聲表面波測溫技術讀寫器硬件設計討論

摘要：目前，開關柜在高壓變電站內應用廣泛，其觸頭測溫是安全生產中很重要的一環，但是因為高壓設備的特殊性，普通方法難以測量，本文中使用的無源測溫方案，提出了讀寫器設備的硬件設計思路。本文從讀寫器的系統組成，電磁干擾的硬件保護，施工安裝方面進行了細致的討論。

關 鍵 詞：mcu+dsp組合；電磁防護；電壓分配計算

一、前言

隨著社會經濟的發展，對電力電網安全可靠運行的要求越來越高，建設堅強智能電網的目的也在于此。國內外的實踐表明，對設備進行狀態檢修及故障診斷是提高設備可靠性的經濟、有效手段，而對設備的各種物理參量進行在線監測是狀態檢修的基礎。

開關柜內的高壓開關觸頭、母排進出線接頭等部位由于是接觸連接實現導電，在長期運行中，會由于老化、螺栓松動等原因導致接觸電阻變大而發熱，致使連接處溫度升高。觸點或連接點處溫度升高，會使其接觸電阻進一步變大，從而產生更多的熱量、接觸電阻進一步變大，形成惡性循環，最終導致火災事故，引起故障。對這些連接位置進行在線溫度監測可實現及時預警、及時檢修，從而避免事故，提高供電可靠性。

開關柜在高壓變電站內應用廣泛，其觸頭測溫是安全生產中很重要的一環，但是因為高壓設備的特殊性，普通方法難以測量，本文中使用的無源測溫方案，高壓側的傳感器無需電源即可工作（利用了聲表面波原理），正是適合開關柜觸頭測溫。

二、測溫新技術討論

（一）無線無源測溫新技術簡介

聲表面波是沿物體表面傳播的一種彈性波，其工作原理是，基片上換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應將輸入的射頻轉變成聲信號，此聲信號沿基片表面傳播，最終由基片左邊的發射器（輸出換能器）將聲信號轉變成射頻應答信號輸出。如下圖所示。

同時，射頻信號與溫度存在如圖2所示的線性關系：

根據上圖溫度與頻率的線性關系，利用信號收發設備收到的頻率信號即可獲知溫度，如上所示，傳感器工作的頻率在433MHz附近，而測量溫度的精度為0.1度。

此測溫技術的無線方式有效的隔離了高壓與低壓區域；同時，由于傳感器工作不需要電源，在安裝檢修不便的開關柜內正好有了用武之地。本文討論了此測溫方式的讀寫設備硬件設計，討論了以下幾個關鍵的設計要點：

（二）主處理芯片的使用方式

一次簡單的溫度請求，實際上是一系列的工作：

1.發送溫度請求命令；

2.分析本次請求是針對哪個傳感器、哪個天線，查表確定發送頻率；

3.控制RF芯片進行射頻信號發送，接收反射回來的射頻信號，分析反射回來的射頻信號的頻率；

4.以上一個步驟循環20次；

5.得到反射信號的頻率均值，同時得到的，還有反射回來的信號強度；

6.設備計算反射信號與校準溫度的信號值間的差值，從而得到傳感器的溫度；

7.將得到的溫度數據返回。

整個讀寫器的邏輯功能包括：請求傳感器溫度、頻率、信號強度，配置讀寫器運行參數和傳感器參數，校正傳感器溫度，自動輪詢溫度，應用modbus協議通訊。之前主流的方式是使用一個DSP完成這所有的任務，但是，DSP不擅長邏輯控制。使用DSP進行任務處理和數據分析，對設備的工作效率有很大的影響，同時，這種方式也會增加程序的復雜性。

本文設計將DSP和MCU分開，同時使用兩個主芯片完成工作內容，將是革命性的變化：

MCU使用狀態機機制，專門處理各種請求以及保證系統的正常運行狀態，避免因為處理數據量過大而導致系統死機。

MCU的功能：負責外部接口通訊、處理外部請求、系統的運行、與DSP通訊、溫度數據的校正、傳感器配置定義等。MCU負責所有的邏輯控制和任務管理，包括數據傳輸的協議實現等等，而不再涉及計算、推演和濾波處理，僅僅緩存處理完成后的數據，實現各種方面的需求。

DSP功能：控制射頻芯片進行射頻發送與接收、對接收與發送的RF數據進行處理、數據濾波。使用DSP專門處理射頻數據，收集及分析，全權負責數據的接收和接下來的高速運算、濾波、校正過程。

明確的分工，大大的提高了工作效率，也降低了系統的復雜性，運行出現故障的幾率大大降低。

（三）浪涌群脈沖等電磁測試防護

本節討論電氣保護措施。為了保證設備在高壓開關柜內安全運行，必須滿足《Q/GDW 540.1-2010 變電設備在線監測裝置檢驗規范 第1部分：通用檢驗規范》中的所有要求，其中，關于電磁方面比較難以達到的要求有：

電快速瞬變脈沖群抗擾度測試：按照“GB/T 17626.4電磁兼容、試驗和測量技術、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗”中規定，裝置應能承受GB/T 17626.4規定的嚴酷等級為4級的電快速瞬變脈沖群干擾，試驗電壓：電源端口4kV，數據端口2kV；

浪涌（沖擊）抗擾度測試：按照“GB/T 17626.5 電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗”中規定，裝置應能承受GB/T 17626.5規定的嚴酷等級為4級的浪涌（沖擊）干擾，試驗電壓：4kV；

這樣的要求，對于電子設備來說，非常嚴格，對于硬件的電氣設計要求很高，對于端口的電壓沖擊，我們設計了以下的應對措施：

首先討論18-36V電源輸入的防護：

如圖4所示，氣體放電管，選型GQF3R075NRM。因為平時電源是18-36V，會低于它的50V的放電截止電壓，所以不會發生續流現象，不需要串聯MOV。

浪涌的上升沿是dV/dT，本測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在應對此等級沖擊脈沖時，會在電壓上升到750V之前動作。達到此電壓需要時間大概是0.28us，加上0.1us的反應時間，我們使用0.4us作為峰值時刻，在此之后，氣體放電管開始作用，開始保護電路。但是在保護時刻0.4us之前，瞬間電流會比較大，保險絲可能會斷開，就需要額外的保護了。增加一個電感，100uH：

在氣體放電管的峰值電壓時刻0.4us時，通過電感的電流i=2.2A，電流限制效果明顯，保險絲此時不會斷開。

同時電源芯片還有第二級保護：TVS管。如圖5所示。氣體放電管和TVS管組合，可以完美的保護電路，氣體放電管主要針對瞬間比較大的電流，可以用于防止信號回路中隨機出現的高壓沖擊。TVS瞬態電壓抑制器主要用于ESD靜電放電防護，電流相對較小，持續時間很短，但是響應速度極快。

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

對于485數據接口，處理方法又有不同：

如圖5所示，大電流大電壓的保護依靠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，會瞬時限制電流至極低（50Vdc下為0.5mA），但是本器件耐壓為瞬時脈沖電壓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一級保護的情況下，二級保護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485接口的保護比電源接口的保護要細致的多，因為電源芯片的抗干擾，抗沖擊能力強于485芯片，同時電源端有大容量的電容作為儲能保護器件。

（四）串聯讀寫器設備的電源電壓分配計算

所有讀寫器設備通過總線形式安裝，共用一個電源總線，這樣，就需要對實際安裝時候的電源電壓進行計算，確保每一臺設備的電壓足夠，不至于因為長布線影響設備運行。

設備的電壓計算公式用推導法得出：

其中：

為下一個讀寫器的電壓值；

為下一個讀寫器與本讀寫器之間的電源總線的電流值；

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

P為讀寫器的功率。

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

三、結論

以上討論了SAW測溫讀寫器的硬件設計要點，MCU+DSP組合保證了系統的穩定運行，高等級的電氣防護措施保證了設備的穩定運行，周密的計算保證了實際的合理安裝。為了滿足穩定運行，設備設計上從硬件到軟件全面考量，務求設備安全穩定，高性能的設備保證了測溫設備在開關柜中的穩定運行，為電力安全生產提供了強有力的保障。

參考文獻：

1.Q/GDW540.1-2010 變電設備在線監測裝置檢驗規范[J]. 第1部分：通用檢驗規范.國家電網公司，2011-01-28.

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3.馮軍.智能變電站原理及測試技術[M].中國電力出版社，2011.

4.張培仁.傳感器原理、檢測及應用[M].清華大學出版社，2012.

（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）