声表面波测温技术读写器硬件设计讨论

摘要：目前，开关柜在高压变电站内应用广泛，其触头测温是安全生产中很重要的一环，但是因为高压设备的特殊性，普通方法难以测量，本文中使用的无源测温方案，提出了读写器设备的硬件设计思路。本文从读写器的系统组成，电磁干扰的硬件保护，施工安装方面进行了细致的讨论。

关 键 词：mcu+dsp组合；电磁防护；电压分配计算

一、前言

随着社会经济的发展，对电力电网安全可靠运行的要求越来越高，建设坚强智能电网的目的也在于此。国内外的实践表明，对设备进行状态检修及故障诊断是提高设备可靠性的经济、有效手段，而对设备的各种物理参量进行在线监测是状态检修的基础。

开关柜内的高压开关触头、母排进出线接头等部位由于是接触连接实现导电，在长期运行中，会由于老化、螺栓松动等原因导致接触电阻变大而发热，致使连接处温度升高。触点或连接点处温度升高，会使其接触电阻进一步变大，从而产生更多的热量、接触电阻进一步变大，形成恶性循环，最终导致火灾事故，引起故障。对这些连接位置进行在线温度监测可实现及时预警、及时检修，从而避免事故，提高供电可靠性。

开关柜在高压变电站内应用广泛，其触头测温是安全生产中很重要的一环，但是因为高压设备的特殊性，普通方法难以测量，本文中使用的无源测温方案，高压侧的传感器无需电源即可工作（利用了声表面波原理），正是适合开关柜触头测温。

二、测温新技术讨论

（一）无线无源测温新技术简介

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波，其工作原理是，基片上换能器（输入换能器）通过逆压电效应将输入的射频转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片左边的发射器（输出换能器）将声信号转变成射频应答信号输出。如下图所示。

同时，射频信号与温度存在如图2所示的线性关系：

根据上图温度与频率的线性关系，利用信号收发设备收到的频率信号即可获知温度，如上所示，传感器工作的频率在433MHz附近，而测量温度的精度为0.1度。

此测温技术的无线方式有效的隔离了高压与低压区域；同时，由于传感器工作不需要电源，在安装检修不便的开关柜内正好有了用武之地。本文讨论了此测温方式的读写设备硬件设计，讨论了以下几个关键的设计要点：

（二）主处理芯片的使用方式

一次简单的温度请求，实际上是一系列的工作：

1.发送温度请求命令；

2.分析本次请求是针对哪个传感器、哪个天线，查表确定发送频率；

3.控制RF芯片进行射频信号发送，接收反射回来的射频信号，分析反射回来的射频信号的频率；

4.以上一个步骤循环20次；

5.得到反射信号的频率均值，同时得到的，还有反射回来的信号强度；

6.设备计算反射信号与校准温度的信号值间的差值，从而得到传感器的温度；

7.将得到的温度数据返回。

整个读写器的逻辑功能包括：请求传感器温度、频率、信号强度，配置读写器运行参数和传感器参数，校正传感器温度，自动轮询温度，应用modbus协议通讯。之前主流的方式是使用一个DSP完成这所有的任务，但是，DSP不擅长逻辑控制。使用DSP进行任务处理和数据分析，对设备的工作效率有很大的影响，同时，这种方式也会增加程序的复杂性。

本文设计将DSP和MCU分开，同时使用两个主芯片完成工作内容，将是革命性的变化：

MCU使用状态机机制，专门处理各种请求以及保证系统的正常运行状态，避免因为处理数据量过大而导致系统死机。

MCU的功能：负责外部接口通讯、处理外部请求、系统的运行、与DSP通讯、温度数据的校正、传感器配置定义等。MCU负责所有的逻辑控制和任务管理，包括数据传输的协议实现等等，而不再涉及计算、推演和滤波处理，仅仅缓存处理完成后的数据，实现各种方面的需求。

DSP功能：控制射频芯片进行射频发送与接收、对接收与发送的RF数据进行处理、数据滤波。使用DSP专门处理射频数据，收集及分析，全权负责数据的接收和接下来的高速运算、滤波、校正过程。

明确的分工，大大的提高了工作效率，也降低了系统的复杂性，运行出现故障的几率大大降低。

（三）浪涌群脉冲等电磁测试防护

本节讨论电气保护措施。为了保证设备在高压开关柜内安全运行，必须满足《Q/GDW 540.1-2010 变电设备在线监测装置检验规范 第1部分：通用检验规范》中的所有要求，其中，关于电磁方面比较难以达到的要求有：

电快速瞬变脉冲群抗扰度测试：按照“GB/T 17626.4电磁兼容、试验和测量技术、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验”中规定，装置应能承受GB/T 17626.4规定的严酷等级为4级的电快速瞬变脉冲群干扰，试验电压：电源端口4kV，数据端口2kV；

浪涌（冲击）抗扰度测试：按照“GB/T 17626.5 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验”中规定，装置应能承受GB/T 17626.5规定的严酷等级为4级的浪涌（冲击）干扰，试验电压：4kV；

这样的要求，对于电子设备来说，非常严格，对于硬件的电气设计要求很高，对于端口的电压冲击，我们设计了以下的应对措施：

首先讨论18-36V电源输入的防护：

如图4所示，气体放电管，选型GQF3R075NRM。因为平时电源是18-36V，会低于它的50V的放电截止电压，所以不会发生续流现象，不需要串联MOV。

浪涌的上升沿是dV/dT，本测试要求是冲击脉冲为4kV/1.5us，所以电压上升率2.667kV/us，气体放电管GQF3R075NRM在应对此等级冲击脉冲时，会在电压上升到750V之前动作。达到此电压需要时间大概是0.28us，加上0.1us的反应时间，我们使用0.4us作为峰值时刻，在此之后，气体放电管开始作用，开始保护电路。但是在保护时刻0.4us之前，瞬间电流会比较大，保险丝可能会断开，就需要额外的保护了。增加一个电感，100uH：

在气体放电管的峰值电压时刻0.4us时，通过电感的电流i=2.2A，电流限制效果明显，保险丝此时不会断开。

同时电源芯片还有第二级保护：TVS管。如图5所示。气体放电管和TVS管组合，可以完美的保护电路，气体放电管主要针对瞬间比较大的电流，可以用于防止信号回路中随机出现的高压冲击。TVS瞬态电压抑制器主要用于ESD静电放电防护，电流相对较小，持续时间很短，但是响应速度极快。

很重要的，如图5，在各个端口之间加上10nF/2kV的电容，有利于通过瞬变的电流，大大提高设备的安全性。

对于485数据接口，处理方法又有不同：

如图5所示，大电流大电压的保护依靠TBU-CA085-300-WH和压敏电阻+气体放电管组合： TBU-CA085-300-WH在电流大于300mA时，会瞬时限制电流至极低（50Vdc下为0.5mA），但是本器件耐压为瞬时脉冲电压850V。所以需要辅助限压器件：压敏电阻+气体放电管组合，它们可以将电压限制在800V之下；

瞬变电压不大没有启动一级保护的情况下，二级保护P40-G240-WH和TISP4015L1BJ到作用：P40-G240-WH同样起到限制电流的作用，但是最大承受电压为40V；TISP4015L1BJ可以在电压大于40V的时刻短路，瞬间拉低电压至0，起到限制电压的作用。

可以看到，对485接口的保护比电源接口的保护要细致的多，因为电源芯片的抗干扰，抗冲击能力强于485芯片，同时电源端有大容量的电容作为储能保护器件。

（四）串联读写器设备的电源电压分配计算

所有读写器设备通过总线形式安装，共用一个电源总线，这样，就需要对实际安装时候的电源电压进行计算，确保每一台设备的电压足够，不至于因为长布线影响设备运行。

设备的电压计算公式用推导法得出：

其中：

为下一个读写器的电压值；

为下一个读写器与本读写器之间的电源总线的电流值；

ρ、L、S为导线的电阻率、两个读写器间的电源导线长度（正极线和负极线之和）、横截面积；

P为读写器的功率。

按照读写器一共20台，功率为3W，ρ、L、S为别为1.75 × 10-8 Ωm、15m、 1.5（mm）2来计算，可以得到，当最后一个读写器的电压为20V的时候，第一个读写器的电压为24.80V，总线最大电流为2.78A。读写器本身设计输入电压是18～36V，总线方式安装后，电压降幅为4.8V，电流小于此规格电线的额定电流，经过实际安装检验，可以满足需求。

三、结论

以上讨论了SAW测温读写器的硬件设计要点，MCU+DSP组合保证了系统的稳定运行，高等级的电气防护措施保证了设备的稳定运行，周密的计算保证了实际的合理安装。为了满足稳定运行，设备设计上从硬件到软件全面考量，务求设备安全稳定，高性能的设备保证了测温设备在开关柜中的稳定运行，为电力安全生产提供了强有力的保障。

参考文献：

1.Q/GDW540.1-2010 变电设备在线监测装置检验规范[J]. 第1部分：通用检验规范.国家电网公司，2011-01-28.

2.鞠平.电力工程[M]. 机械工业出版社，2009.

3.冯军.智能变电站原理及测试技术[M].中国电力出版社，2011.

4.张培仁.传感器原理、检测及应用[M].清华大学出版社，2012.

（作者陈高其系宁波余姚市供电局工程师；任恒杰系宁波余姚市供电局工程师；黄永钦为宁波余姚市供电局工程师）