信号隔离器在南京南瑞水电站自动化系统中的应用

2016/11/20 13:47:08 人评论 次浏览 分类:调试维修  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/1146.html

在水电站自动化系统中,南京南瑞集团公司采用信号隔离器对水电站自动化控制、监测子系统的非电量模拟量传感器供电和信号隔离器采集,有效地解决了相关模拟量传感器供电电源安全、稳定和相对独立,保证了控制、监测子系统屏内电源模块和模拟量采集模块的运行安全,避免了可能会造成的模板击穿或烧毁概率,提高了测量精度、模拟信号抗工频电磁干扰,避免了雷击过电压的危害,解决了因某些电站现场非电量传感器因安装条件的限制,必需实现单个4-20mA模拟量扩展出多路输出满足不同控制、监测系统的需求。  

0、引言
在水电站计算机监控系统、公用设备控制系统、机组在线监测系统等自动化控制系统中,需要监视测量一些模拟量信号,包括电量模拟量(如电流、电压、功率等)和非电量模拟量(如压力、水位、流量等)。电量模拟量信号由变送器提供,一般可以输出隔离的4-20mA模拟信号,不需要外加信号隔离器。非电量模拟量传感器工作电源一般取自自动化系统设备提供的DC24V电源模块,且多数不隔离。为实现各控制、监测子系统相关模拟量传感器供电电源安全、稳定和相对独立,避免因某个模拟量传感器工作电源回路外部短路,造成电源模板击穿或烧毁概率,避免在同一系统中某些模拟量传感器因工作电源来自不同系统的供电模块而引起模拟量输入信号电源共正或共负,烧毁模拟量采集模块的可能,危及相关设备自动化系统运行安全,特别是对于哪些用于过程控制中需实施越限报警、动作停机和重要设备退出运行操作的模拟量传感器使用信号隔离器是有益的选择,否则有引起误动作的可能,不利于电站安全稳定运行,甚至造成不必要损失。在控制系统模拟量的采集和处理中,对于非电量模拟量传感器的测量精度、抗干扰能力以及传感器电源问题等也日益受到电站设计、建设和运行单位的高度重视。

1、非电量模拟量传感器种类及常规接线方式
在水电站自动化控制系统中用于机组、辅机及公用设备自动控制及监测的非电量模拟量传感器一般有蜗壳进口压力、尾水管进口压力、尾水管出口压力、尾水管压力脉动、顶盖压力、轴承冷却水进水管压力、推力、水导轴承外循环油流、轴承油槽液位、轴承油槽油混水、导叶位移、检修密封气压力、主轴密封水压力、流量、轴承冷却水流量、顶盖液位、技术供水总排水管流量、机组制动气源压力、机组压力油罐压力、油位、回油箱和漏油箱油混水、机组制动气源压力、主变压器油面和线圈温度、油位、主变冷却器冷却水压力、温度以及进水口快速事故门液压系统压力和回油箱温度、闸门开度、进水口快速事故门前、后水位、库前水位、尾水水位、厂房渗漏、检修集水井水位、盘形阀操作廊道水位、空压机储气罐压力、大坝闸门启闭机液压系统压力、开度、调压井水位等传感器。其中相关压力、流量、温度传感器信号直接关系到机组开停机和事故停机动作,或关系到辅机、公用设备启、停操作,传感器供电电源的安全、可靠、稳定和相对独立以及其测量精度、抗干扰能力是确保电站机组安全运行的基础。

这些非电量传感器分为两线制、三线制、四线制接线方式,均需外部提供工作电源,为保证电源的安全性一般采用DC24V,最常用的方式是采用由相关控制系统设备提供DC24V电源。全厂计算机监控系统厂家由于需监测的传感器数量多,关注其重要性以及确保现地控制单元运行安全,一般提供独立的DC24V电源模块。辅机及公用设备控制系统厂家由于各子系统需监测的传感器数量少,一般采用与其子控制系统共用DC24V电源模块,只在各电源输出回路设置空开或熔断器。

按照常规接线方式,对于两线制传感器:在控制系统屏上直接用屏蔽电缆从电源模块输出回路DC24C“+”端子排上引出1芯,从模拟量输入回路“+”端端子排上引出1芯(该通道模拟量输入回路“-”端直接与电源模块输出回路DC24V-端子连接)接到各现地安装的传感器电源回路上,完成传感器工作电源供电和模拟量信号输入,如蜗壳进口压力、尾水管进口压力、尾水管出口压力、尾水管压力脉动传感器等;对于三线制传感器:在控制系统屏上直接用屏蔽电缆从电源模块输出回路DC24V“+”端子排上引出1芯,从模拟量输入回路端子排上引出2芯接到各现地安装的传感器电源回路上,完成传感器工作电源供电和模拟量信号输入,如流量传感器等;对于四线制传感器:在控制系统屏上直接用屏蔽电缆从电源模块输出回路DC24V“+”、“-”端子排上引出2芯,从模拟量输入回路端子排上引出2芯(按二次接线规范要求一般各采用1根屏蔽电缆)接到各现地安装的传感器电源输入和信号输出回路上,完成传感器工作电源供电和模拟量信号输入,如电磁流量计传感器等。

以上接线由于传感器工作电源和模拟量信号输入未采用有效的隔离措施,其最大的弊病及可能造成的危害是,当电缆或传感器现地接头发生短路故障时,或户外安装的传感器受到雷击过电压时,将危及控制、监测系统屏上电源模块和模拟量采集模块的运行安全,可能会造成模板击穿或烧毁,严重的会影响到控制、监测系统运行,甚至死机。同时对于两线制或三线制传感器,电源和信号采用同根电缆,由于无有效隔离其测量精度和抗工频电磁干扰能力大大降低,即使对于四线制传感器也因信号输入回路无有效隔离,其测量精度和抗干扰能力也将受到影响。

近几年国内多个大中型水电站已在非电量模拟量传感器电源和信号回路中采用信号隔离器的接线方式解决和避免出现上述问题,实践证明该方式投资少,隔离强度高、负载能力强、安装接线简单、运行稳定、安全可靠。

 信号隔离器接线图

2、信号隔离器在非电量模拟量传感器接线中的应用 
信号隔离器的隔离方式主要分为:变压器隔离、光电隔离,均具有隔离、配电、转换、分配和报警识别功能,通常从隔离强度、精度、温度漂移、响应时间、绝缘电阻、负载电阻、输出波纹和功耗这八个主要技术参数来综合体现信号隔离器的性能。信号隔离器的输入对输出对电源对地四端三重全隔离通道间均具有2500VAC耐压水平。其特点是变压器隔离:性能稳定、寿命长、负载能力强、隔离强度高,但电路复杂,制作工艺要求更高,如云南昌晖仪表制造有限公司SWP9034A系列信号隔离器;光电隔离:性能稳定、抗干扰能力强、线路简单、成本低廉、寿命和隔离强度略低于变压器隔离,如BETIC系列信号隔离器;这两种隔离方式的信号隔离器近几年在许多水电站工程都有大量使用,有效解决水电站环境下自动控制、监测系统传感器工作电源和模拟量信号输入隔离,抗工频电磁干扰和雷击过电压的危害,确保传感器测量精度和系统安全稳定、可靠运行。

信号隔离器为端子排型,体积比常规接线端子略大,可密集导轨安装,输入/输出与电源端子在不同侧,有效防止短路。目前使用较多且行之有效的接线方式是:控制屏内DC24V电源模块输出回路经屏内专用端子接信号隔离器电源端子,供隔离器工作电源,隔离器的1对输入信号端子接两线制传感器(并带有DC24V电源),隔离器的1对输出信号端子输出4-20mA模拟量接屏内模拟量模块输入端子。对于三线制传感器,隔离器三线输入信号端子接传感器(带DC24V+、公共端(DC24V-)及模拟信号输入),隔离器的1对输出信号端子输出4-20mA模拟量接屏内模拟量模块输入端子。对于四线制传感器,信号隔离器SWP9034A也能提供经隔离的DC24V电源,一般采用由控制屏电源模块提供独立的DC24V电源给信号隔离器,传感器输出的4-20mA模拟量信号接隔离器信号输入端子,传感器电源DC24VDV也从信号隔离器上送出,隔离器的1对输出信号端子输出4-20mA模拟量接屏内模拟量模块输入端子。以上两线制、三线制、四线制传感器通过控制屏内信号隔离器均能完成传感器工作电源和模拟量信号输入的有效的隔离。信号隔离器完全可以实现对水电站现场各有源模拟量(传感器自身带工作电源,输出4-20mA模拟量)和无源模拟量(传感器需外部提供工作电源且与信号输出共同构成输入/输出回来)的隔离,由于信号隔离器的高强度隔离、配电、转换、分配和报警识别功能,有效地保证了控制屏内电源模块和模拟量采集模块的运行安全,避免了可能会造成的模板击穿或烧毁概率,其测量精度得到提高,抗工频电磁干扰和雷击过电压的危害降到最低。

对于某些电站水轮机现场非电量传感器安装条件的限制,其模拟量输出信号需扩展,才能解决1个4-20mA模拟量信号同时传输给2套不同控制和监测系统,如蜗壳进口压力、尾水管出口压力、尾水管进口压力脉动、顶盖压力、机组净水头即要供全厂计算机监控系统,又要供机组状态监测系统使用时,以及一些单个4-20mA电量模拟量需扩展出2-5路4-20mA输出的均可采用信号隔离器进行扩展,即1路4-20mA电量和非电量模拟量输入,经隔离器输出2路至5路4-20mA模拟量,它有效地实现了电站控制、监测不同独立系统的需求,减少了投资、简化了二次接线、解决了电站现场传感器安装带来的问题。

3、结语
以上非电量模拟量传感器采用信号隔离器的接线方式,在贵州乌江流域和北盘江流域多个水电站和缅甸太平江水电站自动化系统中已采用,取得了良好效果,目前正在四川泸定水电站和锦屏一、二级及官地水电站应用,对提高水电站自动化控制、监测系统将起到良好的示范作用。

信号隔离器在南京南瑞水电站自动化系统中的应用》作者:南京南瑞集团公司 朱乐;中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院 张树京