傳感器技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用范文

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《國家電網(wǎng)雜志》2014年第六期

傳感器測量系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理電路、顯示或記錄儀表、電源等組成，如圖2。依圖2分析，在電網(wǎng)環(huán)境中，可能對傳感器的性能產(chǎn)生影響的主要有以下幾個方面［9］:1)傳感器的測量能力:在電網(wǎng)環(huán)境中，有強(qiáng)的電磁干擾，傳感器能否正常工作是關(guān)鍵。2)轉(zhuǎn)換元件、測量電路、調(diào)理電路的信號處理能力:在電網(wǎng)環(huán)境中，各模塊對測量信號處理并放大輸出過程將受電磁干擾影響，測量信號處理能力減弱。3)各功能模塊和模塊間電路的抗干擾能力:在電網(wǎng)環(huán)境中，各功能模塊受各種影響，抗干擾能力降低，工作準(zhǔn)確度降低。4)各功能模塊的壽命與工作穩(wěn)定性:在電網(wǎng)環(huán)境中，傳感器工作環(huán)境特殊不易操作，且一旦發(fā)生故障易對安全運(yùn)行造成影響，因此，對傳感器整體壽命與穩(wěn)定性要求高。綜上分析，在電網(wǎng)環(huán)境中，對傳感器性能產(chǎn)生影響最常見的是電磁干擾，其次是設(shè)備供電、使用環(huán)境、設(shè)備壽命等問題。這些問題影響了傳感器工作的線性度、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等特性［10］。

1電磁干擾問題

在電網(wǎng)環(huán)境中，電磁干擾是對傳感器性能影響最大的因素，有必要從電磁干擾的形成、耦合方式、解決方法等對電磁干擾進(jìn)行深入分析［11］。

1．1電磁干擾的形式1)傳導(dǎo)干擾:沿導(dǎo)體傳播的電磁干擾即為傳導(dǎo)干擾，一般為高次諧波電源畸變、電壓波動、三相電壓不平衡、電力線載波影響等。在電網(wǎng)環(huán)境中，傳導(dǎo)性干擾源有:日光燈、信號線、電源線、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電力控制器、電暈等。2)輻射干擾:通過空間以電磁波形式傳播的電磁干擾即為輻射干擾。輻射干擾一般為感應(yīng)干擾、靜電耦合干擾、電磁輻射等。在電網(wǎng)環(huán)境中，輻射性干擾源有:諧振發(fā)生器、電機(jī)、開關(guān)電弧、固態(tài)開關(guān)、電力開關(guān)裝置、電力線、繼電器等。

1．2電磁干擾的耦合方式各種干擾通過耦合方式進(jìn)入傳感器系統(tǒng)，具體有以下幾種耦合方式:1)靜電電容耦合，是2個電路間存在寄生電容，干擾信號通過寄生電容耦合;2)電感耦合，是電路間存在互感，干擾信號通過互感耦合;3)共阻抗耦合，是2個電路存在公共阻抗，干擾信號通過公共阻抗耦合;4)漏電流耦合，是絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻的漏電流引起的干擾［12］。

1．3解決電磁干擾的方法必須對各種電磁干擾和耦合方式進(jìn)行研究，增強(qiáng)設(shè)備電磁兼容性，提高抗干擾能力［13］。根據(jù)電磁干擾的類型和特點(diǎn)，一般采取屏蔽、濾波和接地方法抑制電磁干擾。1)屏蔽具體方法有:靜電屏蔽是利用接地的金屬容器來隔斷容器內(nèi)外電聯(lián)系的技術(shù);電磁屏蔽是利用渦電流抵消高頻干擾磁場的影響，抗高頻電磁場干擾的技術(shù);低頻磁屏蔽是利用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，將干擾限制在屏蔽體內(nèi)部的抗低頻磁干擾的技術(shù);驅(qū)動屏蔽是使屏蔽層與被屏蔽導(dǎo)體電位相同的抗干擾技術(shù)［14］。2)濾波濾波是在信號通道中，接入與噪聲信號頻帶相應(yīng)的濾波器，達(dá)到抑制干擾的目的。濾波技術(shù)是濾除電源干擾的有效措施［15］，常用濾波方法有:交流電源進(jìn)線的對稱濾波、直流電源輸出的濾波、去耦濾波。3)接地接地技術(shù)是抑制干擾的一種重要措施，選擇合理的接地方式能夠有效地抑制干擾［16］，具體方式為:并聯(lián)單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。

2設(shè)備供電問題

在電網(wǎng)中，傳感器多工作于無法獲得外供電源或因安全原因無法接近的區(qū)域，必須采用電池供電，或電池儲能、可再生能源供電方式［17］。傳感器采用電池供電，節(jié)點(diǎn)部署容易，電池壽命短的問題［18］;使用可再生能量的關(guān)鍵技術(shù)是如何儲存能量，一般有2種技術(shù)，一是使用充電電池，電能利用率高但充電效率低，另一種是使用超級電容器，充電效率高但電容器自放電大。隨著傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器和網(wǎng)絡(luò)層方面取得了很大研究成果，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)量上增加同時尺寸也相應(yīng)減少，對于電源的體積、壽命和能量密度要求越來越嚴(yán)格，新的供電技術(shù)研究十分關(guān)鍵，除研究長壽命電池外，利用可再生能源，發(fā)展無壽命限制的自供電技術(shù)成為發(fā)展方向［19］。

3使用環(huán)境問題

電網(wǎng)覆蓋范圍廣，面對的應(yīng)用問題多，一般有高溫、高濕、低溫、高紫外線強(qiáng)度、環(huán)境污染等問題，面對這樣復(fù)雜的環(huán)境，對傳感器的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了嚴(yán)格要求［20］。以溫度而言，傳感器工作時其電子器件參數(shù)特性易受溫度影響，形成數(shù)據(jù)漂移，產(chǎn)生額外誤差，影響電路輸出信號測量精度。為避免環(huán)境溫度影響，在選用傳感器時應(yīng)確保環(huán)境溫度在其穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，若有必要，可換用對環(huán)境溫度變化不敏感的傳感器，或增加溫度補(bǔ)償?shù)却胧﹣肀ＷC測量精度。

4設(shè)備壽命問題

隨著電子設(shè)備在電網(wǎng)大量應(yīng)用，其可靠性越來越受到關(guān)注，它決定了電子設(shè)備或系統(tǒng)工作持續(xù)時間的長短，因此，可靠性是電子設(shè)備的一項(xiàng)重要性指標(biāo)。在可靠性檢驗(yàn)方法中，截尾試驗(yàn)方法、加速壽命試驗(yàn)方法以及基于灰色理論的電子設(shè)備壽命預(yù)測方法，均可以實(shí)現(xiàn)對電子設(shè)備可靠性的分析，在實(shí)際工作中可以利用這些理論研究并指導(dǎo)實(shí)踐工作［21］。傳感器屬于電子器件，與電網(wǎng)一次設(shè)備相比，使用壽命低，故障發(fā)生率偏高，嚴(yán)重時將影響正常運(yùn)行工作。為獲得高壽命傳感器:首先，在設(shè)備選用時，對設(shè)備要進(jìn)行認(rèn)真甄別篩選，確保設(shè)備運(yùn)行可靠。其次，應(yīng)認(rèn)真研究系統(tǒng)運(yùn)行方式，對重點(diǎn)環(huán)節(jié)要加強(qiáng)防塵、防潮、防靜電等措施，必要時設(shè)計(jì)設(shè)備冗余。最后，妥善設(shè)計(jì)供電方案，應(yīng)考慮傳感器壽命及故障率影響，滿足供電質(zhì)量要求。此外，在產(chǎn)品的工藝上，傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊，減少易受干擾環(huán)節(jié)，提高設(shè)備穩(wěn)定性，采用集成數(shù)字化或光學(xué)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的傳感器，可直接生成不易受干擾的傳輸量。要根據(jù)傳感器安裝環(huán)境進(jìn)行認(rèn)真研究，選擇適合的傳感器，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，只有這樣才能確保檢測準(zhǔn)確同時，設(shè)備壽命獲得延長。

5結(jié)束語

本文重點(diǎn)對電磁干擾、設(shè)備供電、使用環(huán)境以及設(shè)備壽命等進(jìn)行分別分析，并提出解決辦法，對提高傳感器的使用穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、安全性等具有重要作用，對于傳感器在電網(wǎng)的應(yīng)用有很大幫助。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜電磁環(huán)境，系統(tǒng)中設(shè)備的抗干擾尤為重要，但是盲目地提高抗干擾性，勢必造成設(shè)備成本的增加，對電磁環(huán)境進(jìn)行研究，按照設(shè)備的安裝位置和傳輸電磁干擾的設(shè)備端口對環(huán)境分類，對選擇抗干擾性試驗(yàn)和合理改善設(shè)備的抗干擾性是十分重要的。為了更好的發(fā)展傳感技術(shù)，通過對其在電網(wǎng)應(yīng)用中面臨問題的深入研究，進(jìn)而提出解決辦法，可對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

作者：李慕峰王煥娟李云龍單位：國網(wǎng)電力科學(xué)研究院