纪 涛, 胡建学, 周立勇, 高海芳, 夏前亮, 朱岳洲

(1.国网浙江德清县供电公司, 浙江 湖州 313200 2.中电科技德清华莹电子有限公司, 浙江 湖州 313200)

变电站是电力系统网络中的重要环节,变电站设备运行的好坏,直接关系到整个电网的安全状况。户外高压设备长期在户外运行,连接部位易发生接触不良而发热,如未及时发现并处理隐患则很有可能引发重大安全事故。实时监测户外运行的高压设备关键部位的温度,提供故障点预警,可以防范一些安全事故的发生。

传统的测温方法很多,如红外测温、有源传感器测温、光纤类测温等。这些测温方法虽能监测被测物体的温度,但应用于变电站户外设备时存在一些不足之处。

红外测温[1]只能是间接式测量被测物体温度,一旦设备中存在遮挡物,红外测温方式无法测量关键接点处的温度;同时红外测温对环境因素敏感,不太适合变电站中户外设备温度的实时监测。

有源类温度传感器[2],需要电池供电和更换电池。目前户外设备停电周期长,电池更换困难。电池在高温或低温下不能可靠工作,存在安全隐患。

光纤类温度传感器[3-4]一般适合室内环境,且光纤容易折损,长期工作易降低爬电距离。

声表面波测温技术是基于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS)工艺的一种革新性技术。目前已广泛应用于美国宇航局太空项目、航空发动机、制动片等多方面的测温。基于声表面波技术开发的声表面波传感器同时具有无源无线的特征。无源的特性,保障该温度传感器不需要外部电源,传感器安装后免维护;无线的特性,使得传感器通过无线方式上传温度信息,提供了足够的安全隔离距离。另外,声表面波温度传感器上器件简单、可靠性高,适合应用在强磁、强电等恶劣环境中。变电站户外设备工作环境恶劣,而声表面波温度传感器正好能克服这些困难,实时监测设备上关键点的温度情况,预警相关故障的发生。基于声表面波技术的温度在线监测系统为变电站户外设备温度的监测提供了一种全新的测量手段。

1 系统工作原理

基于声表面波技术的温度在线监测系统主要由声表面波温度传感器、阅读器、后端设备构成。声表面波温度在线监测系统工作原理如图1所示。系统工作时,阅读器首先通过天线发送一束特定的射频信号,该射频信号将作为传感器的激励信号。传感器上天线接收该射频信号后,通过叉指换能器在谐振腔内激发出声表面波。该声表面波向基片两端传播,遇到反射栅后返回。反射回来的声波经过叉指换能器而成为电信号,此时电信号已携带被测物体的温度信息,携带温度信息的电信号通过传感器上的天线转变为射频信号,向外发射。返回的无线射频信号(应答信号)被阅读器天线接收,通过解析收到的无线射频信号频率值即可得到相应的温度信息。

图1 声表面波温度在线监测系统工作原理

2 声表面波温度传感器设计

声表面波温度传感器主要由声表面波温度传感器芯片、天线、导热金属等部件组成。

声表面波温度传感器芯片的结构包括谐振型和延迟线型。根据应用场合的特点,本文选择谐振型结构,基于该结构的声表面波温度传感器芯片具有低插损、高Q值的特性,制成的传感器可以实现较远距离的无线读取。在设计芯片时对换能器采用了加权设计,减小寄生谐振的产生。

声表面波温度传感器芯片采用谐振频率随温度变化呈现出良好线性关系的石英材料作为压电基片材料,并在基片上通过镀膜、光刻等工艺制作出相应的叉指换能器、反射栅[5],最终封装成5 mm×5 mm的芯片。

在应用中,首先采用传统单端口的谐振型结构来制作传感器芯片[6],该芯片的传感器温度和频率表现出良好的线性关系。其系统工作时温度计算公式为

(1)

式中:tC——温度传感器的测量值;

t0——校准时温度值;

fC——声表面波温度传感器返回的测量频率值;

f0——校准温度时传感器的谐振频率值;

kf——温度频率系数,与压电材料、传感器芯片的设计有关,且在全量程范围内近似一定值。

图2给出了系统中前期采用的一种单谐振峰结构的传感器温度频率特性图,测得kf为8.5 kHz/℃。

图2 单谐振峰结构的传感器温度频率特性

由式(1)可知,当计算被测物体温度时,需先知t0,f0,fC的值。目前生产中,t0相同的情况下每颗芯片的f0值存在差异,在应用中按照±30 kHz的范围对芯片进行筛选。在该筛选指标下,同一型号的传感器其最大温度偏差达7 K,因此系统在应用时需对每个传感器的温度进行一次校准。

在工程现场进行校准需要一定的时间,因此要减少或避免温度校准操作。基于实际情况,对传感器芯片的结构进行改进,由单谐振峰结构调整为双谐振峰结构。

双谐振峰结构的芯片是在基片上有两个谐振峰,且两峰的温频特性各不相同,其频域波形示意如图3所示。当温度升高时,左峰的频率上升;当温度下降时,左峰的频率下降。右峰波形频率随温度变化情况正好同左峰相反。

左峰频率随温度变化公式为

fC左=fC1+Δt·kf左,kf左>0

(2)

右峰频率随温度变化公式为

fC右=fC2+Δt·kf右,kf右<0

(3)

其中,Δt计算公式如下

Δt=tC-t25 ℃

(4)

由式(2)、式(3)和式(4)可得被测物实际温度为

(5)

式中:t25 ℃——传感器芯片筛选时温度值,取为25 ℃;

fC左,fC右——左右峰频率测量值;

fC1,fC2——左右峰在25 ℃时的频率值;

kf左,kf右——左右峰温度频率系数,在一定温度范围内是定值。

在制作中,每颗芯片的f1和f2值都存在差异,但通过工艺可使得其差值控制在一定范围内。目前控制值小于3 kHz,其对应温度偏差为1 K,小于应用环境的精度要求,可近似为常数f0。由式(5)可知,只要测量出fC右和fC左的频差就可得到被测物的实际温度值。

图3 双谐振峰传感器频域波形示意

按照双谐振峰结构,设计及制作了相关传感器,其温度与(fC右-fC左)的线性关系如图4所示。其温度频率斜率(kf右-kf左)为-2.6 kHz/℃。

图4 双谐振峰结构的传感器温度频率特性

为了增加芯片的可靠性,在对芯片进行封装时,对叉指换能器和反射栅镀上特殊保护膜,防止杂质落于指条间形成短路,同时在内部充满特殊气体以提升芯片的使用年限。

基于谐振型结构的声表面波温度传感芯片应用时非常方便,外加天线及对天线进行相应的匹配即可。传感器使用时,由阅读器提供能量,不存在能量受限问题,可实时上传温度信息。

3 阅读器的设计

在整个系统中,阅读器为声表面波温度传感器提供激励信号,促使传感器测量及上传温度信息;同时对传感器返回的温度信息进行解析、判读及上传。

阅读器主要包括射频信号发射模块、射频信号接收模块、信号解析及通信模块。阅读器结构框图如图5所示。

注:BPF—带通滤波器;LNA—低噪声放大器;LPF—低通滤波器;PGA—插针网格阵列;LO—本振;PA—功率放大器;DDS—直接数字式频率合成器;A/D—模数转换器;ARM—处理器;IED—后端设备。

图5阅读器结构框图

阅读器需外接馈线及天线,在应用中采用了平板天线。平板天线具有高增益、发射角度定向的特点,符合在变电站户外设备上的使用要求。传感器分散布置在各个关键的监测点上,为了避免金属遮挡及阅读器接收信号弱的问题,系统工作时采用多天线方案,因此在阅读器中采用了HMC241多路选择开关,设计了4条通道。HMC241采用GaAs工艺制作,易受静电损伤,需对其进行防护。本文设计中采用ESD105-B1-02EL 瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor,TVS)进行防护。该TVS管具有防静电能力强、自身电容小的特点,适合用在外接天线的情况下。

阅读器的发射功率可自动调节。在应用中根据传感器返回信号的强弱,自动调节发射功率,做到在最小发射功率下有效读取传感器温度信息。

阅读器在变电站应用时,为了增加可靠性,对阅读器上的电源进行了相关的防护。本文采用了一款浪涌抑制芯片LTC4365-2。该芯片具有抑制浪涌、过流保护、过压保护、自动重新启动等特点。LTC4365-2芯片应用框图如图6所示。

工作中,电压限制门限ULIM为7.8 V,电流限制门限ILIM为1 A。

图6 LTC43652芯片应用框图

LTC4365-2的电流限制门限由RSNS决定,计算公式为

(6)

在1 A的电流限制门限下,RSNS可选用50 mΩ。

LTC4365-2的电压限制门限由R4和R5决定,计算公式为

.25 (V)

(7)

在7.8 V电压限制门限下,R4可选用27 kΩ,R5选用5.1 kΩ。

整个系统采用频分多址的方式工作,在户外工作时存在外界干扰,因此须对解析后的信号进行中值滤波。同时,在每次读取时进行干扰测试,避免阅读器读取错误的信号。

4 系统架构

阅读器采集到的温度数据,通过RS485总线上传到后端设备,系统架构如图7所示。

图7 系统架构示意

由于变电站中许多户外高压设备均要进行温度监测,因此一般要安装多套阅读器及对应的传感器。每套阅读器与对应的传感器之间是基于频分多址的方式工作,这样多套阅读器随机读取各自传感器时会发生相互干扰的问题。传统采用轮询工作的方式来解决此类干扰问题,即每次只有一台阅读器处于工作状态,其余阅读器处于停滞状态。这种处理方式时间利用率低,数据采集慢。应用中改用分时复用的方法,由后端设备控制及配置每个阅读器的工作状态,可排除阅读器之间的相互干扰,加速温度数据的读取效率。

5 系统应用实例

2014年9月,德清35 kV永安变电站户外高压设备上安装了声表面波温度在线监测系统,共包含10台阅读器,60个温度传感器,系统至今运行良好。每台阅读器采集的温度信息都会通过485总线,实时上传到后端设备上。后端设备会对收到的信息进行分析、存储,并把各监测点的温度信息显示在界面上。当温度出现异常时,系统会自动发出警告信息,用户收到警告后可及时定位故障点,从而有效避免相关事故的发生。

6 结 语

基于声表面波技术的变电站户外设备温度在线监测系统,集成了声表面波技术、射频技术、信号处理技术等,给户外高压设备测温提供了一种新的手段。该系统实现了户外设备关键点温度的实时监测与自动预警功能。基于声表面波温度传感器无源和无线的特性,该系统有效弥补了传统测温方式的不足,提高了变电站户外设备温度的监测效率和可靠性,为设备的安全运行提供了保障。