变电站用测温设备及其电磁兼容性能研究

林珊珊 ,赵明敏 ,任孝武 ,周娴姊 ,杨志超 ,王海宝 ,赵 鹏

(1.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192;2.北京智芯微电子科技有限公司,北京 100192)

0 引言

在电力设备运行参数中,温度是一项体现设备运行状态的重要特征。长期以来,设备温度无法实时监测一直是设备运行管理工作中的重要问题,因温度过高而造成的事故已屡见不鲜。传统的人工巡检,需要变电站工作人员手持红外测温设备定期到变电站设备现场进行温度测量,工作量大、效率低,不能实时监测温度且存在巡检盲区。随着电网规模的不断增大和设备数量的迅速增加,传统的运检手段已不能满足现代运维的新需求,迫切需要有效的在线温度监测系统[1-2]。

随着传感器技术和集成电路技术的发展,电力设备监测传感器在输变电领域的应用逐渐增多,其使用过程中暴露出的一些技术问题也越来越引起研究者的关注[3]。一是亟待开发一种自取能无源传感器,既能保证传感器部署的灵活性,又能解决电力设备监测长期困扰的现场稳定供电难题。二是亟需开发一种能够在变电站复杂电磁环境中正常工作的高可靠性无线传感器。测温传感器运行于高压设备旁或与高压设备集成,复杂的电磁环境是降低其可靠性的重要因素。较强的电磁干扰信号引起的感应电压电流可能导致内部芯片烧毁,形成永久性破坏;可能影响其正常工作,造成传输数据错误,导致误报警,引起变电站设备停运等严重损失。

综合考虑以上问题,研究、设计了一种高可靠的无源无线温度传感器设备。该设备由无源无线传感器及其读写设备组成。基于温度传感器设备实际运行环境,通过测试分析等方法掌握传感器设备实际运行的电磁环境,并采用电磁兼容试验分析导致无源温度芯片传感设备失效的电磁干扰因素。针对薄弱环节提出传感器可靠性设计方法,给出防护措施,保障其能够读取有效温度数据,对电力设备的稳定在线温度监测具有重要意义。

1 无源无线测温芯片传感器设备

无源无线测温传感器设备主要由两部分组成:无源芯片传感器标签部分和读写器部分。其中,无源传感器标签放置于变电站设备附近或者与设备集成,通过无线方式将温度数据传递到读写器部分;读写器通过有线或者无线的方式将数据传到计算机端,并通过终端软件实时监测设备温度。

无源传感器标签通过在读写器天线的远场和近场范围内获取电磁能,并转换成所需要的电能,激发芯片内部的温度感知单元感知设备温度信息,并向读写器返回应答信号;通过基于射频识别(radio frequency identification,RFID)原理的超高频温度传感技术精确测量其变化量度量物理量变化。基于RFID 原理的射频温度传感器具有无源无线的特性,适用于监测变电站设备的温度。射频温度传感器需要具备导热性能良好、低介电损耗和稳定谐振频率温度系数等特性。因此选用微波介质陶瓷。本项目测温传感器采用的是ZnNb2O6、ZnAl2O4和Zn3Nb2O8共存的复相结构陶瓷(简称ZZZ 陶瓷)。在微波频率下,这种陶瓷的微波介电常数稳定在21～24 之间,品质因数与频率之积值(Q×f值)稳定在30 000～85 000 之间。ZZZ 陶瓷的Q×f值、谐振频率温度系数及微波介电常数随着ZnAl2O4能含量的增加而减小,温度稳定性提高[4-5]。

无源芯片传感技术集成了传感技术与RFID 技术的优势,可实现无源无线的方式,为传感器自主供能,可解决长期困扰电力设备监测装置稳定供电和通信方式的难题。其无源无线的技术特征也可大幅增强监测装置的灵活性。

1.1 无源温度芯片传感器天线设计

无线功率传输(wireless power transmission,WPT)基于整流二极管,采用整流二极管天线电路,实现了从RF 信号到DC 信号的能量转换。无源温度芯片传感器天线接收到的功率Ptag符合弗里斯传输公式[6],在距离R处自由空间中的功率密度S为:

式中:Peirp为天线的等效全向辐射功率;PT为读写器天线接收功率;GT为读写器天线增益。

定义Ae为传感器天线的有效孔径,可表示为:

式中:λ为自由空间中的波长;Gtag为传感器天线的增益。

由此可得传感器天线接收到的功率Ptag为:

考虑到传感器天线的对准方位不确定,因此并非理想极化方向,定义传感器天线极化匹配系数为a(0＜a＜1),传感器天线与传感器芯片的阻抗匹配系数为b(0＜b＜1)。

则芯片内部实际接收到的功率为:

传感器天线会将实际接收到的除功率之外的剩余功率反射回接收天线。利用这种反向调制方式将温度信号返回到读写器天线,可实现芯片传感器与读写器之间的温度数据传输。读写器天线接收到的剩余功率为:

式中:GT为读写器天线的增益。

由以上分析可知,传感器天线的接收功率随着R2衰减,读写器天线接收的剩余功率随着R4衰减。R为读写器天线和传感器天线之间的距离。传感器需要通过读写器天线发射的电磁波取能。由于读写器天线发射功率是固定的,因此传感器的功耗越大,RFID 的读写距离越小。通过以上公式,可以计算得到传感器芯片的功耗最大值、读写距离和读写器灵敏度等重要参数。结合实际需求,对无源无线测温设备进行设计,规范其中各个模块的功耗、性能等指标。无源芯片传感器天线配合芯片仿真设计后,使得RFID 频段为902～928 MHz。

温度传感器方向图如图1 所示。

图1 温度传感器方向图Fig.1 Direction diagram of temperature sensor

1.2 无源温度芯片传感器读写器装置

读写器装置是测温设备的无线接收部分。其硬件结构主要由三部分组成:数字电路处理部分、模拟电路部分以及射频电路部分。读写器和无源芯片传感器之间采用半双工通信方式,同时读写器通过天线向传感器提供能量和时序。读写器作为收发一体的通信系统,其调制形式为调幅,发射载波频率为800～950 MHz。读写器使用的天线增益在0～12 dB 之间,并采用定向天线,以控制读取场区和读取方向。变电站某些设备因为安全距离要求,对在线温度监测设备的读写距离要求较高。结合实际现场应用情况,需要一款读取距离大于3 m 的超高频RFID 无线接收装置产品。智芯公司研发的无线接收装置的接收灵敏度优于-84 dB,最大输出功率为30 dB,整体功耗优于市场同类产品,配合高灵敏度无源测温芯片标签,可以满足读取距离大于3～5 m 的要求。

2 变电站电磁环境与设备耦合机理分析

无源无线温度监测设备用于变电站电力设备,变电站由于集成了众多一次设备和二次设备,且有开关、拉合刀闸等操作,因此电磁环境较为复杂、电磁骚扰幅值较大。电磁骚扰包括开关操作等导致的辐射骚扰,以及各种电容电感装置产生的传导骚扰[7]。电磁骚扰根据耦合方式的不同分为传导耦合和场耦合。传导耦合是电磁干扰通过线路内部传导进入敏感设备。场耦合是电磁干扰通过电容电感耦合进入敏感设备[8-9]。

测温装置读写器的外接线缆包括交流供电电源线、与射频终端相连的同轴线以及与计算机相连的RS-232 线缆。由于交流电源线接地,开关操作时产生的地电位升可通过地线传入读写设备[10-11]。同时,开关操作产生的高频电压电流信号能够在空间中激发电磁场。该空间电磁场可通过设备端口的线缆耦合进入内部,从而对其造成干扰。读写设备外接端口较多,因此本文重点分析读写器的电磁兼容性能。读写器电磁骚扰耦合路径如图2 所示。

图2 读写器电磁骚扰耦合路径Fig.2 Coupling path of electromagnetic disturbance in reader

2.1 空间暂态干扰仿真分析

变电站开关操作可产生较大的电磁骚扰信号,是引发设备故障的主要原因之一[12]。中国电科院调研实测得到的变电站开关操作导致的暂态空间电磁干扰波形如图3 所示。

图3 暂态空间电磁干扰波形Fig.3 Electromagnetic interference waveform in transient space

将测试所得空间暂态干扰信号导入仿真软件,以暂态平面波形式辐射读写设备,并分别在同轴线缆芯线、电源线内部以及屏蔽232 线缆内部加入探针。仿真所得的、由空间辐射导致的不同线缆内部的感应电压波形如图4 所示。由图4 可知,不同的线缆类型对于空间暂态干扰的感应耦合电压不同。电源线由于没有屏蔽层,感应电压峰值可达13 V 左右;同轴线和屏蔽232 线缆由于有金属屏蔽层,屏蔽效果较好,内部芯线的感应电压峰值均小于0.05 V。电源线上的感应干扰电压会对内部的电路芯片级印刷电路板(printed circuit board,PCB)造成影响。因此,在电磁环境较为复杂的变电站,设备的外接线缆使用屏蔽线缆是有效防护空间干扰的有效措施。

图4 空间辐射导致的不同线缆内部的感应电压波形Fig.4 Induced voltages waveforms in different cables caused by space radiation

2.2 电磁兼容试验分析与性能提升

为验证测温设备对变电站其他电磁骚扰的抗扰度情况,进一步考核其在干扰情况下是否能正常工作,依据变电站设备的相关电磁兼容标准[13-14],在中国电科院电磁兼容实验室对整套测温设备进行了辐射抗扰度、射频场感应的传导抗扰度、浪涌、电快速瞬变脉冲群、阻尼振荡波、低频共模传导、工频磁场、阻尼振荡磁场、脉冲磁场相应等级的电磁兼容试验。试验结果表明,读写设备对电源端口电快速瞬变脉冲群的防护能力较弱,在电脑终端读取温度信号时会出现短时丢包现象。为了进一步提高设备的抗扰度,本文进行了性能提升与试验验证研究。

对电磁干扰的防护主要有三个方面:电磁屏蔽、EMI 滤波以及接地技术[12]。本文通过设计一种即插即用的电源端口滤波器,实现测温芯片读写器设备的电磁干扰防护。电源滤波器原理如图5 所示。

图5 电源滤波器原理图Fig.5 Schematic diagram of power filter

结合试验干扰波特性与设备的抗扰特性仿真分析,得到具体参数为:C1、C4取值为1 μF;C2、C3取值为472 pF;L1取值为1.5 mH;L2取值为3 mH;L3、L4取值为75 μH。将设计的滤波器进行实物加工,测得幅值抑制比约为6.3,再将滤波器串联进电源端口进行试验验证。重复前述抗扰度试验,顺利通过包括电快速瞬变脉冲群抗扰度在内的试验。试验过程中,芯片读写设备能够稳定读取显示芯片标签的温度信号,验证了滤波器对电快速瞬变脉冲群的有效防护。

3 结论

基于复相结构陶瓷研发的无源无线测温传感器,可用于监测变电站设备的温度。通过对变电站电磁环境的现场采集试验,分析了电磁骚扰耦合机理,进一步在试验室进行了电磁兼容抗扰度试验,并针对薄弱环节提出了抗扰度提升措施,保障了设备在复杂电磁环境下的安全、可靠运行。无源无线温度传感器能够减少人工巡检的工作量,能够应用于无人值守的智能变电站,降低变电站设备因温度过高导致的故障率。