林珊珊 ,趙明敏 ,任孝武 ,周嫻姊 ,楊志超 ,王海寶 ,趙 鵬

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192;2.北京智芯微電子科技有限公司,北京 100192)

0 引言

在電力設(shè)備運行參數(shù)中,溫度是一項體現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的重要特征。長期以來,設(shè)備溫度無法實時監(jiān)測一直是設(shè)備運行管理工作中的重要問題,因溫度過高而造成的事故已屢見不鮮。傳統(tǒng)的人工巡檢,需要變電站工作人員手持紅外測溫設(shè)備定期到變電站設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行溫度測量,工作量大、效率低,不能實時監(jiān)測溫度且存在巡檢盲區(qū)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大和設(shè)備數(shù)量的迅速增加,傳統(tǒng)的運檢手段已不能滿足現(xiàn)代運維的新需求,迫切需要有效的在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)[1-2]。

隨著傳感器技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展,電力設(shè)備監(jiān)測傳感器在輸變電領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多,其使用過程中暴露出的一些技術(shù)問題也越來越引起研究者的關(guān)注[3]。一是亟待開發(fā)一種自取能無源傳感器,既能保證傳感器部署的靈活性,又能解決電力設(shè)備監(jiān)測長期困擾的現(xiàn)場穩(wěn)定供電難題。二是亟需開發(fā)一種能夠在變電站復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作的高可靠性無線傳感器。測溫傳感器運行于高壓設(shè)備旁或與高壓設(shè)備集成,復(fù)雜的電磁環(huán)境是降低其可靠性的重要因素。較強的電磁干擾信號引起的感應(yīng)電壓電流可能導(dǎo)致內(nèi)部芯片燒毀,形成永久性破壞;可能影響其正常工作,造成傳輸數(shù)據(jù)錯誤,導(dǎo)致誤報警,引起變電站設(shè)備停運等嚴(yán)重?fù)p失。

綜合考慮以上問題,研究、設(shè)計了一種高可靠的無源無線溫度傳感器設(shè)備。該設(shè)備由無源無線傳感器及其讀寫設(shè)備組成?；跍囟葌鞲衅髟O(shè)備實際運行環(huán)境,通過測試分析等方法掌握傳感器設(shè)備實際運行的電磁環(huán)境,并采用電磁兼容試驗分析導(dǎo)致無源溫度芯片傳感設(shè)備失效的電磁干擾因素。針對薄弱環(huán)節(jié)提出傳感器可靠性設(shè)計方法,給出防護(hù)措施,保障其能夠讀取有效溫度數(shù)據(jù),對電力設(shè)備的穩(wěn)定在線溫度監(jiān)測具有重要意義。

1 無源無線測溫芯片傳感器設(shè)備

無源無線測溫傳感器設(shè)備主要由兩部分組成:無源芯片傳感器標(biāo)簽部分和讀寫器部分。其中,無源傳感器標(biāo)簽放置于變電站設(shè)備附近或者與設(shè)備集成,通過無線方式將溫度數(shù)據(jù)傳遞到讀寫器部分;讀寫器通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)傳到計算機端,并通過終端軟件實時監(jiān)測設(shè)備溫度。

無源傳感器標(biāo)簽通過在讀寫器天線的遠(yuǎn)場和近場范圍內(nèi)獲取電磁能,并轉(zhuǎn)換成所需要的電能,激發(fā)芯片內(nèi)部的溫度感知單元感知設(shè)備溫度信息,并向讀寫器返回應(yīng)答信號;通過基于射頻識別(radio frequency identification,RFID)原理的超高頻溫度傳感技術(shù)精確測量其變化量度量物理量變化?；赗FID 原理的射頻溫度傳感器具有無源無線的特性,適用于監(jiān)測變電站設(shè)備的溫度。射頻溫度傳感器需要具備導(dǎo)熱性能良好、低介電損耗和穩(wěn)定諧振頻率溫度系數(shù)等特性。因此選用微波介質(zhì)陶瓷。本項目測溫傳感器采用的是ZnNb2O6、ZnAl2O4和Zn3Nb2O8共存的復(fù)相結(jié)構(gòu)陶瓷(簡稱ZZZ 陶瓷)。在微波頻率下,這種陶瓷的微波介電常數(shù)穩(wěn)定在21～24 之間,品質(zhì)因數(shù)與頻率之積值(Q×f值)穩(wěn)定在30 000～85 000 之間。ZZZ 陶瓷的Q×f值、諧振頻率溫度系數(shù)及微波介電常數(shù)隨著ZnAl2O4能含量的增加而減小,溫度穩(wěn)定性提高[4-5]。

無源芯片傳感技術(shù)集成了傳感技術(shù)與RFID 技術(shù)的優(yōu)勢,可實現(xiàn)無源無線的方式,為傳感器自主供能,可解決長期困擾電力設(shè)備監(jiān)測裝置穩(wěn)定供電和通信方式的難題。其無源無線的技術(shù)特征也可大幅增強監(jiān)測裝置的靈活性。

1.1 無源溫度芯片傳感器天線設(shè)計

無線功率傳輸(wireless power transmission,WPT)基于整流二極管,采用整流二極管天線電路,實現(xiàn)了從RF 信號到DC 信號的能量轉(zhuǎn)換。無源溫度芯片傳感器天線接收到的功率Ptag符合弗里斯傳輸公式[6],在距離R處自由空間中的功率密度S為:

式中:Peirp為天線的等效全向輻射功率;PT為讀寫器天線接收功率;GT為讀寫器天線增益。

定義Ae為傳感器天線的有效孔徑,可表示為:

式中:λ為自由空間中的波長;Gtag為傳感器天線的增益。

由此可得傳感器天線接收到的功率Ptag為:

考慮到傳感器天線的對準(zhǔn)方位不確定,因此并非理想極化方向,定義傳感器天線極化匹配系數(shù)為a(0＜a＜1),傳感器天線與傳感器芯片的阻抗匹配系數(shù)為b(0＜b＜1)。

則芯片內(nèi)部實際接收到的功率為:

傳感器天線會將實際接收到的除功率之外的剩余功率反射回接收天線。利用這種反向調(diào)制方式將溫度信號返回到讀寫器天線,可實現(xiàn)芯片傳感器與讀寫器之間的溫度數(shù)據(jù)傳輸。讀寫器天線接收到的剩余功率為:

式中:GT為讀寫器天線的增益。

由以上分析可知,傳感器天線的接收功率隨著R2衰減,讀寫器天線接收的剩余功率隨著R4衰減。R為讀寫器天線和傳感器天線之間的距離。傳感器需要通過讀寫器天線發(fā)射的電磁波取能。由于讀寫器天線發(fā)射功率是固定的,因此傳感器的功耗越大,RFID 的讀寫距離越小。通過以上公式,可以計算得到傳感器芯片的功耗最大值、讀寫距離和讀寫器靈敏度等重要參數(shù)。結(jié)合實際需求,對無源無線測溫設(shè)備進(jìn)行設(shè)計,規(guī)范其中各個模塊的功耗、性能等指標(biāo)。無源芯片傳感器天線配合芯片仿真設(shè)計后,使得RFID 頻段為902～928 MHz。

溫度傳感器方向圖如圖1 所示。

圖1 溫度傳感器方向圖Fig.1 Direction diagram of temperature sensor

1.2 無源溫度芯片傳感器讀寫器裝置

讀寫器裝置是測溫設(shè)備的無線接收部分。其硬件結(jié)構(gòu)主要由三部分組成:數(shù)字電路處理部分、模擬電路部分以及射頻電路部分。讀寫器和無源芯片傳感器之間采用半雙工通信方式,同時讀寫器通過天線向傳感器提供能量和時序。讀寫器作為收發(fā)一體的通信系統(tǒng),其調(diào)制形式為調(diào)幅,發(fā)射載波頻率為800～950 MHz。讀寫器使用的天線增益在0～12 dB 之間,并采用定向天線,以控制讀取場區(qū)和讀取方向。變電站某些設(shè)備因為安全距離要求,對在線溫度監(jiān)測設(shè)備的讀寫距離要求較高。結(jié)合實際現(xiàn)場應(yīng)用情況,需要一款讀取距離大于3 m 的超高頻RFID 無線接收裝置產(chǎn)品。智芯公司研發(fā)的無線接收裝置的接收靈敏度優(yōu)于-84 dB,最大輸出功率為30 dB,整體功耗優(yōu)于市場同類產(chǎn)品,配合高靈敏度無源測溫芯片標(biāo)簽,可以滿足讀取距離大于3～5 m 的要求。

2 變電站電磁環(huán)境與設(shè)備耦合機理分析

無源無線溫度監(jiān)測設(shè)備用于變電站電力設(shè)備,變電站由于集成了眾多一次設(shè)備和二次設(shè)備,且有開關(guān)、拉合刀閘等操作,因此電磁環(huán)境較為復(fù)雜、電磁騷擾幅值較大。電磁騷擾包括開關(guān)操作等導(dǎo)致的輻射騷擾,以及各種電容電感裝置產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾[7]。電磁騷擾根據(jù)耦合方式的不同分為傳導(dǎo)耦合和場耦合。傳導(dǎo)耦合是電磁干擾通過線路內(nèi)部傳導(dǎo)進(jìn)入敏感設(shè)備。場耦合是電磁干擾通過電容電感耦合進(jìn)入敏感設(shè)備[8-9]。

測溫裝置讀寫器的外接線纜包括交流供電電源線、與射頻終端相連的同軸線以及與計算機相連的RS-232 線纜。由于交流電源線接地,開關(guān)操作時產(chǎn)生的地電位升可通過地線傳入讀寫設(shè)備[10-11]。同時,開關(guān)操作產(chǎn)生的高頻電壓電流信號能夠在空間中激發(fā)電磁場。該空間電磁場可通過設(shè)備端口的線纜耦合進(jìn)入內(nèi)部,從而對其造成干擾。讀寫設(shè)備外接端口較多,因此本文重點分析讀寫器的電磁兼容性能。讀寫器電磁騷擾耦合路徑如圖2 所示。

圖2 讀寫器電磁騷擾耦合路徑Fig.2 Coupling path of electromagnetic disturbance in reader

2.1 空間暫態(tài)干擾仿真分析

變電站開關(guān)操作可產(chǎn)生較大的電磁騷擾信號,是引發(fā)設(shè)備故障的主要原因之一[12]。中國電科院調(diào)研實測得到的變電站開關(guān)操作導(dǎo)致的暫態(tài)空間電磁干擾波形如圖3 所示。

圖3 暫態(tài)空間電磁干擾波形Fig.3 Electromagnetic interference waveform in transient space

將測試所得空間暫態(tài)干擾信號導(dǎo)入仿真軟件,以暫態(tài)平面波形式輻射讀寫設(shè)備,并分別在同軸線纜芯線、電源線內(nèi)部以及屏蔽232 線纜內(nèi)部加入探針。仿真所得的、由空間輻射導(dǎo)致的不同線纜內(nèi)部的感應(yīng)電壓波形如圖4 所示。由圖4 可知,不同的線纜類型對于空間暫態(tài)干擾的感應(yīng)耦合電壓不同。電源線由于沒有屏蔽層,感應(yīng)電壓峰值可達(dá)13 V 左右;同軸線和屏蔽232 線纜由于有金屬屏蔽層,屏蔽效果較好,內(nèi)部芯線的感應(yīng)電壓峰值均小于0.05 V。電源線上的感應(yīng)干擾電壓會對內(nèi)部的電路芯片級印刷電路板(printed circuit board,PCB)造成影響。因此,在電磁環(huán)境較為復(fù)雜的變電站,設(shè)備的外接線纜使用屏蔽線纜是有效防護(hù)空間干擾的有效措施。

圖4 空間輻射導(dǎo)致的不同線纜內(nèi)部的感應(yīng)電壓波形Fig.4 Induced voltages waveforms in different cables caused by space radiation

2.2 電磁兼容試驗分析與性能提升

為驗證測溫設(shè)備對變電站其他電磁騷擾的抗擾度情況,進(jìn)一步考核其在干擾情況下是否能正常工作,依據(jù)變電站設(shè)備的相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)[13-14],在中國電科院電磁兼容實驗室對整套測溫設(shè)備進(jìn)行了輻射抗擾度、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度、浪涌、電快速瞬變脈沖群、阻尼振蕩波、低頻共模傳導(dǎo)、工頻磁場、阻尼振蕩磁場、脈沖磁場相應(yīng)等級的電磁兼容試驗。試驗結(jié)果表明,讀寫設(shè)備對電源端口電快速瞬變脈沖群的防護(hù)能力較弱,在電腦終端讀取溫度信號時會出現(xiàn)短時丟包現(xiàn)象。為了進(jìn)一步提高設(shè)備的抗擾度,本文進(jìn)行了性能提升與試驗驗證研究。

對電磁干擾的防護(hù)主要有三個方面:電磁屏蔽、EMI 濾波以及接地技術(shù)[12]。本文通過設(shè)計一種即插即用的電源端口濾波器,實現(xiàn)測溫芯片讀寫器設(shè)備的電磁干擾防護(hù)。電源濾波器原理如圖5 所示。

圖5 電源濾波器原理圖Fig.5 Schematic diagram of power filter

結(jié)合試驗干擾波特性與設(shè)備的抗擾特性仿真分析,得到具體參數(shù)為:C1、C4取值為1 μF;C2、C3取值為472 pF;L1取值為1.5 mH;L2取值為3 mH;L3、L4取值為75 μH。將設(shè)計的濾波器進(jìn)行實物加工,測得幅值抑制比約為6.3,再將濾波器串聯(lián)進(jìn)電源端口進(jìn)行試驗驗證。重復(fù)前述抗擾度試驗,順利通過包括電快速瞬變脈沖群抗擾度在內(nèi)的試驗。試驗過程中,芯片讀寫設(shè)備能夠穩(wěn)定讀取顯示芯片標(biāo)簽的溫度信號,驗證了濾波器對電快速瞬變脈沖群的有效防護(hù)。

3 結(jié)論

基于復(fù)相結(jié)構(gòu)陶瓷研發(fā)的無源無線測溫傳感器,可用于監(jiān)測變電站設(shè)備的溫度。通過對變電站電磁環(huán)境的現(xiàn)場采集試驗,分析了電磁騷擾耦合機理,進(jìn)一步在試驗室進(jìn)行了電磁兼容抗擾度試驗,并針對薄弱環(huán)節(jié)提出了抗擾度提升措施,保障了設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的安全、可靠運行。無源無線溫度傳感器能夠減少人工巡檢的工作量,能夠應(yīng)用于無人值守的智能變電站,降低變電站設(shè)備因溫度過高導(dǎo)致的故障率。