聲表面波測(cè)溫技術(shù)讀寫器硬件設(shè)計(jì)討論

摘要：目前，開關(guān)柜在高壓變電站內(nèi)應(yīng)用廣泛，其觸頭測(cè)溫是安全生產(chǎn)中很重要的一環(huán)，但是因?yàn)楦邏涸O(shè)備的特殊性，普通方法難以測(cè)量，本文中使用的無源測(cè)溫方案，提出了讀寫器設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)思路。本文從讀寫器的系統(tǒng)組成，電磁干擾的硬件保護(hù)，施工安裝方面進(jìn)行了細(xì)致的討論。

關(guān) 鍵 詞：mcu+dsp組合；電磁防護(hù)；電壓分配計(jì)算

一、前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電力電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的要求越來越高，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的目的也在于此。國內(nèi)外的實(shí)踐表明，對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢修及故障診斷是提高設(shè)備可靠性的經(jīng)濟(jì)、有效手段，而對(duì)設(shè)備的各種物理參量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。

開關(guān)柜內(nèi)的高壓開關(guān)觸頭、母排進(jìn)出線接頭等部位由于是接觸連接實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，在長期運(yùn)行中，會(huì)由于老化、螺栓松動(dòng)等原因?qū)е陆佑|電阻變大而發(fā)熱，致使連接處溫度升高。觸點(diǎn)或連接點(diǎn)處溫度升高，會(huì)使其接觸電阻進(jìn)一步變大，從而產(chǎn)生更多的熱量、接觸電阻進(jìn)一步變大，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致火災(zāi)事故，引起故障。對(duì)這些連接位置進(jìn)行在線溫度監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警、及時(shí)檢修，從而避免事故，提高供電可靠性。

開關(guān)柜在高壓變電站內(nèi)應(yīng)用廣泛，其觸頭測(cè)溫是安全生產(chǎn)中很重要的一環(huán)，但是因?yàn)楦邏涸O(shè)備的特殊性，普通方法難以測(cè)量，本文中使用的無源測(cè)溫方案，高壓側(cè)的傳感器無需電源即可工作（利用了聲表面波原理），正是適合開關(guān)柜觸頭測(cè)溫。

二、測(cè)溫新技術(shù)討論

（一）無線無源測(cè)溫新技術(shù)簡介

聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波，其工作原理是，基片上換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應(yīng)將輸入的射頻轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)，此聲信號(hào)沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片左邊的發(fā)射器（輸出換能器）將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成射頻應(yīng)答信號(hào)輸出。如下圖所示。

同時(shí)，射頻信號(hào)與溫度存在如圖2所示的線性關(guān)系：

根據(jù)上圖溫度與頻率的線性關(guān)系，利用信號(hào)收發(fā)設(shè)備收到的頻率信號(hào)即可獲知溫度，如上所示，傳感器工作的頻率在433MHz附近，而測(cè)量溫度的精度為0.1度。

此測(cè)溫技術(shù)的無線方式有效的隔離了高壓與低壓區(qū)域；同時(shí)，由于傳感器工作不需要電源，在安裝檢修不便的開關(guān)柜內(nèi)正好有了用武之地。本文討論了此測(cè)溫方式的讀寫設(shè)備硬件設(shè)計(jì)，討論了以下幾個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（二）主處理芯片的使用方式

一次簡單的溫度請(qǐng)求，實(shí)際上是一系列的工作：

1.發(fā)送溫度請(qǐng)求命令；

2.分析本次請(qǐng)求是針對(duì)哪個(gè)傳感器、哪個(gè)天線，查表確定發(fā)送頻率；

3.控制RF芯片進(jìn)行射頻信號(hào)發(fā)送，接收反射回來的射頻信號(hào)，分析反射回來的射頻信號(hào)的頻率；

4.以上一個(gè)步驟循環(huán)20次；

5.得到反射信號(hào)的頻率均值，同時(shí)得到的，還有反射回來的信號(hào)強(qiáng)度；

6.設(shè)備計(jì)算反射信號(hào)與校準(zhǔn)溫度的信號(hào)值間的差值，從而得到傳感器的溫度；

7.將得到的溫度數(shù)據(jù)返回。

整個(gè)讀寫器的邏輯功能包括：請(qǐng)求傳感器溫度、頻率、信號(hào)強(qiáng)度，配置讀寫器運(yùn)行參數(shù)和傳感器參數(shù)，校正傳感器溫度，自動(dòng)輪詢溫度，應(yīng)用modbus協(xié)議通訊。之前主流的方式是使用一個(gè)DSP完成這所有的任務(wù)，但是，DSP不擅長邏輯控制。使用DSP進(jìn)行任務(wù)處理和數(shù)據(jù)分析，對(duì)設(shè)備的工作效率有很大的影響，同時(shí)，這種方式也會(huì)增加程序的復(fù)雜性。

本文設(shè)計(jì)將DSP和MCU分開，同時(shí)使用兩個(gè)主芯片完成工作內(nèi)容，將是革命性的變化：

MCU使用狀態(tài)機(jī)機(jī)制，專門處理各種請(qǐng)求以及保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)，避免因?yàn)樘幚頂?shù)據(jù)量過大而導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)。

MCU的功能：負(fù)責(zé)外部接口通訊、處理外部請(qǐng)求、系統(tǒng)的運(yùn)行、與DSP通訊、溫度數(shù)據(jù)的校正、傳感器配置定義等。MCU負(fù)責(zé)所有的邏輯控制和任務(wù)管理，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議實(shí)現(xiàn)等等，而不再涉及計(jì)算、推演和濾波處理，僅僅緩存處理完成后的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種方面的需求。

DSP功能：控制射頻芯片進(jìn)行射頻發(fā)送與接收、對(duì)接收與發(fā)送的RF數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)濾波。使用DSP專門處理射頻數(shù)據(jù)，收集及分析，全權(quán)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和接下來的高速運(yùn)算、濾波、校正過程。

明確的分工，大大的提高了工作效率，也降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，運(yùn)行出現(xiàn)故障的幾率大大降低。

（三）浪涌群脈沖等電磁測(cè)試防護(hù)

本節(jié)討論電氣保護(hù)措施。為了保證設(shè)備在高壓開關(guān)柜內(nèi)安全運(yùn)行，必須滿足《Q/GDW 540.1-2010 變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置檢驗(yàn)規(guī)范 第1部分：通用檢驗(yàn)規(guī)范》中的所有要求，其中，關(guān)于電磁方面比較難以達(dá)到的要求有：

電快速瞬變脈沖群抗擾度測(cè)試：按照“GB/T 17626.4電磁兼容、試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)”中規(guī)定，裝置應(yīng)能承受GB/T 17626.4規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為4級(jí)的電快速瞬變脈沖群干擾，試驗(yàn)電壓：電源端口4kV，數(shù)據(jù)端口2kV；

浪涌（沖擊）抗擾度測(cè)試：按照“GB/T 17626.5 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)”中規(guī)定，裝置應(yīng)能承受GB/T 17626.5規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為4級(jí)的浪涌（沖擊）干擾，試驗(yàn)電壓：4kV；

這樣的要求，對(duì)于電子設(shè)備來說，非常嚴(yán)格，對(duì)于硬件的電氣設(shè)計(jì)要求很高，對(duì)于端口的電壓沖擊，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下的應(yīng)對(duì)措施：

首先討論18-36V電源輸入的防護(hù)：

如圖4所示，氣體放電管，選型GQF3R075NRM。因?yàn)槠綍r(shí)電源是18-36V，會(huì)低于它的50V的放電截止電壓，所以不會(huì)發(fā)生續(xù)流現(xiàn)象，不需要串聯(lián)MOV。

浪涌的上升沿是dV/dT，本測(cè)試要求是沖擊脈沖為4kV/1.5us，所以電壓上升率2.667kV/us，氣體放電管GQF3R075NRM在應(yīng)對(duì)此等級(jí)沖擊脈沖時(shí)，會(huì)在電壓上升到750V之前動(dòng)作。達(dá)到此電壓需要時(shí)間大概是0.28us，加上0.1us的反應(yīng)時(shí)間，我們使用0.4us作為峰值時(shí)刻，在此之后，氣體放電管開始作用，開始保護(hù)電路。但是在保護(hù)時(shí)刻0.4us之前，瞬間電流會(huì)比較大，保險(xiǎn)絲可能會(huì)斷開，就需要額外的保護(hù)了。增加一個(gè)電感，100uH：

在氣體放電管的峰值電壓時(shí)刻0.4us時(shí)，通過電感的電流i=2.2A，電流限制效果明顯，保險(xiǎn)絲此時(shí)不會(huì)斷開。

同時(shí)電源芯片還有第二級(jí)保護(hù)：TVS管。如圖5所示。氣體放電管和TVS管組合，可以完美的保護(hù)電路，氣體放電管主要針對(duì)瞬間比較大的電流，可以用于防止信號(hào)回路中隨機(jī)出現(xiàn)的高壓沖擊。TVS瞬態(tài)電壓抑制器主要用于ESD靜電放電防護(hù)，電流相對(duì)較小，持續(xù)時(shí)間很短，但是響應(yīng)速度極快。

很重要的，如圖5，在各個(gè)端口之間加上10nF/2kV的電容，有利于通過瞬變的電流，大大提高設(shè)備的安全性。

對(duì)于485數(shù)據(jù)接口，處理方法又有不同：

如圖5所示，大電流大電壓的保護(hù)依靠TBU-CA085-300-WH和壓敏電阻+氣體放電管組合： TBU-CA085-300-WH在電流大于300mA時(shí)，會(huì)瞬時(shí)限制電流至極低（50Vdc下為0.5mA），但是本器件耐壓為瞬時(shí)脈沖電壓850V。所以需要輔助限壓器件：壓敏電阻+氣體放電管組合，它們可以將電壓限制在800V之下；

瞬變電壓不大沒有啟動(dòng)一級(jí)保護(hù)的情況下，二級(jí)保護(hù)P40-G240-WH和TISP4015L1BJ到作用：P40-G240-WH同樣起到限制電流的作用，但是最大承受電壓為40V；TISP4015L1BJ可以在電壓大于40V的時(shí)刻短路，瞬間拉低電壓至0，起到限制電壓的作用。

可以看到，對(duì)485接口的保護(hù)比電源接口的保護(hù)要細(xì)致的多，因?yàn)殡娫葱酒目垢蓴_，抗沖擊能力強(qiáng)于485芯片，同時(shí)電源端有大容量的電容作為儲(chǔ)能保護(hù)器件。

（四）串聯(lián)讀寫器設(shè)備的電源電壓分配計(jì)算

所有讀寫器設(shè)備通過總線形式安裝，共用一個(gè)電源總線，這樣，就需要對(duì)實(shí)際安裝時(shí)候的電源電壓進(jìn)行計(jì)算，確保每一臺(tái)設(shè)備的電壓足夠，不至于因?yàn)殚L布線影響設(shè)備運(yùn)行。

設(shè)備的電壓計(jì)算公式用推導(dǎo)法得出：

其中：

為下一個(gè)讀寫器的電壓值；

為下一個(gè)讀寫器與本讀寫器之間的電源總線的電流值；

ρ、L、S為導(dǎo)線的電阻率、兩個(gè)讀寫器間的電源導(dǎo)線長度（正極線和負(fù)極線之和）、橫截面積；

P為讀寫器的功率。

按照讀寫器一共20臺(tái)，功率為3W，ρ、L、S為別為1.75 × 10-8 Ωm、15m、 1.5（mm）2來計(jì)算，可以得到，當(dāng)最后一個(gè)讀寫器的電壓為20V的時(shí)候，第一個(gè)讀寫器的電壓為24.80V，總線最大電流為2.78A。讀寫器本身設(shè)計(jì)輸入電壓是18～36V，總線方式安裝后，電壓降幅為4.8V，電流小于此規(guī)格電線的額定電流，經(jīng)過實(shí)際安裝檢驗(yàn)，可以滿足需求。

三、結(jié)論

以上討論了SAW測(cè)溫讀寫器的硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，MCU+DSP組合保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，高等級(jí)的電氣防護(hù)措施保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，周密的計(jì)算保證了實(shí)際的合理安裝。為了滿足穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)備設(shè)計(jì)上從硬件到軟件全面考量，務(wù)求設(shè)備安全穩(wěn)定，高性能的設(shè)備保證了測(cè)溫設(shè)備在開關(guān)柜中的穩(wěn)定運(yùn)行，為電力安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

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（作者陳高其系寧波余姚市供電局工程師；任恒杰系寧波余姚市供電局工程師；黃永欽為寧波余姚市供電局工程師）