面向智能電網(wǎng)的無源無線溫度傳感系統(tǒng)

張寶珠

摘 要：智能電網(wǎng)的信息化和自動化的實現(xiàn)，首先取決于對電網(wǎng)運行信息的采集技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展[1]。電網(wǎng)運行中各節(jié)點的溫度信息作為衡量電網(wǎng)運行安全的重要因素，對其進(jìn)行實時在線監(jiān)測勢在必行?；诼暠砻娌ǎ⊿AW）原理的無源無線溫度傳感系統(tǒng)具有無源無線、實時在線的特點，其勢必成為智能電網(wǎng)建設(shè)中實現(xiàn)溫度監(jiān)測的重要手段。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；在線監(jiān)測；聲表面波；無源無線

引言

電網(wǎng)溫度監(jiān)測是智能電網(wǎng)建設(shè)中必須解決的重要課題。目前工業(yè)上可運用的主要測溫手段有熱電偶/電阻測溫、紅外測溫、光纖測溫和無源無線聲表面波測溫等。其中熱電偶/電阻測溫和光纖測溫都屬于有線測溫方式，在電力系統(tǒng)中某些復(fù)雜的環(huán)境如母線柜、真空斷路器中無法使用，而紅外測溫在某些電氣設(shè)備特別是柜體中會存在光線死角等不足。無源無線聲表面波測溫方式具有無源、無線、抗干擾能力強、精度高等優(yōu)點，決定了其在智能電網(wǎng)建設(shè)中勢必得到廣泛的應(yīng)用。

1.聲表面波測溫原理

聲表面波是一種沿?zé)o限厚彈性介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎ趥鞑ミ^程中，當(dāng)周圍環(huán)境中的某些物理因素（溫度、壓力、磁場、電場、某些特殊氣體等）發(fā)生改變時，會導(dǎo)致聲表面波的傳播特性發(fā)生改變[2]，通過測量聲表面波傳播過程中其特性的改變量，就可以得到溫度等環(huán)境因素的改變量，這就是聲表面波測溫的原理。

無源無線聲表面波溫度傳感系統(tǒng)由裝在待測點的聲表面波（SAW）傳感器、讀寫器、接入設(shè)備和后臺監(jiān)控系統(tǒng)四部分組成。其中SAW傳感器一般構(gòu)成如圖1所示，由壓電基片、叉指換能器和天線組成，是基于聲表面波技術(shù)和壓電原理設(shè)計的，無需供電、無需連線的高精度、小型化傳感器。

2.聲表面波測溫過程

聲表面波溫度傳感器、射頻讀寫器、接入設(shè)備和后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成的無源無線測溫系統(tǒng)工作過程示意圖如圖2所示。

SAW傳感器接收讀寫器天線發(fā)出的射頻電信號，經(jīng)過以下兩個過程感知測溫節(jié)點的溫度信息：

2.1.逆壓電過程：逆壓電過程是指當(dāng)在壓電晶體上施加電場時晶體表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力的過程[3]，即電能轉(zhuǎn)換成機械能的過程。在本系統(tǒng)中，傳感器天線接收到的射頻電信號在壓電晶體表面通過逆壓電過程產(chǎn)生聲表面波，該聲表面波在傳播過程中傳播特性會受到測溫節(jié)點溫度變化的影響而發(fā)生改變。

2.2.壓電過程：壓電過程是指當(dāng)對壓電晶體施加應(yīng)力時，在壓電晶體表面感應(yīng)出電荷而形成電場的過程，即機械能轉(zhuǎn)換成電能的過程。受溫度變化影響傳播特性發(fā)生改變的聲表面波對壓電基片產(chǎn)生一定的應(yīng)力作用而激發(fā)出電信號，該電信號通過傳感器天線發(fā)射出去被讀寫器天線接收。讀寫器接收到的射頻信號通過一定的通信方式傳輸給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)計算分析得到測溫節(jié)點的溫度信息，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)運行的溫度信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.無源無線溫度傳感系統(tǒng)的特點

基于聲表面波原理的無源無線溫度傳感系統(tǒng)具有一下一些特點和優(yōu)點；

3.1.采用純無源的聲表面波溫度傳感器進(jìn)行溫度信息的采集，這種傳感器由于無需供電電池等設(shè)備，從而提高了系統(tǒng)的安全性、長期可靠性和使用壽命。

3.2.聲表面波傳播速度慢、波長短，使得聲表面波器件的尺寸比相應(yīng)的電磁波器件更易于實現(xiàn)小型化，安裝和使用更加方便靈活，此外，由于聲表面波沿固體表面?zhèn)鞑デ也ㄋ俾?，使信號處理的過程變得簡單方便。

3.3.在一定的頻帶寬度內(nèi)采用頻分復(fù)用或時分復(fù)用的方式，實現(xiàn)多點同時在線監(jiān)測，可以全面的監(jiān)控電氣節(jié)點的溫度信息，保障電力設(shè)備的安全穩(wěn)定。

3.4.具備不間斷溫度監(jiān)控特性，因而能夠有效監(jiān)測電氣節(jié)點的溫度變化。

4.無源無線測溫在智能電網(wǎng)中應(yīng)用

基于聲表面波原理的無源無線聲表面波溫度傳感系統(tǒng)，具有無源無線、實時在線等特點，決定了其在智能電網(wǎng)溫度狀態(tài)在線監(jiān)測的廣泛應(yīng)用前景。

4.1.開關(guān)柜中動、靜觸頭測溫。開關(guān)柜是輸配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，承擔(dān)著開斷和關(guān)合電力線路、線路故障保護(hù)、監(jiān)測運行電量數(shù)據(jù)的重要作用。開關(guān)設(shè)備因高壓斷路器動、靜觸頭接觸不良，加上長期的大電流、觸頭老化等因素易致其接觸電阻增大，從而導(dǎo)致長時間發(fā)熱、觸頭溫升過高甚至導(dǎo)致燒毀故障。

4.2.電纜接頭測溫。隨著運行時間的延長、壓接頭的松動、絕緣老化、以及局部放電、高壓泄漏等，將引起發(fā)熱和溫度的升高，溫度的升高將使這些狀況進(jìn)一步惡化，這促使溫度進(jìn)一步提升，這一惡性循環(huán)的結(jié)果就引發(fā)短路放炮，甚至火災(zāi)。

4.3.地埋電纜測溫。在各種地埋電纜中，一旦出現(xiàn)故障，維修起來是非常麻煩和費力的，而熱效應(yīng)是各種故障和異?，F(xiàn)象的重要原因，特別是電纜節(jié)點處，電阻大，壓接頭可能松動等，長期運行可能造成電纜頭過熱、燒穿絕緣等狀況。聲表面波無源無線測溫系統(tǒng)在電氣設(shè)備中的測溫實現(xiàn)如圖3所示。

基于聲表面波原理的無源無線測溫系統(tǒng)，其測溫探頭采用聲表面波傳感器，其體積小，易于實現(xiàn)在母線柜、斷路器等狹小的電氣節(jié)點中安裝。此外，讀寫器和傳感器之間采用無線通信的方式，且采用的傳感器為無源傳感器，不會影響電氣設(shè)備的安全運行。

5.總結(jié)

智能電網(wǎng)建設(shè)的目的在于實現(xiàn)電網(wǎng)的安全、可靠運行。針對電網(wǎng)運行中因發(fā)熱出現(xiàn)的各種不良現(xiàn)象及事故，本文提出了一種對電力設(shè)備進(jìn)行有效地實時在線溫度監(jiān)測的方法，該方法具有無源無線、實時在線等特點，其必將在以后的電網(wǎng)溫度監(jiān)測中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李祥珍，劉建明.面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電信網(wǎng)技術(shù).2010（8）：41-45.

[2]陳明，范東遠(yuǎn)，李歲勞.聲表面波傳感器[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997.3-36.