0、引言
在水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、公用設(shè)備控制系統(tǒng)、機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)視測(cè)量一些模擬量信號(hào)，包括電量模擬量(如電流、電壓、功率等)和非電量模擬量(如壓力、水位、流量等)。電量模擬量信號(hào)由變送器提供，一般可以輸出隔離的4-20mA模擬信號(hào)，不需要外加信號(hào)隔離器。非電量模擬量傳感器工作電源一般取自自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備提供的DC24V電源模塊，且多數(shù)不隔離。為實(shí)現(xiàn)各控制、監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)相關(guān)模擬量傳感器供電電源安全、穩(wěn)定和相對(duì)獨(dú)立，避免因某個(gè)模擬量傳感器工作電源回路外部短路，造成電源模板擊穿或燒毀概率，避免在同一系統(tǒng)中某些模擬量傳感器因工作電源來自不同系統(tǒng)的供電模塊而引起模擬量輸入信號(hào)電源共正或共負(fù)，燒毀模擬量采集模塊的可能，危及相關(guān)設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行安全，特別是對(duì)于哪些用于過程控制中需實(shí)施越限報(bào)警、動(dòng)作停機(jī)和重要設(shè)備退出運(yùn)行操作的模擬量傳感器使用信號(hào)隔離器是有益的選擇，否則有引起誤動(dòng)作的可能，不利于電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成不必要損失。在控制系統(tǒng)模擬量的采集和處理中，對(duì)于非電量模擬量傳感器的測(cè)量精度、抗干擾能力以及傳感器電源問題等也日益受到電站設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行單位的高度重視。
1、非電量模擬量傳感器種類及常規(guī)接線方式
在水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)中用于機(jī)組、輔機(jī)及公用設(shè)備自動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)的非電量模擬量傳感器一般有蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力、尾水管壓力脈動(dòng)、頂蓋壓力、軸承冷卻水進(jìn)水管壓力、推力、水導(dǎo)軸承外循環(huán)油流、軸承油槽液位、軸承油槽油混水、導(dǎo)葉位移、檢修密封氣壓力、主軸密封水壓力、流量、軸承冷卻水流量、頂蓋液位、技術(shù)供水總排水管流量、機(jī)組制動(dòng)氣源壓力、機(jī)組壓力油罐壓力、油位、回油箱和漏油箱油混水、機(jī)組制動(dòng)氣源壓力、主變壓器油面和線圈溫度、油位、主變冷卻器冷卻水壓力、溫度以及進(jìn)水口快速事故門液壓系統(tǒng)壓力和回油箱溫度、閘門開度、進(jìn)水口快速事故門前、后水位、庫(kù)前水位、尾水水位、廠房滲漏、檢修集水井水位、盤形閥操作廊道水位、空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐壓力、大壩閘門啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)壓力、開度、調(diào)壓井水位等傳感器。其中相關(guān)壓力、流量、溫度傳感器信號(hào)直接關(guān)系到機(jī)組開停機(jī)和事故停機(jī)動(dòng)作，或關(guān)系到輔機(jī)、公用設(shè)備啟、停操作，傳感器供電電源的安全、可靠、穩(wěn)定和相對(duì)獨(dú)立以及其測(cè)量精度、抗干擾能力是確保電站機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。
這些非電量傳感器分為兩線制、三線制、四線制接線方式，均需外部提供工作電源，為保證電源的安全性一般采用DC24V，最常用的方式是采用由相關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)備提供DC24V電源。全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)廠家由于需監(jiān)測(cè)的傳感器數(shù)量多，關(guān)注其重要性以及確?，F(xiàn)地控制單元運(yùn)行安全，一般提供獨(dú)立的DC24V電源模塊。輔機(jī)及公用設(shè)備控制系統(tǒng)廠家由于各子系統(tǒng)需監(jiān)測(cè)的傳感器數(shù)量少，一般采用與其子控制系統(tǒng)共用DC24V電源模塊，只在各電源輸出回路設(shè)置空開或熔斷器。
按照常規(guī)接線方式，對(duì)于兩線制傳感器：在控制系統(tǒng)屏上直接用屏蔽電纜從電源模塊輸出回路DC24C“+”端子排上引出1芯，從模擬量輸入回路“+”端端子排上引出1芯(該通道模擬量輸入回路“-”端直接與電源模塊輸出回路DC24V-端子連接)接到各現(xiàn)地安裝的傳感器電源回路上，完成傳感器工作電源供電和模擬量信號(hào)輸入，如蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力、尾水管壓力脈動(dòng)傳感器等；對(duì)于三線制傳感器：在控制系統(tǒng)屏上直接用屏蔽電纜從電源模塊輸出回路DC24V“+”端子排上引出1芯，從模擬量輸入回路端子排上引出2芯接到各現(xiàn)地安裝的傳感器電源回路上，完成傳感器工作電源供電和模擬量信號(hào)輸入，如流量傳感器等；對(duì)于四線制傳感器：在控制系統(tǒng)屏上直接用屏蔽電纜從電源模塊輸出回路DC24V“+”、“-”端子排上引出2芯，從模擬量輸入回路端子排上引出2芯(按二次接線規(guī)范要求一般各采用1根屏蔽電纜)接到各現(xiàn)地安裝的傳感器電源輸入和信號(hào)輸出回路上，完成傳感器工作電源供電和模擬量信號(hào)輸入，如電磁流量計(jì)傳感器等。
以上接線由于傳感器工作電源和模擬量信號(hào)輸入未采用有效的隔離措施，其最大的弊病及可能造成的危害是，當(dāng)電纜或傳感器現(xiàn)地接頭發(fā)生短路故障時(shí)，或戶外安裝的傳感器受到雷擊過電壓時(shí)，將危及控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屏上電源模塊和模擬量采集模塊的運(yùn)行安全，可能會(huì)造成模板擊穿或燒毀，嚴(yán)重的會(huì)影響到控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行，甚至死機(jī)。同時(shí)對(duì)于兩線制或三線制傳感器，電源和信號(hào)采用同根電纜，由于無有效隔離其測(cè)量精度和抗工頻電磁干擾能力大大降低，即使對(duì)于四線制傳感器也因信號(hào)輸入回路無有效隔離，其測(cè)量精度和抗干擾能力也將受到影響。
近幾年國(guó)內(nèi)多個(gè)大中型水電站已在非電量模擬量傳感器電源和信號(hào)回路中采用信號(hào)隔離器的接線方式解決和避免出現(xiàn)上述問題，實(shí)踐證明該方式投資少，隔離強(qiáng)度高、負(fù)載能力強(qiáng)、安裝接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠。
2、信號(hào)隔離器在非電量模擬量傳感器接線中的應(yīng)用
信號(hào)隔離器的隔離方式主要分為：變壓器隔離、光電隔離，均具有隔離、配電、轉(zhuǎn)換、分配和報(bào)警識(shí)別功能，通常從隔離強(qiáng)度、精度、溫度漂移、響應(yīng)時(shí)間、絕緣電阻、負(fù)載電阻、輸出波紋和功耗這八個(gè)主要技術(shù)參數(shù)來綜合體現(xiàn)信號(hào)隔離器的性能。信號(hào)隔離器的輸入對(duì)輸出對(duì)電源對(duì)地四端三重全隔離通道間均具有2500VAC耐壓水平。其特點(diǎn)是變壓器隔離：性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、負(fù)載能力強(qiáng)、隔離強(qiáng)度高，但電路復(fù)雜，制作工藝要求更高，如昌暉儀表制造有限公司YR9034A系列信號(hào)隔離器；光電隔離：性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、線路簡(jiǎn)單、成本低廉、壽命和隔離強(qiáng)度略低于變壓器隔離，如BETIC系列信號(hào)隔離器；這兩種隔離方式的信號(hào)隔離器近幾年在許多水電站工程都有大量使用，有效解決水電站環(huán)境下自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器工作電源和模擬量信號(hào)輸入隔離，抗工頻電磁干擾和雷擊過電壓的危害，確保傳感器測(cè)量精度和系統(tǒng)安全穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。
信號(hào)隔離器為端子排型，體積比常規(guī)接線端子略大，可密集導(dǎo)軌安裝，輸入/輸出與電源端子在不同側(cè)，有效防止短路。目前使用較多且行之有效的接線方式是：控制屏內(nèi)DC24V電源模塊輸出回路經(jīng)屏內(nèi)專用端子接信號(hào)隔離器電源端子，供隔離器工作電源，隔離器的1對(duì)輸入信號(hào)端子接兩線制傳感器(并帶有DC24V電源)，隔離器的1對(duì)輸出信號(hào)端子輸出4-20mA模擬量接屏內(nèi)模擬量模塊輸入端子。對(duì)于三線制傳感器，隔離器三線輸入信號(hào)端子接傳感器(帶DC24V+、公共端(DC24V-及模擬信號(hào)輸入)，隔離器的1對(duì)輸出信號(hào)端子輸出4-20mA模擬量接屏內(nèi)模擬量模塊輸入端子。對(duì)于四線制傳感器，信號(hào)隔離器SWP9034A也能提供經(jīng)隔離的DC24V電源，一般采用由控制屏電源模塊提供獨(dú)立的DC24V電源給信號(hào)隔離器，傳感器輸出的4-20mA模擬量信號(hào)接隔離器信號(hào)輸入端子，傳感器電源DC24VDV也從信號(hào)隔離器上送出，隔離器的1對(duì)輸出信號(hào)端子輸出4-20mA模擬量接屏內(nèi)模擬量模塊輸入端子。以上兩線制、三線制、四線制傳感器通過控制屏內(nèi)信號(hào)隔離器均能完成傳感器工作電源和模擬量信號(hào)輸入的有效的隔離。信號(hào)隔離器完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站現(xiàn)場(chǎng)各有源模擬量(傳感器自身帶工作電源，輸出4-20mA模擬量)和無源模擬量(傳感器需外部提供工作電源且與信號(hào)輸出共同構(gòu)成輸入/輸出回來)的隔離，由于信號(hào)隔離器的高強(qiáng)度隔離、配電、轉(zhuǎn)換、分配和報(bào)警識(shí)別功能，有效地保證了控制屏內(nèi)電源模塊和模擬量采集模塊的運(yùn)行安全，避免了可能會(huì)造成的模板擊穿或燒毀概率，其測(cè)量精度得到提高，抗工頻電磁干擾和雷擊過電壓的危害降到最低。
對(duì)于某些電站水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)非電量傳感器安裝條件的限制，其模擬量輸出信號(hào)需擴(kuò)展，才能解決1個(gè)4-20mA模擬量信號(hào)同時(shí)傳輸給2套不同控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力、尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)、頂蓋壓力、機(jī)組凈水頭即要供全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，又要供機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用時(shí)，以及一些單個(gè)4-20mA電量模擬量需擴(kuò)展出2-5路4-20mA輸出的均可采用信號(hào)隔離器進(jìn)行擴(kuò)展，即1路4-20mA電量和非電量模擬量輸入，經(jīng)隔離器輸出2路至5路4-20mA模擬量，它有效地實(shí)現(xiàn)了電站控制、監(jiān)測(cè)不同獨(dú)立系統(tǒng)的需求，減少了投資、簡(jiǎn)化了二次接線、解決了電站現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝帶來的問題。
3、結(jié)語(yǔ)
以上非電量模擬量傳感器采用信號(hào)隔離器的接線方式，在貴州烏江流域和北盤江流域多個(gè)水電站和緬甸太平江水電站自動(dòng)化系統(tǒng)中已采用，取得了良好效果，目前正在四川瀘定水電站和錦屏一、二級(jí)及官地水電站應(yīng)用，對(duì)提高水電站自動(dòng)化控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將起到良好的示范作用。
作者：南京南瑞集團(tuán)公司 朱樂；中國(guó)水電顧問集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 張樹京
