发电机用温度传感器电信号在传输中受电磁干扰的分析

金立洪

(上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240)

0 引言

发电行业普遍采用DCS(Distributed Control System)分布式计算机控制系统，具有很强的实用性和较高的可靠性，通过软件编程即可实现工艺参数的监测与控制。由于DCS系统硬件配置强大，对来自发电机运行现场的一次检测仪表的Pt100铂热电阻测温Ω信号、K(E、T)型热电偶测温mV信号、脉冲开关量及各类电压、电流信号均能直接进行信号处理。在DCS控制系统中，一般的数据采集通道模块都具有较强的抗共模、串模干扰能力，DCS控制系统应用的环境越来越复杂，所受到的干扰也越来越多。来自电源波形的畸变、现场设备所产生的电磁干扰、接地电阻的耦合等各种形式干扰，都可能使系统不能正常工作。特别是对发电机内部进行温度测量时，由于检测元件处于较强电、磁场环境中，被测量信号来自发电机内部，其输出的低电势信号更容易受到干扰信号的影响。

当出现测温显示异常时，研究分析DCS控制系统干扰信号的来源、成因和抑制措施，对于实现数据的准确、可靠，具有重要作用。

由于干扰信号的加入，DCS控制系统从检测元件获取的电信号发生意外的差错，未能获取任何有用的真实信息，使DCS控制系统发出莫名其妙的报警或停机信号。干扰问题一直是相当麻烦和令人困惑的问题，无论是温度检测元件制造商还是发电机制造商或使用者，都面临着如何消除干扰的问题。

1 干扰的基本概念

所需信息以外的其它电磁信号，通常称之为干扰。干扰有多种多样，有电气的、振动的等等。而发电机用测温元件的输出信号中夹杂的干扰大多是电磁干扰和偶尔发生的振动干扰。

电磁干扰一般有如下几种：

a) 输配电线的感应(一般叫交流声)；

b) 发电机内部的电磁场、电刷放电；

c) 开关触接点的瞬间放电。

2 干扰在传感器电路中重叠

传感器电路的形式很多，典型描述如图1所示。图中，干扰源1为前述的干扰，干扰源2存在于含有传感器的电路回路中，像一种热干扰，这是经常遇到的干扰，当然也包括因振动导致接触不良而引起的干扰。

图1 传感器电路与干扰源

图1中的干扰分为二种，如图2所示。图2(a)表示平衡态(与接地不同，线路1、2的干扰电压相等)，图2(b)为不平衡态(与线路1不同，线路2存在干扰电压)。平衡态干扰与共态干扰称为同相干扰，不平衡态干扰与常态干扰也称为差动干扰。

图1中的干扰源2即为图2(b)的干扰；图1中的干扰源1的影响，大多变成图2(a)的平衡态干扰。若线路1和线路2不同于接地而具有相等的阻抗，则干扰源1全部变成了平衡态，而不平衡态只能变成干扰源2。

图2 干扰的形态

一般情况下，和接地不同，线路多为不平衡态，因此，干扰源1的感应干扰便产生不平衡干扰。特殊情况如图3所示，这时线路2接地，该线与地之间

图3 线路一端接地的传感器电路

干扰为零，干扰源1的感应多发生在线路1上。这种情形下产生的干扰，可立即看出是不平衡状态。

特别值得注意的是，在平衡态干扰条件下，线路1和线路2之间的干扰电压为零。这意味着在传感器电路通过被测信息的信号电流时，该干扰与此信号电流无关。因此，如果干扰源2很小可以忽略不计，且线路1和线路2平衡(线路1和线路2的阻抗与地线阻抗相等)的话，由于外来干扰全部为平衡状态，故此干扰与信号电流无关。所谓无关，它意味着重叠只是一种表面现象，实际上是指干扰成分能完全平衡而被剔除。

不平衡干扰，是与信号电流一起在同一方向通过的干扰电流。因此，它是重叠于传感器电路电流的干扰。该干扰有时能够剔除，有时又不可能剔除。此种干扰除了利用干扰与信号电流的频谱之差通过滤波器来过滤外，别无他法，详见后面的叙述说明。在频谱重合的情况下，尽管可用适当的滤波器提高信号/干扰比，但也无法完全剔除干扰。

3 剔除干扰的措施

剔除混入传感器电器中的干扰，一般可从如下两点来考虑：

a) 设法防止干扰混入；

b) 用适当的方法剔除混入的干扰。

上述两者前者更为重要。关注干扰环境来设计电路，在防止干扰混入方面预先采取措施。

3.1 屏蔽是防止干扰侵入的基本设计思路

与上述a)的要求相适应，最有效的方法是屏蔽。屏蔽又分为静电屏蔽和电磁屏蔽。防干扰的第一步，首先运用屏蔽的基本原理。

电磁感应有二种，一种是静电感应，一种是磁感应。由于静电感应是通过静电电容(C)构成的，故一般称作为C耦合，而磁感应是通过磁场相互感应(M)构成的，故一般称作为M耦合。为控制这二种耦合，通常采用静电屏蔽和电磁屏蔽。

如图4所示，即二条线路位于地线之上时，若相对于地线对导体1加V1的电压，则导体2也将产生与V1成比例的电压V2，就是说，导体之间必然存在静电电容，若设电容为C10、C12和C20，则电压V1就被C12和C20分为两部分， 该被分开的电压就为V2，可用下式加以计算：

图4 静电感应

(1)

图5 静电屏蔽的结构

屏蔽线就是利用这一原理的线路。屏蔽线的首要目的是静电屏蔽，但也可有效地用于控制M耦合。根据上述说明，显然在采用屏蔽线实现静电屏蔽时，屏蔽必须接地才能获得很好的效果。

电磁感应是指回路与回路之间(也可说是线圈与线圈之间，在发电机内部铁心绕组层间的温度传感器回路很多使用线圈，是造成电磁干扰的主要原因，另外在配线方面也会造成回路现象)的电磁耦合。其原理如图6(a)所示。

当电流I1、I2通过导线1和2时，若分别构成回路，则相互之间就产生了电磁耦合。所谓耦合，即在导体2流过I1成分，在导体1又流过I2成分。对导体1来说，I2为不需要的电流，因此，它只能是对I1的干扰成分。

由于电磁屏蔽需遮断磁场Φ1和Φ2，故图6(b)所示，只要在其中间装入磁板，回路1和回路2之间的磁通便不相链接，这样即可完成屏蔽。但是，实际上在防干扰措施上很少采用装入磁性材料的方法来进行屏蔽。这是因为适当形状的高性能磁性材料比较难以获得， 真正有效而实用的方法是尽可能避免组成回路。从很多电厂反馈的情况了解到，发电机内部及电厂集控柜内的测温元件引线在引至接线端子卡件时，将多余的导线绕成圈固定在接线端子附近，造成回路，增加了电磁干扰的风险。

图6 电磁感应原理

要剔除干扰就必须分清干扰是由电压引起还是由电流引起，然后按照不同的情况来决定采取静电屏蔽还是电磁屏蔽。

图7为屏蔽线的干扰耦合说明图。现在设：干扰源为导体2，导体2相对于地线(E)载有V的电压，通过电流I，传感器电路由长度L的屏蔽线(导体1和屏蔽S)构成。如图所示，有C2S、C1S和CSE等电容存在，且因电流I而产生磁通Φ。V和I(Φ)会对屏蔽线的导体1诱发一个电压。

图7 对屏蔽线的耦合

首先考虑静电感应的情况。这时，屏蔽板为屏蔽线的屏蔽S。因而必须将屏蔽线接地，使CSE=0。据此，V为C耦合就能完全防止导体2产生感应电压。这就意味着屏蔽必须接地。

其次考虑电磁感应，这种情况下，与电压V无关，问题在于I引起的磁通Φ。如图7所示，将A点与C点、B点与D点分别用线连接起来，显然，这样就构成了ABCD的回路。由于磁通Φ与该回路链接，故在该回路产生电压e。

(2)

式中：Φ′为与回路链接的磁通，L越长或AC、BD的长度越长，Φ′就越大，e也随之变大。设该电压为e，回路通过电流为IS，屏蔽的电阻为RS，感抗为LS，则电流IS为：

(3)

推导过程从略。由于IS，也即由于e而使内导体即导体1两端产生电压e1：

若频率变高，则e1≈e，为消除e1，就应该避免组成回路。就图7而言，有效利用AC或BD，断开其中的一方，就能避免形成回路，则e1便等于零，也就不存在干扰的耦合。这就是通常所说的“一点接地原理”。

3.2 监测回路中引入滤波器是抑制干扰的手段

当干扰信号不可避免地闯入到监测回路时，必须引入干扰滤波器。通过滤波回路将干扰信号从监测回路中剔出。

温度传感器防干扰措施的首要问题，就是设计干扰耦合最小的回路。滤波器也首先要以预防干扰耦合为目的，因此，在设计或选择DCS系统时，就应预先考虑引入滤波器。

平衡式干扰如图2(a)所示，与两条线路相等的对地干扰电压往往引起平衡式干扰，故线路间干扰电压为零。对这种干扰通常采用图8所示的滤波器。图中(a)、(b)为通用滤波器，一般采用C型滤波器便能收到很好的效果。(c)的中和变压器是一种对同相成分 (在两线路同一方向大小相等的相位成分，即平衡成分)具有高阻抗，而对差动成分(来回于两线路的成分)却几乎没有阻抗的电路。(d)是代替中和变压器用铁氧体部件，故用于高频。不平衡式干扰(差动干扰)如图2(b)所示，是与信号电流Is相重叠的干扰(In)。因此，在Is与In之间若无频率，就不可能用滤波器分离。该干扰分脉冲性干扰和同步干扰(如交流杂波)两种。脉冲性干扰频带很宽，而交流杂波只有50 Hz(或60 Hz)及其高次谐波成分。图9表示一种理论关系，波形愈尖锐，所占频带愈宽。

图8 剔除平衡式干扰用的滤波器

图9 脉冲性干扰和同步干扰的波形及频谱

将A脉冲与B脉冲加以比较，B脉冲具有高频成分，如果该带域与其有信号成分的带域重叠，就不可能用滤波器滤除干扰。由于信号电流一般多集中在直流边缘，故可用滤波器将干扰滤除相当一部分，提高信号/干扰比。如图10所示，仅在线路之间插入电容器，一般即可收到较好的效果。

图10 不平衡干扰的剔除

图9(b)所示周期性连续干扰，即为其频谱。图9(b)表示的是50 Hz交流波的例子。这是一种经常遇到的情况，通常只剔除50 Hz干扰便能满足要求，多采用对50 Hz衰减大的滤波器。

当用同一电源驱动两个以上有独立功能的电路时，须对各电路配上去耦滤波器。图11为该项技术说明图。一般多采用RC电路，也有时用L代替R。但若不加考虑地使用L，可能在线圈上诱发M耦合干扰，使LC的谐波变成一种干扰，反而造成不良后果。

图11 去耦滤波器

消除发电机温度信号受干扰问题是一个永久性的课题。在防干扰技术上，存在许多技巧性因素，也先后出现了一些能有效控制干扰的装置。因此，在设计传感器电路时，必须将环境干扰因素考虑进去。

4 结语

经过以上的分析，得知自动检测所拾取的信号基本上都是弱电信号，在信号传输过程中极易受到电磁干扰。在发电机运行时发生的干扰现象由于受电厂条件限制，不能对这些干扰进行实时监测和甄别，给抗干扰工作带来较大难度。但是，如果发电机在设计、制造时能从下列事项中考虑，就能减少测温元件输出信号受电磁干扰影响：

(1) 层间铂金丝绕制测温元件，绕制方式采用∝字形绕制或双线绕制，使电磁场对铂电阻的干扰为平衡式干扰，造成的干扰信号绝大部分可在铂电阻内部相互抵消。

(2) 采用信号专用传输导线

a) 每组引线中的导线的千米电阻值相互之差不超过0.3 Ω；

b) 每组引线采用绞线结构，节距均匀。

(3) 电缆走向和分布合理，即强弱电缆分层敷设，必要时对弱电信号电缆加装屏蔽保护。

(4) 测温元件引线在发电机内部布线时，不要产生绕线现象。引线接入端子排时，应将多余的引线剪除，不要将其缠绕挷扎在端子排附近。

(5) 测温元件及导线采用屏蔽时，测温元件上的屏蔽与导线上的屏蔽应可靠连接，同时遵循屏蔽层一点接地原则。

(6) 对于发电厂来讲，应选择具有滤波回路的干扰抑制能力强的DCS系统。