聲表面波溫度傳感器在電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陳 金1 覃 奇1 彭光尼2 盧小榮2 蔣進(jìn)京2

（1.廣西電網(wǎng)百色供電局，廣西 百色 535000；2.武漢烽火富華電氣有限責(zé)任公司，武漢 430074 ）

聲表面波（SAW）技術(shù)起始于是20世紀(jì)60年代末期，是聲學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、半導(dǎo)體材料和工藝相結(jié)合的一門學(xué)科。我國(guó)對(duì)于聲表面波技術(shù)的研究是從1970年前后開始，經(jīng)過近四十年的研究和發(fā)展，已形成了從理論研究、材料開發(fā)到器件設(shè)計(jì)及制作、系統(tǒng)應(yīng)用的完整體系。聲表面波傳感器是近十幾來年發(fā)展起來的新型傳感器，其可以被開發(fā)成為測(cè)量機(jī)械應(yīng)變、壓力、氣體、微小位移、以及溫度等參數(shù)的傳感器，用途廣泛。另一方面聲表面波傳感器體積小、重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)范圍線性度好，同時(shí)具有良好的熱性能和機(jī)械性，能適合遠(yuǎn)距離傳輸和實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。這些特性使得SAW傳感器在復(fù)雜的電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用前景廣闊。

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠的轉(zhuǎn)子定子、變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)、電容器、電抗器、高壓電纜、變壓器等重要設(shè)備的異常、故障，最初都伴隨著局部或整體的過熱或溫度分布相對(duì)異常，一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)影響整個(gè)區(qū)域的電力供應(yīng)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，成為重大的安全事故，所以對(duì)電力設(shè)備的溫度在線監(jiān)控顯得十分必要。

1 電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)方案

目前，現(xiàn)有針對(duì)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案主要有：紅外熱成像技術(shù)、有源無線測(cè)溫、分布式光纖測(cè)溫、無源無線測(cè)溫等。使用紅外熱成像技術(shù)測(cè)溫要求技術(shù)人員定期對(duì)電力設(shè)備逐個(gè)掃描巡檢，定時(shí)周期長(zhǎng)加上熱像儀分辨率、環(huán)境條件變化、人員技術(shù)水平及對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)了解程度等因素的影響，較難準(zhǔn)確分析判斷，無法在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得難以發(fā)現(xiàn)和消除可能存在的隱患。若采用有源無線測(cè)溫方案，使用電池或是CT取能給測(cè)溫芯片供電，傳感距離非常遠(yuǎn)，可采用各種電路，控制和處理方便、靈活，方便分配設(shè)備ID便于實(shí)現(xiàn)傳感器陣列，但是其在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性尚待驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)于某些場(chǎng)合，如電容器組來說，面對(duì)電容器難以取能供電，傳感位置電池不易更換的情況，這種有源無線傳感方案顯然不能實(shí)用。分布式光纖測(cè)溫的電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控中有一定的應(yīng)用，但在高電壓，大電流、高濕度等惡劣的條件下存在嚴(yán)重的安全隱患，如粉塵、水霧在光纖線表面的積聚會(huì)使光纖的絕緣性降低，容易引發(fā)事故。同時(shí)光纖分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)價(jià)格昂貴，設(shè)備復(fù)雜，使其實(shí)用性大大降低。不同方案的性能評(píng)價(jià)對(duì)比列舉如表1所示。

表1 不同測(cè)溫方案對(duì)比

由表1可知，SAW溫度傳感器在電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控中優(yōu)勢(shì)明顯。在電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱的原因可能如下：

1）大型火力、水力、核能發(fā)電機(jī)設(shè)備長(zhǎng)期工作于潮濕、高溫的惡劣環(huán)境下，老化磨損厲害，設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重。

2）觸點(diǎn)通常要能承受高達(dá)到千安的正常工作電流，產(chǎn)生大量焦耳熱。

3）在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，開關(guān)的觸點(diǎn)和母線連接等連接點(diǎn)因老化或磨損導(dǎo)致接觸電阻過大而發(fā)熱。

4）接點(diǎn)例如高壓柜內(nèi)有裸露高壓，空間封閉狹小，熱量積聚。

5）設(shè)備如電容器和電抗器頻繁動(dòng)作，老化迅速，導(dǎo)致溫度分布異常。

6）電氣設(shè)備的絕緣性能因老化而降低，發(fā)熱明顯。

2 SAW傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著SAW傳感器的開發(fā)應(yīng)用，針對(duì)發(fā)電廠的轉(zhuǎn)子定子、變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)、電容器、電抗器、高壓電纜、變壓器等電力設(shè)備的溫度監(jiān)控需求，SAW傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已全面展開。

1）大型火力、水力、核能發(fā)電設(shè)備

圖1 電廠設(shè)備和發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子

大型火力、水力、核能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，離不開現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。圖1所示發(fā)電設(shè)備中大部分設(shè)備處于高溫、高濕、強(qiáng)電磁干擾等惡劣工作環(huán)境下，另一些設(shè)備如電機(jī)轉(zhuǎn)子處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，對(duì)這些電力設(shè)備的監(jiān)控，光纖傳感或有源無線方案就顯得力不從心，高濕度的環(huán)境使的絕緣光纖的絕緣性能大大降低，給發(fā)電設(shè)備帶來了巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，有源方案在高濕的環(huán)境下電池或取能CT將無法使用。而聲表面波傳感器傳感頭無需供電，具有純無源特性。高溫、高濕、強(qiáng)電磁對(duì)于無電子線路結(jié)構(gòu)的SAW傳感器無任何影響。同時(shí)SAW芯片體積非常小，即使在高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)子上也安裝方便。所以SAW傳感器非常適合在大型火力、水力、核能發(fā)電設(shè)備中的應(yīng)用。

2）高壓輸電線路

圖2中架空高壓輸電線路輸電過程中，線路的垂度關(guān)系到它運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，線路垂度影響輸電線路線運(yùn)行溫度，對(duì)線路溫度的測(cè)量能很好監(jiān)控輸電線路狀態(tài)。為了測(cè)量架空輸電線路的導(dǎo)線溫度，可以在架空高壓鐵塔的接頭導(dǎo)線上安裝溫度傳感器。由于架空輸電線路周圍區(qū)域的高電應(yīng)力和強(qiáng)磁場(chǎng)，普通傳感器無法滿足要求，利用無源聲表面波溫度傳感器，安裝點(diǎn)上導(dǎo)線的溫度就可以被實(shí)時(shí)獲取。并且數(shù)據(jù)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控獲得導(dǎo)線運(yùn)行溫度，監(jiān)測(cè)和分析輸電網(wǎng)，監(jiān)測(cè)輸電線路狀態(tài)，這對(duì)優(yōu)化線路性能，保障電力供應(yīng)方面起著至關(guān)重要的作用。

圖2 架空高壓線路

3）變電站電容器，電抗器組

變電站處于輸電線路和用戶設(shè)備之間，關(guān)系到電能質(zhì)量和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，作用十分關(guān)鍵。在變電站里安裝有大量的電力電容器、電抗器組，實(shí)物參考見圖 3。電力電容器是一種無功補(bǔ)償裝置。電力系統(tǒng)的負(fù)荷和供電設(shè)備如電動(dòng)機(jī)、變壓器、互感器等，除了消耗有功功率以外，還要“吸收”無功功率。如果這些無功電力都由發(fā)電機(jī)供給，必將影響它的有功輸出，不但不經(jīng)濟(jì)，而且會(huì)造成電壓質(zhì)量低劣，影響用戶使用。變電站的電容器能有效的無功補(bǔ)償，改善電能質(zhì)量。電容器工作過程中，溫度對(duì)電容器的運(yùn)行影響很大。有試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度升高10℃，電容器的電容量下降速度將加快一倍，電容器長(zhǎng)期處于高場(chǎng)強(qiáng)和高溫下運(yùn)行將引起絕緣介質(zhì)老化和介質(zhì)損耗角的增大，使電容器內(nèi)部溫升超過允許值而發(fā)熱，縮短電容器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下導(dǎo)致電容器熱擊穿而損壞。針對(duì)電容器的狀態(tài)監(jiān)控，先前多數(shù)技術(shù)側(cè)重于對(duì)電容器內(nèi)的絕緣油在過熱、放電作用下產(chǎn)生的故障特征氣體的成分、含量等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)來監(jiān)測(cè)電容器的性能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種監(jiān)測(cè)手段顯得不夠簡(jiǎn)潔，設(shè)備安裝復(fù)雜，使用不夠靈活。需要更先進(jìn)的技術(shù)替代。電抗器是用來吸收電纜線路的充電容性無功的?？梢酝ㄟ^調(diào)整電抗器的數(shù)量和級(jí)聯(lián)方式來調(diào)整運(yùn)行電壓、改善電能質(zhì)量。電抗器在運(yùn)行過程中，往往會(huì)因?yàn)橐恍┩獠凯h(huán)境、自身結(jié)構(gòu)等原因，導(dǎo)致電抗器在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生局部溫升過高、過熱，并最終導(dǎo)致電抗器的局部燒壞，甚至報(bào)廢。所以對(duì)電抗器溫度的監(jiān)控十分重要。目前針對(duì)電容器和電抗器的溫度監(jiān)測(cè)已經(jīng)有多種技術(shù)手段，它們大多有或多或少的局限性。新型的SAW溫度傳感器在電容器、電抗器狀態(tài)監(jiān)控的應(yīng)用中，優(yōu)點(diǎn)突出。無源的特點(diǎn)使探頭幾乎不受外界環(huán)境的影響，無線式溫度信息讀取方式使得工程應(yīng)用擺脫了走線的苦惱。多個(gè)測(cè)溫?zé)o源探頭可以安裝在任何需要監(jiān)控的測(cè)溫點(diǎn)，多點(diǎn)組合監(jiān)控設(shè)備的溫度變化。使得用戶能實(shí)時(shí)迅速監(jiān)測(cè)電容器和電抗器的狀態(tài)變化，盡快的發(fā)現(xiàn)問題，排除故障，保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)作。

圖3 電力電抗器和電容器

4）電力開關(guān)柜和斷路器

高壓開關(guān)設(shè)備母線室內(nèi)空間狹小，母排、母排支架之間排列緊密，且高壓條件下電氣安全距離要求極其嚴(yán)格。針對(duì)圖4所示空間狹小的開關(guān)柜和斷路器的溫度監(jiān)控，性能較高的常用測(cè)溫方式包括光纖測(cè)溫、有源無線電子式測(cè)溫和紅外測(cè)溫，光纖傳感測(cè)溫不易或無法安裝，工程實(shí)現(xiàn)難度大，甚至可能因?yàn)橛芯€的連接方式而無法滿足電氣安全距離要求，給系統(tǒng)帶來安全隱患。對(duì)于有源無線電子式測(cè)溫最大的安全風(fēng)險(xiǎn)在于構(gòu)成測(cè)溫的電子線路無法經(jīng)受接頭處的高電壓大電流或是放電沖擊，可靠性和安全性尚待驗(yàn)證。對(duì)于開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備和斷路器，它們位于電氣設(shè)備內(nèi)部，位置復(fù)雜，紅外測(cè)溫巡檢難以操作。與前面的測(cè)溫方式相比，這些缺點(diǎn)正是聲表面波無源無線測(cè)溫的長(zhǎng)處。目前聲表面波無源無線測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)有成熟的方案，一個(gè)完整的電力開關(guān)柜 SAW 無源無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)由傳感頭、采集器與無線中繼、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。前端的傳感頭由小體積的無源的 SAW 傳感器組成，可以方便安裝在被測(cè)點(diǎn)上，準(zhǔn)確的跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化，并以無線方式將數(shù)據(jù)傳到采集器上，采集器將收集來溫度信號(hào)重新打包，發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓帶電體的運(yùn)行溫度的非接觸溫度測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)可運(yùn)用于單個(gè)變電站中從后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該變電站所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化；也可運(yùn)用在多個(gè)變電站中，由后臺(tái)監(jiān)控所有被監(jiān)控變電站中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化。圖 5為烽火富華電氣有限公司完整的SAW無源無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)方案圖。

圖4 斷路器觸頭和電力開關(guān)柜

圖5 SAW無源無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)方案圖

3 結(jié)論

上文列舉了聲表面波溫度傳感器在電力設(shè)備狀態(tài)中的典型應(yīng)用。其還可以應(yīng)用于變壓器、繞組、壓力釋放閥等的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中。根據(jù)應(yīng)用需求，基于聲表面波技術(shù)的加速度、壓力、振動(dòng)、位移、化學(xué)氣體的傳感器也可以被開發(fā)出來用于電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。

伴隨物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的建設(shè)，傳感器技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。面對(duì)電網(wǎng)智能化要求，各種新型傳感器被用來監(jiān)控電力設(shè)備的狀態(tài)，以聲表面波技術(shù)發(fā)展起來新型的傳感器，可以靈活被用來檢測(cè)溫度、壓力、位移、加速度、化學(xué)氣體等。憑借其自身優(yōu)點(diǎn)必將在物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的建設(shè)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。