水電廠電阻測溫的干擾源的應(yīng)用研究

1.引言

在水電廠，為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，我們必須監(jiān)視機(jī)組各部位的運(yùn)行狀況，溫度就是其中一個(gè)重要指標(biāo)，通過溫度變化趨勢可以判斷各部位的受力情況。水電廠的測溫位置主要有三部軸承瓦溫、油溫、定子、冷熱風(fēng)，這些部位都有著強(qiáng)大的電磁干擾，惡劣的運(yùn)行環(huán)境，時(shí)時(shí)刻刻干擾著電阻測溫的正常工作。在三門峽水電廠，就發(fā)生多次由于測溫跳變導(dǎo)致的設(shè)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(dǎo)致水機(jī)事故出口動作的障礙。這類缺陷嚴(yán)重困擾著水電廠的安全運(yùn)行。為提高水電廠安全運(yùn)行水平，必須提高水電廠測溫的抗干擾水平。本文將從測溫原理出發(fā)，結(jié)合對各種干擾源的分析，提出測溫在實(shí)際運(yùn)行過程中有效的抗干擾措施。

2.測溫原理

RTD(resistance temperature detector)全稱電阻溫度檢測器。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，通常簡稱為RTD)是最精確的一種方法，在各種工業(yè)環(huán)境中廣泛應(yīng)用。在RTD中，器件電阻與溫度成正比。RTD通過對測溫電阻施加外部激勵(lì)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(shù)字信號。該原理器件集成度高，電路簡單，并且采集精度高。但該類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(zhǔn)，必須在硬件或軟件上有較好的濾波設(shè)計(jì)。

(2)電橋原理

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

本原理采用電壓源取代電流源，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但存在以下問題：

非線性問題：由于采集電壓和電阻的變化率呈非線性關(guān)系，因此不同類型的測溫電阻之間無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，必須軟件補(bǔ)償;三線制問題：該原理無法真正實(shí)現(xiàn)三線制接線，即使通過三線制接線方式，也無法完全消除引線電阻。

必須采用機(jī)械式繼電器，由于機(jī)械式繼電器壽命有限，長時(shí)間頻繁動作后損壞率較高。

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

(3)恒流源原理

采用獨(dú)立的恒流源電路，通過MOS繼電器在通道間切換，沒有切入的通道通過MOS繼電器隔離，和內(nèi)部電路沒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(dú)立大電流的恒流源，抗干擾能力較強(qiáng);通道之間完全獨(dú)立，并且沒有切入的通道和內(nèi)部電路沒有任何電氣聯(lián)系，極大降低了被干擾的概率;該原理支持2線、3線及4線等多種接線形式，可有效消除引線電阻。此種方法應(yīng)用比較廣泛。

3.水電廠電阻測溫的干擾源

(1)電磁干擾

電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。

傳導(dǎo)干擾又分為兩大類：共模干擾、差模干擾。

共模干擾(Common-mode Interference)定義為任何載流導(dǎo)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(dǎo)體之間的不希望有的電位差。

輻射干擾又可分為近場干擾[測量點(diǎn)與場源距離<λ/6(λ為干擾電磁波波長)]和遠(yuǎn)場干擾(測量點(diǎn)與場源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場理論可知，導(dǎo)體中變化的電流會在其周圍空間中產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，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)生的電磁場的大小以及其作用范圍。

在水電廠中，無時(shí)無刻不存在著強(qiáng)大的電場和磁場，電場和磁場對電阻及電纜產(chǎn)生電磁干擾，不僅存在著差模干擾，共模干擾有時(shí)甚至能達(dá)到V級，嚴(yán)重影響了溫度測量的準(zhǔn)確度。

(2)工頻干擾

水電廠的環(huán)境復(fù)雜，高壓開關(guān)的分合，大容量的電容充放電等等都會產(chǎn)生工頻干擾，工頻干擾會產(chǎn)生感應(yīng)電壓或感應(yīng)電流。這嚴(yán)重影響測溫裝置的正常運(yùn)行。

(3)環(huán)境干擾

環(huán)境溫度干擾：如果采用兩線制的話，線阻是一個(gè)不可忽視的因素。這時(shí)一般會采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q。但環(huán)境溫度變化會引起線阻的變化，導(dǎo)致溫度補(bǔ)償不恒定，從而導(dǎo)致溫度測值不準(zhǔn)。

運(yùn)行環(huán)境干擾：運(yùn)行環(huán)境惡劣。還是以推力瓦測溫電阻為例，傳感器及其導(dǎo)線長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(jī)組的振動。在這樣的環(huán)境中傳感器及導(dǎo)線極易出現(xiàn)松動、斷線等情況。這類由于斷線導(dǎo)致的測值跳變占了電阻缺陷總數(shù)的近一半。

4.抗干擾措施

(1)采用三線制或四線制

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(zhuǎn)換成電阻量的溫度傳感器。

溫度變送器通過給熱電阻施加一已知激勵(lì)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(zhuǎn)換成溫度值，從而實(shí)現(xiàn)溫度測量。

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

1)二線制

如圖1所示，變送器通過導(dǎo)線L1、L2給熱 電阻施加激勵(lì)電流I,測得電勢V1、V2.

由于連接導(dǎo)線的電阻RL1、RL2無法測得而被計(jì)入到熱電阻的電阻值中，使測量結(jié)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(dǎo)線的電阻值為2Ω，則會引起的測量誤差為5.3℃。

2)三線制

是實(shí)際應(yīng)用中最常見的接法。如圖2,增加一根導(dǎo)線用以補(bǔ)償連接導(dǎo)線的電阻引起的測量誤差。三線制要求三根導(dǎo)線的材質(zhì)、線徑、長度一致且工作溫度相同，使三根導(dǎo)線的電阻值相同，即RL1=RL2=RL3.通過導(dǎo)線L1、L2給熱電阻施加激勵(lì)電流I,測得電勢V1、V2、V3.導(dǎo)線L3接入高輸入阻抗電路，IL3=0.[!--empirenews.page--]

由此可得三線制接法可補(bǔ)償連接導(dǎo)線的電阻引起的測量誤差。

3)四線制

是熱電阻測溫理想的接線方式。

如圖3,通過導(dǎo)線L1、L2給熱電阻施加激勵(lì)電流I,測得電勢V3、V4.導(dǎo)線L3、L4接入高輸入阻抗電路，IL3=0,IL4=0,因此V4-V3等于熱電阻兩端電壓。

熱電阻的電阻值：

通過以上比較可知，四線制測量方式不受連接導(dǎo)線的電阻的影響。此種接線是最理想的接線方式，但由于布線工作量大，占用端子排位置多，一般現(xiàn)場很少用。建議將目前的兩線制均改為三線制或四線制。

(2)采用PT100測溫電阻

Pt100和Cu50是目前電廠最常用的測溫電阻，基本上99%的水電廠都在使用。Pt100是用鉑金材料作為敏感元件，Cu50是用銅做敏感元件。Cu50與Pt100的比較有幾個(gè)缺點(diǎn)：首先銅比鉑的阻值小，需要很長的銅絲繞制成敏感元件，鉑則相對短一些，一般的越長越細(xì)的材料可靠性越低。第二，鉑電阻是主流的測溫電阻，大的制造商、特別是德國廠家都以光刻濺射工藝生產(chǎn)Pt100芯片，非常成熟可靠。幾乎沒有廠家生產(chǎn)Cu芯片，這樣如果要用Cu50產(chǎn)品只有國內(nèi)小廠自己繞制線圈來做敏感元件，可靠性大大降低。這也就是有些電廠使用的Cu50測溫電阻經(jīng)常壞的原因。

另外，鉑電阻芯片的品質(zhì)也是千差萬別的，應(yīng)該采用濺射光刻工藝制作的Pt100芯片，精度要求達(dá)到A級。這類芯片的漂移很小，長期穩(wěn)定性高，而且抗沖擊和振動。芯片引腳采用鉑鎳合金。因?yàn)樾酒_最終要和導(dǎo)線或鎧裝絲的芯線焊接，焊接容易導(dǎo)致金屬材料發(fā)脆而斷開，所以這也是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。芯片引腳采用鉑鎳合金可以保證焊接后引線的機(jī)械性能，避免導(dǎo)線在傳感器內(nèi)斷開。

(3)采用抗工頻干擾電源

工頻干擾是最常見的干擾。采用工頻干擾過濾器，將電源的工頻干擾過濾掉，從而得到穩(wěn)定的電源，保證裝置的正?？煽窟\(yùn)行。自今年上半年我們將所有SJ40C加裝了交流電源過濾器，SJ40C裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性大大提高，跳變現(xiàn)象較之前有顯著減少。

(4)增加濾波電容

電容具有隔直流通交流的作用，并可以有效去掉高頻電壓波峰。在端子排上增加濾波電容可有效去掉瞬間電壓干擾。由于定子測溫時(shí)刻處于強(qiáng)磁場中，測值跳變十分厲害，自從我們加裝濾波電容后，跳變現(xiàn)象得到明顯改善，但電容充放電需要時(shí)間，這會延長溫度采集周期。

(5)采用軟件濾波

溫度信號值非常小，很容易受到干擾而導(dǎo)致測值漂移，因此必須對采樣信號進(jìn)行有效的濾波，才能避免信號誤采集。軟件濾波主要基于溫度不會突變的思想，它可以有效去掉脈沖干擾，熨平溫度變化。需要指出的是：軟件濾波雖然能夠有效濾波，但它是以犧牲刷新速度為代價(jià)的。目前主流的軟件濾波思想如下：

對于每個(gè)測溫點(diǎn)的采樣分成4個(gè)周期(也可以分成n個(gè)周期，n越大，溫度刷新周期越長)，每個(gè)周期內(nèi)對該點(diǎn)連續(xù)采集4次，分別得到4個(gè)采樣值L1~L4,然后將改組采樣值去掉最大值和最小值后取平均，作為第一個(gè)采樣周期的測值M1;如此4個(gè)循環(huán)后得到4個(gè)采樣周期的測值M1~M4;在將4個(gè)采樣測值M1~M4去掉最大值和最小值后取平均，作為本次采樣的最終測值N.采樣處理過程如下圖所示：

在寫禁止條件下，再進(jìn)行兩個(gè)掃描周期的采樣值之差的處理，結(jié)果如下：

(a)若|采樣值之差|<=0.3度，置該點(diǎn)品質(zhì)好，不更新溫度測值。

(b)若0.3<|采樣值之差|<=0.5度，置該點(diǎn)品質(zhì)好，更新溫度測值。

(c)若0.5<|采樣值之差|<=5度，需連續(xù)三次，才置該點(diǎn)品質(zhì)好，更新溫度測值。

(d)若|采樣值之差|>5度，需連續(xù)三次，才置該點(diǎn)品質(zhì)壞，不更新溫度測值，退出溫度保護(hù)。

在寫允許條件下，除斷線或短路，置測值非法和品質(zhì)壞外，其它情況直接更新溫度測值。

(6)提高安裝工藝

電纜在根部折斷現(xiàn)象幾乎在每個(gè)電廠都有，電纜長期浸泡在流動透平油中，如果不做特殊的處理，時(shí)間長了導(dǎo)線就會在傳感器根部斷開。一般在安裝瓦溫電阻時(shí)要求傳感器與瓦體剛性連接，最好是螺紋連接，瓦內(nèi)的導(dǎo)線也要可靠固定，特別是根部導(dǎo)線要與傳感器固定在同一個(gè)剛體上。如果在安裝軸瓦測溫電阻時(shí)只是簡單的放置在瓦孔內(nèi)，或是用環(huán)氧樹脂灌封在孔里，這樣的安裝方式是不規(guī)范的安裝方式，不能有效地保護(hù)導(dǎo)線根部。在實(shí)際處理的缺陷中，電阻根部斷線的故障占了測溫電阻故障的一半左右，應(yīng)該引起重視。另外，電纜外皮在高溫及腐蝕性的透平油環(huán)境中也會開裂。

在電纜安裝布線過程中，要繞開強(qiáng)磁場和電場，并實(shí)施可靠屏蔽。如果沒有對測溫電阻實(shí)施有效的屏蔽，使發(fā)電機(jī)的強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場對測溫電阻干擾并把干擾信號導(dǎo)入測溫回路中，就會造成測溫不準(zhǔn)。測溫電阻和整個(gè)測溫回路，導(dǎo)線多且長，接線環(huán)節(jié)多，屏蔽要求在整個(gè)環(huán)節(jié)中都要有可靠的屏蔽，只要有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，屏蔽就會無效。

5.結(jié)語

電阻測溫的抗干擾研究是一項(xiàng)長期任務(wù)，隨著環(huán)境的變化，不同地方的干擾源不盡相同，這就要求我們根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的抗干擾對策，從而提高測溫的準(zhǔn)確性，保證溫度保護(hù)不誤動、不拒動，保障電廠的安全運(yùn)行。