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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)
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)