0、引言
在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、公用設(shè)備控制系統(tǒng)、機組在線監(jiān)測系統(tǒng)等自動化控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)視測量一些模擬量信號，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)。電量模擬量信號由變送器提供，一般可以輸出隔離的4-20mA模擬信號，不需要外加信號隔離器。非電量模擬量傳感器工作電源一般取自自動化系統(tǒng)設(shè)備提供的DC24V電源模塊，且多數(shù)不隔離。為實現(xiàn)各控制、監(jiān)測子系統(tǒng)相關(guān)模擬量傳感器供電電源安全、穩(wěn)定和相對獨立，避免因某個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)備自動化系統(tǒng)運行安全，特別是對于哪些用于過程控制中需實施越限報警、動作停機和重要設(shè)備退出運行操作的模擬量傳感器使用信號隔離器是有益的選擇，否則有引起誤動作的可能，不利于電站安全穩(wěn)定運行，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，對于非電量模擬量傳感器的測量精度、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、建設(shè)和運行單位的高度重視。
1、非電量模擬量傳感器種類及常規(guī)接線方式
在水電站自動化控制系統(tǒng)中用于機組、輔機及公用設(shè)備自動控制及監(jiān)測的非電量模擬量傳感器一般有蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力、尾水管出口壓力、尾水管壓力脈動、頂蓋壓力、軸承冷卻水進水管壓力、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、機組制動氣源壓力、機組壓力油罐壓力、油位、回油箱和漏油箱油混水、機組制動氣源壓力、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、進水口快速事故門前、后水位、庫前水位、尾水水位、廠房滲漏、檢修集水井水位、盤形閥操作廊道水位、空壓機儲氣罐壓力、大壩閘門啟閉機液壓系統(tǒng)壓力、開度、調(diào)壓井水位等傳感器。其中相關(guān)壓力、流量、溫度傳感器信號直接關(guān)系到機組開停機和事故停機動作，或關(guān)系到輔機、公用設(shè)備啟、停操作，傳感器供電電源的安全、可靠、穩(wěn)定和相對獨立以及其測量精度、抗干擾能力是確保電站機組安全運行的基礎(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。全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠家由于需監(jiān)測的傳感器數(shù)量多，關(guān)注其重要性以及確保現(xiàn)地控制單元運行安全，一般提供獨立的DC24V電源模塊。輔機及公用設(shè)備控制系統(tǒng)廠家由于各子系統(tǒng)需監(jiān)測的傳感器數(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輸入，如蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力、尾水管出口壓力、尾水管壓力脈動傳感器等；對于三線制傳感器：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輸入，如流量傳感器等；對于四線制傳感器：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輸出回路上，完成傳感器工作電源供電和模擬量信號輸入，如電磁流量計傳感器等。
以上接線由于傳感器工作電源和模擬量信號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，或戶外安裝的傳感器受到雷擊過電壓時，將危及控制、監(jiān)測系統(tǒng)屏上電源模塊和模擬量采集模塊的運行安全，可能會造成模板擊穿或燒毀，嚴(yán)重的會影響到控制、監(jiān)測系統(tǒng)運行，甚至死機。同時對于兩線制或三線制傳感器，電源和信號采用同根電纜，由于無有效隔離其測量精度和抗工頻電磁干擾能力大大降低，即使對于四線制傳感器也因信號輸入回路無有效隔離，其測量精度和抗干擾能力也將受到影響。
近幾年國內(nèi)多個大中型水電站已在非電量模擬量傳感器電源和信號回路中采用信號隔離器的接線方式解決和避免出現(xiàn)上述問題，實踐證明該方式投資少，隔離強度高、負(fù)載能力強、安裝接線簡單、運行穩(wěn)定、安全可靠。
2、信號隔離器在非電量模擬量傳感器接線中的應(yīng)用
信號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、分配和報警識別功能，通常從隔離強度、精度、溫度漂移、響應(yīng)時間、絕緣電阻、負(fù)載電阻、輸出波紋和功耗這八個主要技術(shù)參數(shù)來綜合體現(xiàn)信號隔離器的性能。信號隔離器的輸入對輸出對電源對地四端三重全隔離通道間均具有2500VAC耐壓水平。其特點是變壓器隔離：性能穩(wěn)定、壽命長、負(fù)載能力強、隔離強度高，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系列信號隔離器；光電隔離：性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、線路簡單、成本低廉、壽命和隔離強度略低于變壓器隔離，如BETIC系列信號隔離器；這兩種隔離方式的信號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)境下自動控制、監(jiān)測系統(tǒng)傳感器工作電源和模擬量信號輸入隔離，抗工頻電磁干擾和雷擊過電壓的危害，確保傳感器測量精度和系統(tǒng)安全穩(wěn)定、可靠運行。
信號隔離器為端子排型，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)專用端子接信號隔離器電源端子，供隔離器工作電源，隔離器的1對輸入信號端子接兩線制傳感器(并帶有DC24V電源)，隔離器的1對輸出信號端子輸出4-20mA模擬量接屏內(nèi)模擬量模塊輸入端子。對于三線制傳感器，隔離器三線輸入信號端子接傳感器(帶DC24V+、公共端(DC24V-及模擬信號輸入)，隔離器的1對輸出信號端子輸出4-20mA模擬量接屏內(nèi)模擬量模塊輸入端子。對于四線制傳感器，信號隔離器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立的DC24V電源給信號隔離器，傳感器輸出的4-20mA模擬量信號接隔離器信號輸入端子，傳感器電源DC24VDV也從信號隔離器上送出，隔離器的1對輸出信號端子輸出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)信號隔離器均能完成傳感器工作電源和模擬量信號輸入的有效的隔離。信號隔離器完全可以實現(xiàn)對水電站現(xiàn)場各有源模擬量(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輸出共同構(gòu)成輸入/輸出回來)的隔離，由于信號隔離器的高強度隔離、配電、轉(zhuǎn)換、分配和報警識別功能，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行安全，避免了可能會造成的模板擊穿或燒毀概率，其測量精度得到提高，抗工頻電磁干擾和雷擊過電壓的危害降到最低。
對于某些電站水輪機現(xiàn)場非電量傳感器安裝條件的限制，其模擬量輸出信號需擴展，才能解決1個4-20mA模擬量信號同時傳輸給2套不同控制和監(jiān)測系統(tǒng)，如蝸殼進口壓力、尾水管出口壓力、尾水管進口壓力脈動、頂蓋壓力、機組凈水頭即要供全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，又要供機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)使用時，以及一些單個4-20mA電量模擬量需擴展出2-5路4-20mA輸出的均可采用信號隔離器進行擴展，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，它有效地實現(xiàn)了電站控制、監(jiān)測不同獨立系統(tǒng)的需求，減少了投資、簡化了二次接線、解決了電站現(xiàn)場傳感器安裝帶來的問題。
3、結(jié)語
以上非電量模擬量傳感器采用信號隔離器的接線方式，在貴州烏江流域和北盤江流域多個水電站和緬甸太平江水電站自動化系統(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、二級及官地水電站應(yīng)用，對提高水電站自動化控制、監(jiān)測系統(tǒng)將起到良好的示范作用。
作者：南京南瑞集團公司 朱樂；中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院 張樹京
