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在电力传输领域,电压与电流通过导线传输时呈现出两种形态,即 “共模” 与 “差模”。像设备的电源线、通信线以及与其他设备交互的通讯线路,通常至少有两根导线用于输送电力或信号,同时还会有第三导体,也就是 “地线”。
干扰电压和电流具体分为两类:一类是两根导线分别作为往返线路传输,此为 “差模”;另一类是两根导线作为去路,地线作为返回路传输,这便是 “共模”。
现场使用的显示仪表因所处环境复杂,且被测参数多转换为微弱低电平电压信号并长距离传输,故而除有用信号外,还会混入一些无关干扰信号,影响测量准确性,严重时甚至导致仪表无法正常工作。下面对干扰产生途径及消除措施展开介绍。
干扰途径
干扰源可能存在于仪表内部或外部。在仪表外部,大功率用电设备、变压器以及电力网都可能成为干扰源;仪表内部,电源变压器、线圈、继电器、开关及电源线等也可能产生干扰。干扰源主要通过以下途径进入仪表:
磁耦合干扰:信号源与仪表间的连接导线以及仪表内部配线,会通过磁耦合在电路中形成干扰。在大功率变压器、交流电机、电力线周围空间存在强交流磁场,闭合回路处于此变化磁场中会感应出电势,该电势与有用信号串联。当传感器与显示仪表距离较远时,这种串模干扰更为显著。
电容耦合干扰:干扰源通过电容耦合在回路中形成干扰,这是两电场相互作用的结果。通过静电耦合,能在两输入端感应出对地的共同电压,以共模干扰形式出现。虽然共模干扰不直接与信号叠加,但它能通过测量系统形成对地泄漏电流,该电流通过电阻耦合作用于仪表产生干扰。电磁感应、静电感应形成的干扰多为工频干扰电压,而变频器、带整流子的电机等会产生谐波干扰,雷电也会在电力线上感应出干扰电压。
高温漏电干扰:在某些测温场景中,将热电偶电极直接焊在通电加热的金属件上,金属件平行于电流方向各点存在电位差,会引入较大干扰电压。高温下,耐火材料绝缘电阻急剧下降,热电偶瓷保护管、瓷珠绝缘性能也会降低,电炉电源电压会通过耐火砖、热电偶套管、瓷珠等泄漏到热电偶丝上,在热电偶电极与地之间产生干扰电压。
地电位差干扰:大地中不同点往往存在电位差,尤其是大功率用电设备附近,设备绝缘性能下降时电位差更大。现场仪表若回路存在两个以上接地点,就会将不同接地点电位差引入显示仪表,形成共模干扰。
桥路电源接地干扰:当仪表桥路电源接地时,除桥路输出不平衡信号电压外,信号线对地还会有一公共电压,这是共模干扰的一种表现,并非测量所需信号电压。
串模干扰与共模干扰
串模干扰
以主板上两条 PCB 走线为例,串模干扰指两条走线之间的干扰。以往测量串模干扰电压推荐使用电子管电压表,现场也可用有交流毫伏挡的数字万用表测量。将电压表跨接在仪表输入的正、负端之间,通常串模干扰电压在几毫伏到几十毫伏范围内。
共模干扰
共模干扰指干扰电压出现在仪表任一输入端(正端或负端)对地之间的交流信号,又称 “对地干扰” 或 “纵向干扰”。测量共模干扰电压,可用高阻电压表或数字万用表交流电压挡。先将电压表接在仪表输入正端与地之间测量,再接到负端与地之间测量,通常共模干扰电压在几伏到几十伏范围。
抗干扰措施
要克服和消除串模与共模干扰,需先明确干扰来源,再采取相应措施。
串模干扰的来源与措施
大功率变压器、交流电动机、变频器等产生较强交变磁场,若仪表测量及控制连接导线经过交变磁场,就会在仪表输入回路感应出交流电压,形成干扰信号。
为克服串模干扰对仪表和控制系统的影响,可采取以下措施:
热电偶、分析仪表信号线应远离强电磁场,避免靠近动力线。
仪表信号线、控制信号线不要与动力线平行放置在同一桥架托盘或穿线管内,必要时使用屏蔽电线或电缆,并将线的屏蔽层一端接地。
在仪表输入端添加滤波电路。
智能仪表根据现场情况设置数字滤波常数,必要时增加滤波电路级数。
共模干扰的来源与措施
共模干扰来源包括高压电场干扰、测量电炉温度时引入的干扰(如高温下电炉电源通过耐火砖、热电偶瓷保护套管泄漏到热电偶,使其与地之间产生干扰电压)、地电位不同引入的干扰以及氨合成塔用电加热器升温对热电偶造成的干扰。干扰源多为交流电压,也可能是直流电压。
为克服共模干扰对仪表和控制系统的影响,可采取以下措施:
将测量热电偶浮空。
仪表放大器也采取浮空方式。
若测量对象允许,不使用露端式热电偶,避免热电极接地。
热电偶保护套管可靠接地。
使用屏蔽线时采用等电位屏蔽。
在信号线上加装旁路电容器。