度變送器通過(guò)給熱電阻施加一已知激勵電流測量其兩端電壓的方法得到電阻值(電壓/電流)，再將電阻值轉換成溫度值，從而實(shí)現溫度測量。

熱電阻和溫度變送器之間有三種接線(xiàn)方式：二線(xiàn)制、三線(xiàn)制、四線(xiàn)制。它們的測溫原理如下。

1)二線(xiàn)制

如圖1所示，變送器通過(guò)導線(xiàn)L1、L2給熱 電阻施加激勵電流I,測得電勢V1、V2.

由于連接導線(xiàn)的電阻RL1、RL2無(wú)法測得而被計入到熱電阻的電阻值中，使測量結果產(chǎn)生附加誤差。如在100℃時(shí)Pt100熱電阻的熱電阻率為0.379Ω/℃，這時(shí)若導線(xiàn)的電阻值為2Ω，則會(huì )引起的測量誤差為5.3℃。

2)三線(xiàn)制

是實(shí)際應用中最常見(jiàn)的接法。如圖2,增加一根導線(xiàn)用以補償連接導線(xiàn)的電阻引起的測量誤差。三線(xiàn)制要求三根導線(xiàn)的材質(zhì)、線(xiàn)徑、長(cháng)度一致且工作溫度相同，使三根導線(xiàn)的電阻值相同，即RL1=RL2=RL3.通過(guò)導線(xiàn)L1、L2給熱電阻施加激勵電流I,測得電勢V1、V2、V3.導線(xiàn)L3接入高輸入阻抗電路，IL3=0.