声表面波测温技术在高压开关柜中的应用

                                    

摘要：高压开关柜的温度监测点处于高电压、大电流、强磁场的环境中，由于电磁噪声、高压绝缘和空间限制等问题，传统测温方式存在局限性。本文介绍了SAW传感器的原理，无源无线测温系统的组成。结合高压开关柜运行环境和内部结构，对比分析现有电力系统测温技术的特点，总结无源无线测温技术的优势和应用前景。

关键词：声表面波传感器；高压开关柜；无源无线；测温；SAW                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

引言

随着物联网领域的发展和我国城镇化的推进，智能电网已进入全面建设的重要阶段。坚强智能电网作为中国电网的发展方向，最主要的特征就是信息化和自动化，即实现电力系统状态信息的精确采集与高效传输。高压开关柜具有全封闭、空间狭小，裸露高压等特点，为了有效避免事故发生，通常监测其内部触点的温度，来分析设备运行情况并及时采取措施。在新兴测温技术中，声表面波传感技术逐渐被人们所熟知，其传播速度慢，信号可以完全呈现在晶体表面上，有利于信号的取样和变换。而且声表面波器件抗电磁干扰能力强，高温适应性强，在电力生产和输电设施向无人值守方向发展过程中，具有广阔应用前景。

1声表面波传感器

1.1 SAW传感技术简介

Surface Acoustic Wave（声表面波，简称SAW），泛指沿着介质表面或界面传播的各种模式的波，最早于1885年被英国物理学家瑞丽发现。基于SAW的传感技术，综合了声学、电学、光学、压电材料和半导体工艺，具备高精度、低成本、低功耗等特点。它能够实现多种信号的处理功能，时间带宽大，动态范围大，体积小、重量轻、稳定可靠，易于批量生产，填补了集中参数电子元件与微波回路工作频段的空隙。经过数十年的发展，SAW传感技术已被广泛的应用在气体传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。

1.2 SAW传感器结构

SAW传感器以压电材料为基底，用半导体集成电路工艺，淀积和光刻特定形状和尺寸的金属膜（IDT）制成。IDT上的电极条交叉配置，利用压电材料的逆压电效应和正压电效应工作。IDT 和反射栅的指宽、叉指间隔决定了 SAW 传感器件的工作频率、寄生抑制、插入损耗和敏感系数等参数。基底材料决定了SAW的均匀性、温度稳定性、传播损耗。半导体工艺的好坏直接影响了SAW传感器的品质。

 

   

1.2 SAW传感器工作原理

声表面波传感器必须配合特殊的读取器使用，因此完整意义上的声表面波无线传感器是一个包括声表面波无线传感器和读取器在内的系统，二者之间通过电磁波进行信息交换。

声表面波传感器接收射频脉冲查询信号（RF），通过IDT实现声电转换，利用信号中所携带的能量进行工作。

其工作原理如图3、图4所示：传感器天线接收电信号，经 IDT 的逆压电效应转换成声表面波，声表面波沿基片传播并被反射栅反射回 IDT，再经 IDT 的压电效应转换成电信号，由天线发射出去。整个工作过程完全是被动的，无需电源提供能量。

 

1.3 SAW传感器的分类

根据传感器结构和信号特征的不同，SAW 传感器件可以分为延迟线型和谐振型两种，延迟线型 SAW 器件的反射栅分布在距离 IDT 不同距离的位置上，不同的位置会使得声波信号的反射延迟时间不同。反射延迟时间还会受到环境因素的影响，依靠检测时间延时的变化就能够获得环境量的变化，实现温度传感功能。

谐振型 SAW 器件的反射栅密布在IDT两侧，声表面波信号构成一个谐振腔，因此其返回信号是一个谐振信号，而谐振频率除了与设计尺寸有关外，也受到环境因素的影响，依靠检测谐振频率的变化就能够获得环境量的变化。由于延迟线型的设计加工难度低，延迟线型使用多于谐振器。

2. 电力设备测温技术

2.1测温技术简介

1. 热敏电阻：利用热敏电阻的温度特性，将由温度变化引起的阻值变化转化为电压值的变化。连续的电压信号为模拟量，经A/D转换电路转换成数字量，进行数据上传和显示。电力系统常用的热敏电阻有铜电阻和铂电阻等，电阻探头安装在待测点的触头上，需要线路连接，对设备的绝缘性能会有一定影响。
2. 半导体：采用PN结作为测温元件的无线温度传感器，其原理是PN结的压降随温度的变化而改变，施加恒定电流，通过输出电压的大小来反映温度。其压降与温度的关系几乎为线性，精度高，但灵敏度相对热敏电阻要低，反应时间比热敏电阻长。半导体元件不易老化，使用寿命较长，可靠性高，采用无线通信方式。
3. 红外测温：红外传感器采用红外技术的无线温度传感器，测温原理与常见的红外点温枪基本类似，任何高于零度的物体都在发射出辐射能，辐射能的强度与物体温度有着密切关系，传感器探测物体发出的红外辐射，将辐射能转变为电信号，通过校准运算最终得到被测物体表面的温度。

（4）光纤测温：光纤测温的基本原理是将感温光纤紧贴于待测物体上，由光源向光纤中发射一束激光脉冲，光纤中的每一点均向后散射一小部分光。这种后向反射光的强度与反射点的温度相关联，反射点的温度越高，反射光的强度也越大。后向散射光通过波分复用器后，分别进入到光电检测器和放大器中进行光电转换，信号放大至数据采集器能够采集的范围上，由数据采集器进行存储，用于温度的计算。

（5）集成电路测温：新型集成电路温度传感器可直接输出与热力学温度成比例的电流信号，在输出端串联电阻转换为电压信号，传感器通过感应取电，采用无线通信方式，根据触头壁或母排上感应电流的大小自动调整发送周期。内部硬件上增加了屏蔽罩和保护电路，可降低脉冲和浪涌带来的干扰。

（6）声表面波测温：基于声表面波的无线温度传感器最大的特点就是传感器本身不需要电源；其无线并不是仅仅体现在通讯方式上，同时也体现在测温原理上。测温的原理是，传播在压电基片表面的声表面波，其波长和波速会随基片表面或内部温度的改变而变化。由对应的接收器发出无线激励信号，信号输入传感器的压电基片激起声表面波，不同温度下，传感器输出不同的信号，信号再由接收器接收，经过调解获取温度值。声表面波传感器体积小，不需要电源，传感器成本低是其主要的优势。由于无源，传感器需要接收采集器发出的激励信号，这种激励信号的有效无线传输距离很短；另一方面，由于被测设备的震动产生位移，导致声表面波的相位等发生变化，测温的精度有所下降。

2.2测温技术对比分析

对比人工、热敏电阻、半导体、光纤测温、红外测温、集成电路、声表面波测温的优缺点，如表1所示。

名称	优点	缺点
热敏电阻	（1）灵敏度高；（2）价格便宜	（1）布线复杂；（2）破坏绝缘；（3）易老化，寿命短
半导体	无线传输；（2）传输距离远	（1）需要电池供电；（2）高温易损坏；（3）测温不连续
红外测温	（1）灵敏度高；（2）测温范围远；（3）使用寿命长	（1）受光照、灰尘等环境影响；（2）误差大；
光纤测温	（1）测温范围广；（2）精度高；（3）抗磁场干扰	（1）安装困难，布线复杂；（2）易损坏；（3）成本高
集成电路	无线传输；（2）感应取电；（3）传输距离远 （4）安装方便	（1）对被测设备工作电流有范围限制
声表面波	无线传输；（2）无源，不需要电池，维护周期长；（3）测温范围广，可达几百度；（4）实时性好，数据连续；（5）耐高压，抗干扰性强	（1）无线传输距离在十几米以内；（2）受设备震动影响

智能电网要求高压开关柜的测温不能破坏绝缘，要具备维护周期长，实时性高的特点。通过对比分析可以看到，声表面波测温技术不需要电池供电，虽然传输距离不如有源传感器，但十几米的传输距离已经足够，且具备耐高温，抗高电压和强电磁干扰的特点，拥有寿命长，免维护，安全可靠，数据实时等优势，是电力开关设备在线测温的优良选择。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

3声表面波测温系统

3.1系统简介

    SAW无线温度传感器对温度监测点进行温度测量后，将数据通过无线方式传递给通讯中断，经总线连接，监测计算机从通讯终端采集各监测点的温度数据，在数据库中保存。Web界面可实时显示温度变化曲线，并进行分析，一旦发现过热或急剧升温事故超过设定报警温度时立即报警。

    开关柜温度可靠性分析系统主要完成实时数据的采集、判断和处理，将处理结果由通信网络发送带本地监控中心，将分析结果作为设备的检测依据，结合自身的运行环境，形成测温系统运行规范，实现变电站的五人值守管理。

 

3.2 SAW传感器的安装

声表面波传感器安装的位置，主要针对开关柜内电气接点，如母排、断路器动/静触头、变压器进出线接点、电缆接头，户外如刀闸、断路器、变压器进出线接点等。检测开关设备因老化、接触不良、电流过载等因素引起温升过高等问题，当温度过高超过预设报警值时能及时报警，并通知运维人员处理，减少设备的损失。

传感器通过螺栓固定在断路器手车的触头上的示例，见图6；读取天线安装在开关柜内壁上的示例，见图7。读取天线和读取器采取分离形式，之间通过射频电缆相连。无线传输距离在一般在十米以内，读取器安装在开关柜仪表室的导轨上。对于已投运的变电站加装测温系统，需停电后操作，往往停电时间短，但是测温点很多，安装难度较大。

4结束语

相对于其他在线测温方式，声表面波无线测温方式不会对高压电气设备的绝缘造成影响，避免了有线测温“爬电”等安全隐患；SAW传感器完全无源，不带电池，避免了电池高温爆炸和化学泄露，使用寿命长；体积小，积安装方便灵活，不受电气设备结构和空间影响；测温实时性好，可随时监测设备温度变化。

随着半导体工艺的发展，SAW传感器正逐步改进升级，声表面波测温技术将在电气设备测温领域得到应用。

参考文献

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