聲表面波遠(yuǎn)程溫度傳感系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用

韓 鵬

（聊城供電公司，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的日益推進(jìn)，智能變電站改造也大力實(shí)施，而在變電站中，電力設(shè)備的熱效應(yīng)是多種故障和異?，F(xiàn)象的重要原因，因此對電力設(shè)備的溫度進(jìn)行密切監(jiān)測，是保障電力設(shè)備運(yùn)行可靠的必備手段。但是變電站中對溫度的監(jiān)控點(diǎn)非常多，斷路器、互感器、隔離開關(guān)連接點(diǎn)達(dá)到數(shù)百甚至上千個(gè)，且分布位置千差萬別，有開關(guān)柜內(nèi)的，也有高空裸露的，為溫度監(jiān)測帶來極大的不便?，F(xiàn)在變電站內(nèi)多采用紅外測溫和無線測溫方案。紅外測溫需要人工使用紅外熱像儀定時(shí)對各設(shè)備掃描巡檢，定時(shí)跨度長，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。而無線測溫方案需要采用電池或小CT取能來給測溫芯片供電，再將測溫芯片數(shù)據(jù)通過無線芯片發(fā)出，這種方案設(shè)備體積大，且使用有源方案，需要更換電池或維護(hù)CT，不具備普遍性。

1 聲表面波測溫原理

聲表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。由于聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬倍，且在它的傳播路徑上容易取樣和進(jìn)行處理，尤其在具有壓電性的晶體上由于存在壓電性，故在電聲之間存在耦合關(guān)系。壓電晶體本身是換能介質(zhì)，因此在傳播聲表面波的壓電晶體表面可以制作電聲換能器，使電能和聲能互相轉(zhuǎn)換，利用此特性，聲表面波的各種探測器應(yīng)運(yùn)而生。

目前利用聲表面波測溫的器件主要有延遲線型和諧振器型兩種，主要探討諧振器型聲表面波器件的測溫原理。

把電壓加載在壓電晶體如石英的電極上，由于壓電效應(yīng)就會在壓電晶體的晶格中形成機(jī)械畸變。所謂的聲表面波就是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播、并且其振幅隨深入基片材料的深度增加而迅速減少的彈性波。叉指換能器（聲電換能器）的形狀是指狀電極結(jié)構(gòu)，即手指相互交叉的形式（圖1）。聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個(gè)叉指換能器，每兩個(gè)這種相互交叉的指狀系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)指間轉(zhuǎn)換器或者叉指換能器［1］。

諧振型聲表面波測溫的工作原理是，基片左端的換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應(yīng)將輸入的射頻轉(zhuǎn)變成聲信號，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片左邊的發(fā)射器（輸出換能器）將聲信號轉(zhuǎn)變成射頻應(yīng)答信號輸出（圖2）。

圖1 叉指換能器

圖2 換能器工作原理圖

而當(dāng)基片的溫度發(fā)生變化時(shí)，引起聲表面波的傳輸速度與發(fā)射器間距的改變，從而引起射頻應(yīng)答的諧振頻率改變，這種改變隨溫度改變而呈線性變化（圖3），因此很容易得到測量的溫度值［2］。整個(gè)聲表面波器件的功能是通過對在壓電基片上傳播的聲信號進(jìn)行各種處理，并利用聲—電換能器的特性來完成的。

圖3 SAW諧振頻率隨溫度的變化關(guān)系

傳感頭的工作原理是將射頻信號發(fā)射到壓電材料的表面，然后將受到溫度影響了的反射波再轉(zhuǎn)回電信號而獲取溫度數(shù)據(jù)。表面波技術(shù)的最大好處是利用了傳感器的被動工作原理，即在非常規(guī)的運(yùn)行環(huán)境下（高電壓，高電流）實(shí)現(xiàn)無線溫度數(shù)據(jù)采集［3］。

2 聲表面波遠(yuǎn)程溫度傳感系統(tǒng)解決方案

整個(gè)SAW溫度傳感系統(tǒng)由傳感頭、信號讀寫器（無線讀寫器+無線接收器）及后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成，每一個(gè)信號讀寫器控制一組SAW傳感頭，信號讀寫器每隔一定時(shí)間向SAW傳感頭發(fā)射無線信號，傳感頭接收信號后，經(jīng)過電聲—聲電變換后反射帶有溫度信息的無線信號，讀寫器接受到反射的無線信號后，經(jīng)過編譯、打包，通過光纖網(wǎng)絡(luò)將符合IEC61850的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)，后臺監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控所有的信號讀寫器，將所有傳感頭上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控和事故告警，SAW遠(yuǎn)程溫度傳感系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 SAW遠(yuǎn)程溫度傳感系統(tǒng)組成

現(xiàn)場應(yīng)用示意如圖5所示，圈區(qū)域代表一個(gè)讀寫器控制的范圍。通常一個(gè)讀寫器可控制4～12個(gè)傳感頭，適合一個(gè)間隔的各觸點(diǎn)的溫度測試。讀寫器可安裝在現(xiàn)場，用光纖或無線方式連接通信。每個(gè)讀寫器和傳感頭間無線通信頻率可由整個(gè)變電站的傳感器數(shù)量確定，一般可以控制在1 s內(nèi)。由于采用光通信TDM技術(shù)，雖然傳感頭與讀寫器傳輸距離長達(dá)10 m以上，整個(gè)變電站無線信號的強(qiáng)度仍然可以控制在一個(gè)很低的水平。

3 SAW溫度傳感系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

純無源傳感頭，免替換，免維護(hù)，長期可靠性高；體積小，安裝靈活方便；成本低；采用RFID與SAW芯片混合集成,支持多點(diǎn)探測；采用光纖及數(shù)字化信號傳輸數(shù)據(jù),長距離，抗電磁干擾，可以平滑升級與IEC61850兼容，可靠性高。

圖5 SAW遠(yuǎn)程溫度傳感系統(tǒng)應(yīng)用示意

4 結(jié)語

聲表面波技術(shù)是60年代末期才發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，現(xiàn)在聲表面波技術(shù)的應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如地震學(xué)、天文學(xué)、雷達(dá)通信及廣播電視中的信號處理、航空航天、石油勘探和無損檢測等。隨著SAW測溫系統(tǒng)器件的成熟，目前在國內(nèi)多個(gè)變電站改造中已經(jīng)得到了應(yīng)用并獲得了良好的反饋，該技術(shù)可能成為今后智能變電站改造中溫度監(jiān)控的一個(gè)主流方案。 當(dāng)然，目前它還存在著無線傳輸距離不夠遠(yuǎn)，價(jià)格偏高等問題，但隨著SAW測溫系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展，相信SAW測溫系統(tǒng)在智能電網(wǎng)溫度監(jiān)測方面的功能會越來越完善，并為國家智能電網(wǎng)建設(shè)提供有力的保障。