传感器信号电压过高、电压过低故障的诊断思路

01

在汽车电路维修中，经常能遇到关于传感器报信号电压过高的故障码。根据传感器的供电电路可以发现如果传感器的负极开路，则传感器失去负极而输出信号电压一直是5V。根据发动机电脑的故障监测逻辑，一般情况下电脑监测传感器有效信号电压范围是0.2～4.8V。超过4.8V 电脑就会报信号电压过高的故障码。所以当传感器失去负极信号后电压变为5V，电脑就会留下故障码（信号电压过高）。

对于这一类故障，需要检查传感器的负极，如果负极线路没有开路，还需要检查信号线是否对正极短路，若没有，一般则是传感器损坏。

还有一种情况就是多个传感器同时报故障码（信号电压过高），这种情况一般是公共负极开路。根据笔者多年的维修经验，除了线路开路以外，更多的可能性是电脑内部的负极线被烧断。而导致负极线烧断的原因可能是某个传感器损坏使负极线短路到了12V 电压中，比如故障率较高的是氧传感器内部短路把信号负极短路到了12V 电源，从而烧毁电脑内部线路。还有一种情况就是修理工的误操作，使用大功率试灯接正极去验证传感器的负极是否是好的，这样操作极易损坏电脑。如下图是一个电脑内部负极线烧毁的维修图。

电脑内部负极线烧毁的维修图

02

传感器信号电压过低故障

同理，如果传感器失去正极，则传感器的输出电压则一直是0V，那么电脑就会记录一条故障码（传感器信号电压过低）。在检修这类故障的时候，应该先检测传感器的电源是否正常，若正常，接下来先检测传感器的信号线是否对负极短路。如果没有问题，那么基本上可以判断是传感器本身的故障。

如果是多个传感器同时报故障码（信号电压过低），则应该是公共正极对地短路（5V 电压对地短路不会烧电脑，只需要找到短路的地方恢复即可），短路点可能是某个传感器，也有可能是插头或者线路本身。在这里推荐一个简单的检测手法：先找到一个较为好测量的传感器，将万用表与传感器的电源接好，此时万用表应显示0V，接下来拔下有可能出现故障的传感器。拔掉传感器的同时注意观察插头是否进水氧化，直到万用表显示5V 即代表该传感器内部短路导致的故障。如果全部拔完了还没有恢复，则可能是线路的故障，这时需要耐心检测。

是不是发动机电脑的12V 供电缺失呢？答案是否定的，因为根据12V 供电逻辑，只有发动机电脑的供电完好，主继电器闭合，发动机电脑才可以通信，这里读到了故障码，即代表通信是良好的，因此与5V 和12V 供电都没有关系。

如下图所示是一个上海通用科鲁兹发动机电脑的电路，可以看到该车发动机控制系统有两组5V 供电，其中进排气凸轮轴位置传感器与空调压力传感器共用一组5V 电源，空调压力传感器与曲轴位置传感器共用一组5V 电源。在通用车型中如果某一路5V 供电对地短路，电脑还会留下单独一个故障码，例如：“5V 1 参考电压”，这种故障码就是指5V 1 这条线路的电压过低，是指对地短路。

上海通用科鲁兹发动机电脑的电路

一二次深度融合用电子传感器的工程应用

上海置信电气股份有限公司的研究人员刘伟、潘明、姚彦良、孙晶晶，在2019年第12期《电气技术》杂志上撰文，阐述了一种用于一二次深度融合的电子传感器在工程实际应用中遇到的若干问题，分析原因，并提出相应的解决方案。结合实际测量数据对比分析，验证方案适用于10kV柱上断路器内置电子传感器输出信号的采样，对一二次深度融合设备的工程应用也有一定的参考意义。

国家电网公司在2016年末提出的“配网自动化终端DTU/FTU需要考虑一二次设备融合的需求和考虑采用电子式互感器来取代传统的电磁式互感器”的总体思路成为了现阶段几乎所有配网自动化终端生产企业的研究对象。

本文主要针对10kV柱上断路器内置电子传感器的输出信号采样在实际工程应用中出现的若干问题进行分析，并提出解决方案。

1 一二次深度融合成套设备工程应用中遇到的问题

某一客户现场挂网运行的线路保护装置采用一二次深度融合成套设备，10kV柱上断路器内置电压、电流电子传感器，电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器（LPCT），电压传感器采用电容分压式传感器（CVT），控制单元采用基于无源电子传感器的智能馈线终端（FTU）。

在设备挂网运行一段时间中出现以下故障：①设备报“后备欠压”及“电压采样错误”报警，三相电压采样值为：Ua：14593V，Ub：5302V，Uc：5681V，零序电压U0：2604V；②FTU电流采样端子断开输入电缆，零序电流I0显示6.5A；电缆接入电流输入端子后，I0显示为0。

针对上述情况，用万用表在传感器输出口测试电压、电流输出数值均正常。现场挂网运行设备的交流采样部分原理框图如图1所示。

图1 现场FTU交流采样电路示意图

2 问题分析

根据第1节的现场描述可以判断电子传感器及AD芯片等后级电路是正常工作的，那么故障就发生在交流信号的保护电路和调理电路。

2.1 三相电流采样电路分析

图2所示为三相电流采样电路。将样机的电流信号线对机壳施加500V工频电压时未通过，信号线对机壳施加GB/T 15153.1中规定的浪涌4级及GB/T 17626.4中规定的电快速瞬变脉冲群干扰4级时均未通过。

如图2所示分析，电流信号输入端采用压敏电阻10K390抑制差模及共模干扰，抑制共模干扰的压敏电阻存在动作电压低，信号线对机壳承受的耐压较低以及EMC浪涌试验通不过等问题。

图2 三相电流采样电路

电子式电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器，自带线圈隔离，可以避免因一二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差；但电子式电压传感器从10kV母线通过低压臂电容分压到FTU的信号输入间完全没有隔离措施，这将引起：①高压一次侧引入二次侧；②因一、二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差。

2.2 三相电压、零序电压及零序电流采样电路分析

如图3所示为三相电压、零序电压及零序电流采样电路。信号输入端保护采用压敏电阻10K390及TVS。但由于10K390的动作电压为39V，存在同图2一样的问题。

图3 交流电压及零序电流采样电路

根据运放“虚短”、“虚断”：

表1 TVS存在时测试结果

表2 TVS去除时测试结果

此外，零序电流由于信号幅值较小（额定值0.2V），易受高频、接地及工频干扰，造成输入端悬空时零序电流有数值显示。

3 解决方案

为了解决上述电磁兼容及交流采样不准等问题，保证测量精度及可靠性，本文从信号的传输、隔离以及AD转换方面提出解决方案，其中隔离方式提出两种方案。

3.1 双绞屏蔽线长线传输

信号在传输过程中会受到电场、磁场和地电位等干扰因素的影响，因此，对于电子传感器模拟小信号而言，为了获得更好的信号质量，建议采用双绞屏蔽线。双绞屏蔽线分为单屏蔽层和双屏蔽层。

双屏蔽层要求内外层绝缘，成本较高；但它对高频信号的抗干扰能力较好，在实际应用中，可将内屏蔽层在二次侧接地，外屏蔽层在一次侧接地。若采用单屏蔽双绞线，则应在接收信号的二次侧将屏蔽层单端接地。

3.2 微型互感器方案

考虑到电子式电流传感器是LPCT，自带线圈隔离，但信号需经8～15m长的电缆传输；而电子式电压传感器输出信号调理回路没有任何隔离措施，故将交采回路设计为微型互感器采集，原理框图如图4所示。

3.3 光电耦合隔离方案

如图5所示，本设计采用高速线性光耦HCNR201进行光电隔离，它具有超低线性度（0.01%）、低增益温度系数、耐压等级高（5kV）、隔离电压高（最高隔离8kV）、单向传输、抗共模干扰能力强及信号一比一线性高速传输等优点。交流电压信号经过调理后接入光耦，光耦将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲都挡在输入侧，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

图4 微型互感器方案

图5 光电耦合隔离电路

3.4 ADC采样

输入信号为交流小电压信号，采用差分输入， AD芯片采用MAX11046，该芯片具有3s快速转换时间，高吞吐率：每个通道为250ksps，16位/14位高速并行接口，低温漂、高精度4.096V内部基准支持±5V输入范围，3.0V至4.25V外部基准范围，支持±4.0V至±5.2V满量程输入范围，满足交流模拟量输入通道需要10M以上输入阻抗匹配要求。

4 实验数据分析

以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案2中的微型互感器隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。交采回路经改进后与电子式传感器联调结果见表3。测量精度满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5% 。

但微型互感器方案在测试相位误差时发现“1V/0.35V”互感器角差为5°，“0.2V/0.2V”互感器在信号下降沿角差为2.3°，这将不满足相差不大于10′的标准规定。相角偏移是电容因素引起的，包括前面的电容分压器、传输电缆分布电容以及互感器线圈分布电容等因素，可以采取一定的补偿措施对电路的相位特性进行改善。

表3 零序电流联调测试结果

仍以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案3中的光耦隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。测量精度亦可满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5%），测试相位误差时采用示波器对比输入与输出端的波形如图6所示。

光滑曲线为输入信号，带点曲线为输出信号，由图可知，输入线与输出线基本重合，线性度较好；输入信号有效值为10mV时，输出信号有效值为9.98mV，相位误差在5′左右，满足0.5级电子式互感器对采样精度的要求。

图6 光耦隔离试验波形

结论

综上所述：①三相电压采样电路、零序电压采样电路和零序电流采样电路输入端串联的限流电阻与TVS形成分压，影响了采样精度；②电路中采用的防护器件的等级不够，对高压侧串入的干扰不能很好的防护。

鉴于此，文中采用方案1解决8～15m电缆上叠加的电磁干扰，采用方案2或方案3可以完全隔离一二次侧相互串扰问题，方案4提高AD转换的速度、精度以及高输入阻抗匹配问题。

本文采用方案1、方案3以及方案4结合设计了FTU交采回路，FTU机箱采用复合型电磁屏蔽结构及合理的接地设计。经过本设计处理后的一二次深度融合成套设备已经顺利通过电磁兼容等试验项目验证，符合国家配电自动化设备相关标准。

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