聲表面波測溫技術在高壓開關柜中的應用

                                    

摘要：高壓開關柜的溫度監測點處于高電壓、大電流、強磁場的環境中，由于電磁噪聲、高壓絕緣和空間限制等問題，傳統測溫方式存在局限性。本文介紹了SAW傳感器的原理，無源無線測溫系統的組成。結合高壓開關柜運行環境和內部結構，對比分析現有電力系統測溫技術的特點，總結無源無線測溫技術的優勢和應用前景。

關鍵詞：聲表面波傳感器；高壓開關柜；無源無線；測溫；SAW                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

引言

隨著物聯網領域的發展和我國城鎮化的推進，智能電網已進入全面建設的重要階段。堅強智能電網作為中國電網的發展方向，最主要的特征就是信息化和自動化，即實現電力系統狀態信息的精確采集與高效傳輸。高壓開關柜具有全封閉、空間狹小，裸露高壓等特點，為了有效避免事故發生，通常監測其內部觸點的溫度，來分析設備運行情況并及時采取措施。在新興測溫技術中，聲表面波傳感技術逐漸被人們所熟知，其傳播速度慢，信號可以完全呈現在晶體表面上，有利于信號的取樣和變換。而且聲表面波器件抗電磁干擾能力強，高溫適應性強，在電力生產和輸電設施向無人值守方向發展過程中，具有廣闊應用前景。

1聲表面波傳感器

1.1 SAW傳感技術簡介

Surface Acoustic Wave（聲表面波，簡稱SAW），泛指沿著介質表面或界面傳播的各種模式的波，最早于1885年被英國物理學家瑞麗發現。基于SAW的傳感技術，綜合了聲學、電學、光學、壓電材料和半導體工藝，具備高精度、低成本、低功耗等特點。它能夠實現多種信號的處理功能，時間帶寬大，動態范圍大，體積小、重量輕、穩定可靠，易于批量生產，填補了集中參數電子元件與微波回路工作頻段的空隙。經過數十年的發展，SAW傳感技術已被廣泛的應用在氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。

1.2 SAW傳感器結構

SAW傳感器以壓電材料為基底，用半導體集成電路工藝，淀積和光刻特定形狀和尺寸的金屬膜（IDT）制成。IDT上的電極條交叉配置，利用壓電材料的逆壓電效應和正壓電效應工作。IDT 和反射柵的指寬、叉指間隔決定了 SAW 傳感器件的工作頻率、寄生抑制、插入損耗和敏感系數等參數。基底材料決定了SAW的均勻性、溫度穩定性、傳播損耗。半導體工藝的好壞直接影響了SAW傳感器的品質。

 

   

1.2 SAW傳感器工作原理

聲表面波傳感器必須配合特殊的讀取器使用，因此完整意義上的聲表面波無線傳感器是一個包括聲表面波無線傳感器和讀取器在內的系統，二者之間通過電磁波進行信息交換。

聲表面波傳感器接收射頻脈沖查詢信號（RF），通過IDT實現聲電轉換，利用信號中所攜帶的能量進行工作。

其工作原理如圖3、圖4所示：傳感器天線接收電信號，經 IDT 的逆壓電效應轉換成聲表面波，聲表面波沿基片傳播并被反射柵反射回 IDT，再經 IDT 的壓電效應轉換成電信號，由天線發射出去。整個工作過程完全是被動的，無需電源提供能量。

 

1.3 SAW傳感器的分類

根據傳感器結構和信號特征的不同，SAW 傳感器件可以分為延遲線型和諧振型兩種，延遲線型 SAW 器件的反射柵分布在距離 IDT 不同距離的位置上，不同的位置會使得聲波信號的反射延遲時間不同。反射延遲時間還會受到環境因素的影響，依靠檢測時間延時的變化就能夠獲得環境量的變化，實現溫度傳感功能。

諧振型 SAW 器件的反射柵密布在IDT兩側，聲表面波信號構成一個諧振腔，因此其返回信號是一個諧振信號，而諧振頻率除了與設計尺寸有關外，也受到環境因素的影響，依靠檢測諧振頻率的變化就能夠獲得環境量的變化。由于延遲線型的設計加工難度低，延遲線型使用多于諧振器。

2. 電力設備測溫技術

2.1測溫技術簡介

1. 熱敏電阻：利用熱敏電阻的溫度特性，將由溫度變化引起的阻值變化轉化為電壓值的變化。連續的電壓信號為模擬量，經A/D轉換電路轉換成數字量，進行數據上傳和顯示。電力系統常用的熱敏電阻有銅電阻和鉑電阻等，電阻探頭安裝在待測點的觸頭上，需要線路連接，對設備的絕緣性能會有一定影響。
2. 半導體：采用PN結作為測溫元件的無線溫度傳感器，其原理是PN結的壓降隨溫度的變化而改變，施加恒定電流，通過輸出電壓的大小來反映溫度。其壓降與溫度的關系幾乎為線性，精度高，但靈敏度相對熱敏電阻要低，反應時間比熱敏電阻長。半導體元件不易老化，使用壽命較長，可靠性高，采用無線通信方式。
3. 紅外測溫：紅外傳感器采用紅外技術的無線溫度傳感器，測溫原理與常見的紅外點溫槍基本類似，任何高于零度的物體都在發射出輻射能，輻射能的強度與物體溫度有著密切關系，傳感器探測物體發出的紅外輻射，將輻射能轉變為電信號，通過校準運算最終得到被測物體表面的溫度。

（4）光纖測溫：光纖測溫的基本原理是將感溫光纖緊貼于待測物體上，由光源向光纖中發射一束激光脈沖，光纖中的每一點均向后散射一小部分光。這種后向反射光的強度與反射點的溫度相關聯，反射點的溫度越高，反射光的強度也越大。后向散射光通過波分復用器后，分別進入到光電檢測器和放大器中進行光電轉換，信號放大至數據采集器能夠采集的范圍上，由數據采集器進行存儲，用于溫度的計算。

（5）集成電路測溫：新型集成電路溫度傳感器可直接輸出與熱力學溫度成比例的電流信號，在輸出端串聯電阻轉換為電壓信號，傳感器通過感應取電，采用無線通信方式，根據觸頭壁或母排上感應電流的大小自動調整發送周期。內部硬件上增加了屏蔽罩和保護電路，可降低脈沖和浪涌帶來的干擾。

（6）聲表面波測溫：基于聲表面波的無線溫度傳感器最大的特點就是傳感器本身不需要電源；其無線并不是僅僅體現在通訊方式上，同時也體現在測溫原理上。測溫的原理是，傳播在壓電基片表面的聲表面波，其波長和波速會隨基片表面或內部溫度的改變而變化。由對應的接收器發出無線激勵信號，信號輸入傳感器的壓電基片激起聲表面波，不同溫度下，傳感器輸出不同的信號，信號再由接收器接收，經過調解獲取溫度值。聲表面波傳感器體積小，不需要電源，傳感器成本低是其主要的優勢。由于無源，傳感器需要接收采集器發出的激勵信號，這種激勵信號的有效無線傳輸距離很短；另一方面，由于被測設備的震動產生位移，導致聲表面波的相位等發生變化，測溫的精度有所下降。

2.2測溫技術對比分析

對比人工、熱敏電阻、半導體、光纖測溫、紅外測溫、集成電路、聲表面波測溫的優缺點，如表1所示。

名稱	優點	缺點
熱敏電阻	（1）靈敏度高；（2）價格便宜	（1）布線復雜；（2）破壞絕緣；（3）易老化，壽命短
半導體	無線傳輸；（2）傳輸距離遠	（1）需要電池供電；（2）高溫易損壞；（3）測溫不連續
紅外測溫	（1）靈敏度高；（2）測溫范圍遠；（3）使用壽命長	（1）受光照、灰塵等環境影響；（2）誤差大；
光纖測溫	（1）測溫范圍廣；（2）精度高；（3）抗磁場干擾	（1）安裝困難，布線復雜；（2）易損壞；（3）成本高
集成電路	無線傳輸；（2）感應取電；（3）傳輸距離遠 （4）安裝方便	（1）對被測設備工作電流有范圍限制
聲表面波	無線傳輸；（2）無源，不需要電池，維護周期長；（3）測溫范圍廣，可達幾百度；（4）實時性好，數據連續；（5）耐高壓，抗干擾性強	（1）無線傳輸距離在十幾米以內；（2）受設備震動影響

智能電網要求高壓開關柜的測溫不能破壞絕緣，要具備維護周期長，實時性高的特點。通過對比分析可以看到，聲表面波測溫技術不需要電池供電，雖然傳輸距離不如有源傳感器，但十幾米的傳輸距離已經足夠，且具備耐高溫，抗高電壓和強電磁干擾的特點，擁有壽命長，免維護，安全可靠，數據實時等優勢，是電力開關設備在線測溫的優良選擇。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

3聲表面波測溫系統

3.1系統簡介

    SAW無線溫度傳感器對溫度監測點進行溫度測量后，將數據通過無線方式傳遞給通訊中斷，經總線連接，監測計算機從通訊終端采集各監測點的溫度數據，在數據庫中保存。Web界面可實時顯示溫度變化曲線，并進行分析，一旦發現過熱或急劇升溫事故超過設定報警溫度時立即報警。

    開關柜溫度可靠性分析系統主要完成實時數據的采集、判斷和處理，將處理結果由通信網絡發送帶本地監控中心，將分析結果作為設備的檢測依據，結合自身的運行環境，形成測溫系統運行規范，實現變電站的五人值守管理。

 

3.2 SAW傳感器的安裝

聲表面波傳感器安裝的位置，主要針對開關柜內電氣接點，如母排、斷路器動/靜觸頭、變壓器進出線接點、電纜接頭，戶外如刀閘、斷路器、變壓器進出線接點等。檢測開關設備因老化、接觸不良、電流過載等因素引起溫升過高等問題，當溫度過高超過預設報警值時能及時報警，并通知運維人員處理，減少設備的損失。

傳感器通過螺栓固定在斷路器手車的觸頭上的示例，見圖6；讀取天線安裝在開關柜內壁上的示例，見圖7。讀取天線和讀取器采取分離形式，之間通過射頻電纜相連。無線傳輸距離在一般在十米以內，讀取器安裝在開關柜儀表室的導軌上。對于已投運的變電站加裝測溫系統，需停電后操作，往往停電時間短，但是測溫點很多，安裝難度較大。

4結束語

相對于其他在線測溫方式，聲表面波無線測溫方式不會對高壓電氣設備的絕緣造成影響，避免了有線測溫“爬電”等安全隱患；SAW傳感器完全無源，不帶電池，避免了電池高溫爆炸和化學泄露，使用壽命長；體積小，積安裝方便靈活，不受電氣設備結構和空間影響；測溫實時性好，可隨時監測設備溫度變化。

隨著半導體工藝的發展，SAW傳感器正逐步改進升級，聲表面波測溫技術將在電氣設備測溫領域得到應用。

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