基于聲表面波技術(shù)的變電站戶外設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

紀(jì) 濤, 胡建學(xué), 周立勇, 高海芳, 夏前亮, 朱岳洲

(1.國(guó)網(wǎng)浙江德清縣供電公司, 浙江 湖州 313200 2.中電科技德清華瑩電子有限公司, 浙江 湖州 313200)

變電站是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的重要環(huán)節(jié),變電站設(shè)備運(yùn)行的好壞,直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全狀況。戶外高壓設(shè)備長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行,連接部位易發(fā)生接觸不良而發(fā)熱,如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理隱患則很有可能引發(fā)重大安全事故。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)戶外運(yùn)行的高壓設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度,提供故障點(diǎn)預(yù)警,可以防范一些安全事故的發(fā)生。

傳統(tǒng)的測(cè)溫方法很多,如紅外測(cè)溫、有源傳感器測(cè)溫、光纖類(lèi)測(cè)溫等。這些測(cè)溫方法雖能監(jiān)測(cè)被測(cè)物體的溫度,但應(yīng)用于變電站戶外設(shè)備時(shí)存在一些不足之處。

紅外測(cè)溫[1]只能是間接式測(cè)量被測(cè)物體溫度,一旦設(shè)備中存在遮擋物,紅外測(cè)溫方式無(wú)法測(cè)量關(guān)鍵接點(diǎn)處的溫度;同時(shí)紅外測(cè)溫對(duì)環(huán)境因素敏感,不太適合變電站中戶外設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

有源類(lèi)溫度傳感器[2],需要電池供電和更換電池。目前戶外設(shè)備停電周期長(zhǎng),電池更換困難。電池在高溫或低溫下不能可靠工作,存在安全隱患。

光纖類(lèi)溫度傳感器[3-4]一般適合室內(nèi)環(huán)境,且光纖容易折損,長(zhǎng)期工作易降低爬電距離。

聲表面波測(cè)溫技術(shù)是基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS)工藝的一種革新性技術(shù)。目前已廣泛應(yīng)用于美國(guó)宇航局太空項(xiàng)目、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)片等多方面的測(cè)溫?；诼暠砻娌夹g(shù)開(kāi)發(fā)的聲表面波傳感器同時(shí)具有無(wú)源無(wú)線的特征。無(wú)源的特性,保障該溫度傳感器不需要外部電源,傳感器安裝后免維護(hù);無(wú)線的特性,使得傳感器通過(guò)無(wú)線方式上傳溫度信息,提供了足夠的安全隔離距離。另外,聲表面波溫度傳感器上器件簡(jiǎn)單、可靠性高,適合應(yīng)用在強(qiáng)磁、強(qiáng)電等惡劣環(huán)境中。變電站戶外設(shè)備工作環(huán)境惡劣,而聲表面波溫度傳感器正好能克服這些困難,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備上關(guān)鍵點(diǎn)的溫度情況,預(yù)警相關(guān)故障的發(fā)生。基于聲表面波技術(shù)的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為變電站戶外設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)提供了一種全新的測(cè)量手段。

1 系統(tǒng)工作原理

基于聲表面波技術(shù)的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由聲表面波溫度傳感器、閱讀器、后端設(shè)備構(gòu)成。聲表面波溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí),閱讀器首先通過(guò)天線發(fā)送一束特定的射頻信號(hào),該射頻信號(hào)將作為傳感器的激勵(lì)信號(hào)。傳感器上天線接收該射頻信號(hào)后,通過(guò)叉指換能器在諧振腔內(nèi)激發(fā)出聲表面波。該聲表面波向基片兩端傳播,遇到反射柵后返回。反射回來(lái)的聲波經(jīng)過(guò)叉指換能器而成為電信號(hào),此時(shí)電信號(hào)已攜帶被測(cè)物體的溫度信息,攜帶溫度信息的電信號(hào)通過(guò)傳感器上的天線轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號(hào),向外發(fā)射。返回的無(wú)線射頻信號(hào)(應(yīng)答信號(hào))被閱讀器天線接收,通過(guò)解析收到的無(wú)線射頻信號(hào)頻率值即可得到相應(yīng)的溫度信息。

圖1 聲表面波溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

2 聲表面波溫度傳感器設(shè)計(jì)

聲表面波溫度傳感器主要由聲表面波溫度傳感器芯片、天線、導(dǎo)熱金屬等部件組成。

聲表面波溫度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)包括諧振型和延遲線型。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn),本文選擇諧振型結(jié)構(gòu),基于該結(jié)構(gòu)的聲表面波溫度傳感器芯片具有低插損、高Q值的特性,制成的傳感器可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無(wú)線讀取。在設(shè)計(jì)芯片時(shí)對(duì)換能器采用了加權(quán)設(shè)計(jì),減小寄生諧振的產(chǎn)生。

聲表面波溫度傳感器芯片采用諧振頻率隨溫度變化呈現(xiàn)出良好線性關(guān)系的石英材料作為壓電基片材料,并在基片上通過(guò)鍍膜、光刻等工藝制作出相應(yīng)的叉指換能器、反射柵[5],最終封裝成5 mm×5 mm的芯片。

在應(yīng)用中,首先采用傳統(tǒng)單端口的諧振型結(jié)構(gòu)來(lái)制作傳感器芯片[6],該芯片的傳感器溫度和頻率表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。其系統(tǒng)工作時(shí)溫度計(jì)算公式為

(1)

式中:tC——溫度傳感器的測(cè)量值;

t0——校準(zhǔn)時(shí)溫度值;

fC——聲表面波溫度傳感器返回的測(cè)量頻率值;

f0——校準(zhǔn)溫度時(shí)傳感器的諧振頻率值;

kf——溫度頻率系數(shù),與壓電材料、傳感器芯片的設(shè)計(jì)有關(guān),且在全量程范圍內(nèi)近似一定值。

圖2給出了系統(tǒng)中前期采用的一種單諧振峰結(jié)構(gòu)的傳感器溫度頻率特性圖,測(cè)得kf為8.5 kHz/℃。

圖2 單諧振峰結(jié)構(gòu)的傳感器溫度頻率特性

由式(1)可知,當(dāng)計(jì)算被測(cè)物體溫度時(shí),需先知t0,f0,fC的值。目前生產(chǎn)中,t0相同的情況下每顆芯片的f0值存在差異,在應(yīng)用中按照±30 kHz的范圍對(duì)芯片進(jìn)行篩選。在該篩選指標(biāo)下,同一型號(hào)的傳感器其最大溫度偏差達(dá)7 K,因此系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需對(duì)每個(gè)傳感器的溫度進(jìn)行一次校準(zhǔn)。

在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)需要一定的時(shí)間,因此要減少或避免溫度校準(zhǔn)操作?；趯?shí)際情況,對(duì)傳感器芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),由單諧振峰結(jié)構(gòu)調(diào)整為雙諧振峰結(jié)構(gòu)。

雙諧振峰結(jié)構(gòu)的芯片是在基片上有兩個(gè)諧振峰,且兩峰的溫頻特性各不相同,其頻域波形示意如圖3所示。當(dāng)溫度升高時(shí),左峰的頻率上升;當(dāng)溫度下降時(shí),左峰的頻率下降。右峰波形頻率隨溫度變化情況正好同左峰相反。

左峰頻率隨溫度變化公式為

fC左=fC1+Δt·kf左,kf左>0

(2)

右峰頻率隨溫度變化公式為

fC右=fC2+Δt·kf右,kf右<0

(3)

其中,Δt計(jì)算公式如下

Δt=tC-t25 ℃

(4)

由式(2)、式(3)和式(4)可得被測(cè)物實(shí)際溫度為

(5)

式中:t25 ℃——傳感器芯片篩選時(shí)溫度值,取為25 ℃;

fC左,fC右——左右峰頻率測(cè)量值;

fC1,fC2——左右峰在25 ℃時(shí)的頻率值;

kf左,kf右——左右峰溫度頻率系數(shù),在一定溫度范圍內(nèi)是定值。

在制作中,每顆芯片的f1和f2值都存在差異,但通過(guò)工藝可使得其差值控制在一定范圍內(nèi)。目前控制值小于3 kHz,其對(duì)應(yīng)溫度偏差為1 K,小于應(yīng)用環(huán)境的精度要求,可近似為常數(shù)f0。由式(5)可知,只要測(cè)量出fC右和fC左的頻差就可得到被測(cè)物的實(shí)際溫度值。

圖3 雙諧振峰傳感器頻域波形示意

按照雙諧振峰結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)及制作了相關(guān)傳感器,其溫度與(fC右-fC左)的線性關(guān)系如圖4所示。其溫度頻率斜率(kf右-kf左)為-2.6 kHz/℃。

圖4 雙諧振峰結(jié)構(gòu)的傳感器溫度頻率特性

為了增加芯片的可靠性,在對(duì)芯片進(jìn)行封裝時(shí),對(duì)叉指換能器和反射柵鍍上特殊保護(hù)膜,防止雜質(zhì)落于指條間形成短路,同時(shí)在內(nèi)部充滿特殊氣體以提升芯片的使用年限。

基于諧振型結(jié)構(gòu)的聲表面波溫度傳感芯片應(yīng)用時(shí)非常方便,外加天線及對(duì)天線進(jìn)行相應(yīng)的匹配即可。傳感器使用時(shí),由閱讀器提供能量,不存在能量受限問(wèn)題,可實(shí)時(shí)上傳溫度信息。

3 閱讀器的設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中,閱讀器為聲表面波溫度傳感器提供激勵(lì)信號(hào),促使傳感器測(cè)量及上傳溫度信息;同時(shí)對(duì)傳感器返回的溫度信息進(jìn)行解析、判讀及上傳。

閱讀器主要包括射頻信號(hào)發(fā)射模塊、射頻信號(hào)接收模塊、信號(hào)解析及通信模塊。閱讀器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

注:BPF—帶通濾波器;LNA—低噪聲放大器;LPF—低通濾波器;PGA—插針網(wǎng)格陣列;LO—本振;PA—功率放大器;DDS—直接數(shù)字式頻率合成器;A/D—模數(shù)轉(zhuǎn)換器;ARM—處理器;IED—后端設(shè)備。

圖5閱讀器結(jié)構(gòu)框圖

閱讀器需外接饋線及天線,在應(yīng)用中采用了平板天線。平板天線具有高增益、發(fā)射角度定向的特點(diǎn),符合在變電站戶外設(shè)備上的使用要求。傳感器分散布置在各個(gè)關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上,為了避免金屬遮擋及閱讀器接收信號(hào)弱的問(wèn)題,系統(tǒng)工作時(shí)采用多天線方案,因此在閱讀器中采用了HMC241多路選擇開(kāi)關(guān),設(shè)計(jì)了4條通道。HMC241采用GaAs工藝制作,易受靜電損傷,需對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。本文設(shè)計(jì)中采用ESD105-B1-02EL 瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor,TVS)進(jìn)行防護(hù)。該TVS管具有防靜電能力強(qiáng)、自身電容小的特點(diǎn),適合用在外接天線的情況下。

閱讀器的發(fā)射功率可自動(dòng)調(diào)節(jié)。在應(yīng)用中根據(jù)傳感器返回信號(hào)的強(qiáng)弱,自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率,做到在最小發(fā)射功率下有效讀取傳感器溫度信息。

閱讀器在變電站應(yīng)用時(shí),為了增加可靠性,對(duì)閱讀器上的電源進(jìn)行了相關(guān)的防護(hù)。本文采用了一款浪涌抑制芯片LTC4365-2。該芯片具有抑制浪涌、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、自動(dòng)重新啟動(dòng)等特點(diǎn)。LTC4365-2芯片應(yīng)用框圖如圖6所示。

工作中,電壓限制門(mén)限ULIM為7.8 V,電流限制門(mén)限ILIM為1 A。

圖6 LTC43652芯片應(yīng)用框圖

LTC4365-2的電流限制門(mén)限由RSNS決定,計(jì)算公式為

(6)

在1 A的電流限制門(mén)限下,RSNS可選用50 mΩ。

LTC4365-2的電壓限制門(mén)限由R4和R5決定,計(jì)算公式為

.25 (V)

(7)

在7.8 V電壓限制門(mén)限下,R4可選用27 kΩ,R5選用5.1 kΩ。

整個(gè)系統(tǒng)采用頻分多址的方式工作,在戶外工作時(shí)存在外界干擾,因此須對(duì)解析后的信號(hào)進(jìn)行中值濾波。同時(shí),在每次讀取時(shí)進(jìn)行干擾測(cè)試,避免閱讀器讀取錯(cuò)誤的信號(hào)。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

閱讀器采集到的溫度數(shù)據(jù),通過(guò)RS485總線上傳到后端設(shè)備,系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)示意

由于變電站中許多戶外高壓設(shè)備均要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè),因此一般要安裝多套閱讀器及對(duì)應(yīng)的傳感器。每套閱讀器與對(duì)應(yīng)的傳感器之間是基于頻分多址的方式工作,這樣多套閱讀器隨機(jī)讀取各自傳感器時(shí)會(huì)發(fā)生相互干擾的問(wèn)題。傳統(tǒng)采用輪詢工作的方式來(lái)解決此類(lèi)干擾問(wèn)題,即每次只有一臺(tái)閱讀器處于工作狀態(tài),其余閱讀器處于停滯狀態(tài)。這種處理方式時(shí)間利用率低,數(shù)據(jù)采集慢。應(yīng)用中改用分時(shí)復(fù)用的方法,由后端設(shè)備控制及配置每個(gè)閱讀器的工作狀態(tài),可排除閱讀器之間的相互干擾,加速溫度數(shù)據(jù)的讀取效率。

5 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2014年9月,德清35 kV永安變電站戶外高壓設(shè)備上安裝了聲表面波溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),共包含10臺(tái)閱讀器,60個(gè)溫度傳感器,系統(tǒng)至今運(yùn)行良好。每臺(tái)閱讀器采集的溫度信息都會(huì)通過(guò)485總線,實(shí)時(shí)上傳到后端設(shè)備上。后端設(shè)備會(huì)對(duì)收到的信息進(jìn)行分析、存儲(chǔ),并把各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度信息顯示在界面上。當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警告信息,用戶收到警告后可及時(shí)定位故障點(diǎn),從而有效避免相關(guān)事故的發(fā)生。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于聲表面波技術(shù)的變電站戶外設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),集成了聲表面波技術(shù)、射頻技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等,給戶外高壓設(shè)備測(cè)溫提供了一種新的手段。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了戶外設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)預(yù)警功能。基于聲表面波溫度傳感器無(wú)源和無(wú)線的特性,該系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)溫方式的不足,提高了變電站戶外設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)效率和可靠性,為設(shè)備的安全運(yùn)行提供了保障。