声表面波技术在电力开关柜测温系统中的应用

                     上海舟神电力科技有限公司陈勇总经理

I.  引言

温度监测在电力系统安全运行方面具有重要的作用，尤其目前国家正在大力发展智能电网，适合电力的温度监测装置将具有非常大的市场。电力设备因为带有高压，通常不允许采用有线的方式测温。发电厂、变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要的设备，在长期运行过程中，开关的触点和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法检测，由此最终导致事故发生[1]。目前常用的观察法、红外线测温法无法实现实时监测、受环境影响大的缺陷，半导体无线传感器的工作温度范围小、需要电池供电且易损坏。相比来说，声表面波无源无线测温系统表现出极大优势，并已经受到越来越多的重视。

与传统测温方式相比，应用于电力柜测温的声表面波测温系统具有其独特的特点：

l 无需电池

传感器采用雷达反射原理，被动感应方式，无需电力驱动，减少了更换电池带来的维护成本，避免了电池对电力安全带来的隐患。

l 安全可靠

传感器紧贴被测点，与接收设备无线连接，实现了高压隔离，保障了设备安全运行。

l 环境适应性好

传感器可在高电压、大电流等强电磁环境下稳定工作，且灰尘堆积也不会对测温产生影响。

l 性价比高

无源无线的工作方式保障了电力设备的安全运行，对设备温度实时监测代替了对设备进行的预防性维修，提高了工作效率的同时也降低了维护成本。

II.  无线测温系统组成

声表面波无源无线电力测温系统硬件由读卡器、天线、标签(SAW传感器)三部分组成，标签由标签天线和声表面波谐振器组成，被安置在被测目标表面。声表面波设备测温过程，只涉及电信号和机械波在压电晶体表面的相互转换，并不需要电池或外部电源供电，同时温度信息通过无线方式传递，这使其与传统测温方式相比有很多优势：纯无源传感器，维护方便，使用寿命长；传感器与读卡器采用无线方式连接，避免与高压设备直连带来的隐患；一个读卡器可以监测多个设备、多个点的温度，不需布线，安装方便；声表面波器件本身由压电材料构成，能承受高温、高辐射等恶劣环境，在电力等要求苛刻的领域具有其不可比拟的优势。

1. SAW温度传感器

常见SAW温度传感器有谐振型和延迟线型两种，如图1所示。相对于延迟线型温度传感器来说，谐振型SAW温度传感器具有其独特的优点[2]：1）高Q值的SAW谐振器型传感器可达到比反射延迟线型SAW传感器更高的灵敏度，而且压电基片的体积可大大地减小。2）可发射窄带RF脉冲串激励信号，因而允许接收机带宽降低，不但对噪声的抑制增强、提高了最大读出距离，而且适合现代“频率经济”的要求。3）可以运用频分多址技术实现阵列传感。

无源无线测温系统采用单端口SAW谐振器作传感元，如图2所示。单端口SAW谐振器由叉指换能器（IDT）和反射栅两部分组成，IDT直接与天线相连。在查询周期，IDT接收无线查询信号，并储存能量；在非查询周期，它返回以谐振频率为主频且衰减振荡的响应信号，测量出该信号主频就可估计出被测量的物体的温度。

图2  SAW谐振型温度传感器

2. 读卡器

读卡器的设计主要由基带处理DSP电路、射频接收电路、射频发射电路、锁相环本振、天线、电源等六个部分组成，原理框图见图3。

读卡器有四个射频接口，可以分别与四个天线连接，实现多个区域的测温，天线由单刀四掷开关选择。读卡器与上位机之间通过485总线（可根据要求选择232或者CAN总线）连接。当读卡器处于发射状态时，DSP配置锁相环输出射频本振信号，经功率放大、低通滤波器、收发转换开关后，由天线发射出去；当处于接收状态下，接收信号经带通滤波、低噪放大、一次下变频、中频放大滤波后送入DSP处理器进行信号分析，同时检波接收信号功率获得RSSI信号送到DSP，协助对信号的分析判断。

图3  读卡器原理框图

III.  系统测试与分析

无源无线声表面波测温系统的测试包括SAW芯片测试、读卡器测试与系统联合测试。SAW芯片与读卡器的指标要求如表1所示，经过反复测试，确保SAW芯片与读卡器均满足指标要求。

表1 产品指标

系统联合测试的主要任务是对其温度特性的测试。将SAW温度传感器置于温度可调的高低温试验箱（-50℃～150℃）中，当温度变化范围为0～150℃时，实时记录温度传感器谐振频率的变化，如表2所示。

表2 不同温度下谐振频率

对实验数据进行最小二乘法拟合得图4。拟合曲线可用下式表示：

                                                       f=428.8-0.01102T+2.614*10-5T2

式中频率单位为MHz，温度单位为℃。

图4  SAW温度传感器温度频率特性曲线

IV.  SAW温度传感器安装

SAW传感器采用扎带式的固定结构，如图5所示。开关柜无线测温装置采用无线射频技术，原则上，一个开关柜可安装至少6个，而读卡器设有4个天线接口，每个天线接口可同时测量至少10个传感器，则一个读卡器可同时监测至少4个开关柜。

图5  SAW温度传感器安装方式

传感器的安装应遵循安全、简便、可靠的原则。应根据开关柜的类型、负荷电流、可动连接部件等因素，确定需安装传感器的开关柜。单个开关柜三相共布置6个点为宜，上限值不宜大于9个点。连接部位作为一个接触薄弱点，温度的监控尤其重要，如柜内隔离刀闸接头、移开式断路器的插头等，温度监控点应覆盖到位。电缆接头故障多因绝缘受损造成，由发热导致的故障较少，且常规开关柜均可利用红外玻璃窗口观察到电缆头及接头部位，因此，对电缆接头的监测应优先采用红外玻璃窗口进行红外监测，并通过紫外成像监控电缆头放电征兆。电缆接头部分原则上不考虑安装温度测点[3]，如图6和7所示。

                    图6  开关柜内部示意图                 

                   图7   测温系统安装示意图

V.  结论

电力开关柜因其内部结构较复杂，内部部件遮挡较多，并置身于电网的磁场、电场的复杂环境中，所以它的内部测温一直都是建设智能电网需要解决的一大难题。之前应用比较广泛的一些测温方式，如热敏电阻测温、红外测温、光纤方式测温等，在开关柜中应用时都有各自的局限，应用情况很不理想，极大地限制了测温产品的应用。利用压电材料的声表面波特性，实现无源无线的声表面波（SAW）温度传感器，对开关柜温度状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。

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