聲表面波測溫技術在風電場中的應用

高敏，高金明

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450015）

聲表面波測溫技術在風電場中的應用

高敏，高金明

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450015）

為了避免高壓電器設備的開關觸點在長期運行過程中發(fā)生火災事故，提出了一種基于聲表面波的測溫技術，分析了該測溫技術與傳統(tǒng)測溫技術的不同點，介紹了聲表面波的測溫原理并形成了完整的無源無線測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)應用于某風電場變頻器柜內(nèi)溫度的測量，運行情況良好，能夠實時、準確地測量柜內(nèi)各測點的溫度。

聲表面波；無源無線測溫系統(tǒng)；風機變頻器；抗電磁干擾

0 引言

風電場中，溫度是風力發(fā)電機設備運行的關鍵參數(shù)，長期運行過程中，變頻器和開關柜的母排連接處、高壓出線處、電纜接頭等開斷接觸點由于老化、表面氧化、連接不緊密、接觸電阻過大而發(fā)熱，這些發(fā)熱無法在運行過程中發(fā)現(xiàn)，最終導致火災事故的發(fā)生，因此，在線測溫非常有助于風電場風機設備的安全運行。目前常用的高壓設備在線測溫方式包含紅外測溫、光纖測溫和有源無線測溫3種，這些測溫方式在安全性、實用性、穩(wěn)定性和實時性等方面均存在一定缺陷。最常用的有源無線溫度傳感技術是將溫度數(shù)字化，然后通過無線的方式傳輸信號［1］，該技術使用的傳感器尺寸較大，需要經(jīng)常更換電池，系統(tǒng)維護成本高且存在一定的安全隱患。本文提出了一種基于聲表面波（SAW）技術［2］的無線無源測溫技術，并將該技術應用于風電場風機變頻器的溫度在線監(jiān)測，系統(tǒng)運行狀況良好，能夠安全、穩(wěn)定地測量變頻器關鍵部件的精確溫度，并有效解決了傳統(tǒng)測溫技術的安全性、可靠性、穩(wěn)定性、實用性等方面的問題。

1 目前風機變頻器測溫方案

由于風電場風機地域分布廣以及環(huán)境特殊等原因，風電場風機變頻器測溫存在以下幾個難點［3］。

（1）電磁干擾強。電場電壓高達幾萬伏，變頻器內(nèi)高次諧波較多，存在較強的電磁干擾。

（2）數(shù)據(jù)傳輸距離遠。風電場風機設備分布區(qū)域較廣，風機的監(jiān)控數(shù)據(jù)需要遠程傳輸至集控中心，最遠的風機距離集控中心達10 km左右。

（3）傳感器與外界完全隔離。變頻器內(nèi)布線、用電存在安全隱患，使用有源無線傳感器時供電問題難以解決。

（4）安裝空間小。變頻器內(nèi)元器件排布緊密，在不改動變頻器原有結構的基礎上，可安裝第三方元器件的空間很小。

目前，用于風機變頻器的測溫方法包括紅外測溫以及無線測溫。

（1）紅外測溫。紅外測溫［4］為非接觸式測溫方式，常用紅外測溫儀測量溫度，適用于人工巡檢，由于紅外測溫使用靈活，現(xiàn)已成為檢測風電場各高壓設備溫度的重要手段。紅外測溫儀的缺點是體積大，成本高，抗電磁干擾能力弱，測量精度與距離有關，不能準確把握測量精度，并且紅外測溫不能繞過遮擋物，無法準確測量變頻器內(nèi)關鍵部位的溫度。

（2）無線測溫。目前，風電場的無線測溫大多采用有源無線測溫系統(tǒng)［5］，該系統(tǒng)傳感器需要電池供電或小型電流互感器（CT）取能供電。電池供電壽命有限，需經(jīng)常更換電池，并且設備運行溫度過高時，電池存在爆炸隱患；而小CT供電是通過感應高壓母線上的交變電流取得電能，接頭較小時傳感器供電不足，接頭較大時小CT易被燒壞?？傊壳俺Ｓ玫挠性礋o線測溫系統(tǒng)安裝在變頻器內(nèi)，給變頻器的正常工作帶來了較大的安全隱患。

2 聲表面波測溫技術概述

2.1 聲表面波技術簡介

聲表面波是一種能量集中于固體表面的彈性波，沿著固體半空間表面?zhèn)鬏?，又稱為表面聲波。聲表面波技術特點如下［6］。

（1）波長極短，器件尺寸小。在電磁波領域內(nèi)，采用電磁波原理的器件尺寸與電磁波的波長成正比，而聲表面波的波長僅為普通電磁波波長的十萬分之一，所以應用聲表面波技術所生產(chǎn)器件的尺寸較小，應用安裝方式較多。

（2）易于生產(chǎn)。聲表面波器件是在單晶材料上用半導體平面工藝制作而成的，結構簡單、穩(wěn)定性強、生產(chǎn)工藝可重復性強，便于大量生產(chǎn)。

（3）靈活性大。由于聲表面波波長較短，在固體表面?zhèn)鬏斔俣容^慢，具有良好的瞬時性，易于聲表面波信號的取樣和變換，可操作性強，能夠完成許多普通器件無法完成的工作。

（4）抗干擾能力強。聲表面波的動態(tài)范圍可達100 dB，對外界信號的干擾具有較強的適應性，抗干擾能力較強。

2.2 聲表面波測溫原理

聲表面波測溫原理如圖1所示，無線射頻信號在無線采集器的天線與傳感器之間傳輸，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送與讀取，具體步驟如下。

圖1 聲表面波測溫原理

（1）采集器通過天線將無線射頻信號發(fā)送至傳感器作為觸發(fā)信號。

（2）聲表面波傳感器接收到觸發(fā)信號后在表面產(chǎn)生聲表面波，波形以3 km／s的速度沿固體表面?zhèn)鞑?，最終由叉指換能器（IDT）轉換為無線射頻信號反饋給采集器。

（3）采集器接收到傳感器反饋的無線射頻信號后，通過測量射頻信號的頻率變化計算出固體表面的溫度。

聲表面波無源傳感器（如圖2所示）由壓電基片、IDT和左右反射柵組成［7］。當激勵頻率f等于傳感器固有頻率f0時，傳感器發(fā)生諧振。溫度與固有頻率的關系為［8］

圖2 聲表面波測溫傳感器結構示意［7］

式中：t為測量溫度；t0為參考溫度；a（i）f為參考溫度下i階溫度系數(shù)，通常忽略3階以上項。

經(jīng)合理設計，可實現(xiàn)線性的溫度和固有頻率關系。

3 無線無源測溫系統(tǒng)解決方案

3.1 無線無源測溫系統(tǒng)組成

無源無線測溫系統(tǒng)通過溫度傳感器獲取觸點溫度，將溫度信號通過無線傳輸?shù)綔囟炔杉鬟M行相應的處理，進而傳輸?shù)奖O(jiān)控終端及保護回路，系統(tǒng)整體框架如圖3所示。

圖3 無源無線測溫系統(tǒng)框架

為了更好地測量變頻器內(nèi)關鍵位置的溫度，系統(tǒng)采用2個讀取器和4個天線，每個天線接收3個傳感器的溫度信號，在高壓開關觸點每相安裝1個讀取器，讀取器接收的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至中控室，系統(tǒng)拓撲圖如圖4所示。

圖4 無源無線測溫系統(tǒng)拓撲圖

系統(tǒng)包括前端采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊以及監(jiān)控模塊，由溫度傳感器、天線、溫度采集器、電源適配器及上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成。前端采集模塊為溫度傳感器，直接安裝在被測物體表面，負責接收、探詢射頻信號，并返回帶溫度信息的射頻信號到采集器。數(shù)據(jù)讀取模塊完成射頻信號的放大、濾波及A／D轉換，最終實現(xiàn)溫度參數(shù)的監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊（無線傳輸、串口通信以及光纖傳輸）將溫度數(shù)據(jù)傳輸至上位機監(jiān)控模塊進行顯示、報警提示。

3.2 無線無源測溫系統(tǒng)安裝方案

無源無線傳感器的發(fā)射信號很弱，所以讀取器和天線的安裝位置尤為關鍵。用于測量變頻器內(nèi)元器件溫度時，天線應放置在開關柜內(nèi)，通過強力磁鐵吸附在開關柜內(nèi)壁上；為了能夠更好地接收信號，傳感器之間的距離應盡量大于20 cm，天線與傳感器豎直方向盡可能平行，傳感器信號通過天線的反射角度約為30°；由于傳感器為無源無線溫度傳感器，所以柜內(nèi)無任何取電線路。無源無線測溫系統(tǒng)理論安裝方案如圖5所示。

圖5 無源無線測溫系統(tǒng)理論安裝方案

根據(jù)理論安裝方案，在某風電場現(xiàn)場變頻器內(nèi)共安裝4組傳感器和4個天線，每組傳感器為3個，系統(tǒng)安裝分布如圖6所示。

圖6 無源無線測溫系統(tǒng)變頻器內(nèi)安裝位置

4 無線無源測溫系統(tǒng)在風電場的應用

基于聲表面波技術的無線無源測溫系統(tǒng)在某風電場安裝后，運行情況良好，無任何故障和安全事故，系統(tǒng)能夠準確地測量風機變頻器的溫度，用戶可通過設置溫度報警閾值給出變頻器的危險溫度，溫度超過閾值時系統(tǒng)自動報警，用戶采取相應措施，防止事故的發(fā)生。無源無線測溫系統(tǒng)運行情況如圖7所示。

系統(tǒng)自動記錄歷史溫度值并形成溫度曲線，每個傳感器用不同顏色區(qū)分，用戶需要了解歷史溫度值時，可通過查詢溫度曲線查看對應時間的溫度值。當某一時間溫度過高時，系統(tǒng)自動報警，并且自動記錄報警時間和溫度，為用戶提供直觀的數(shù)據(jù)支持。

圖7 無源無線測溫系統(tǒng)運行情況

5 結論

無源無線測溫系統(tǒng)采用聲表面波傳感技術進行測溫，實現(xiàn)了高壓隔離，無需電池，安全性極高，傳感器尺寸小，安裝方便靈活；同時，無線射頻信號具有一定的穿透繞射能力，能夠測量存在障礙物的關鍵部位的溫度；系統(tǒng)具有較強的抗電磁干擾能力，運行穩(wěn)定性較高。該系統(tǒng)應用于某風電場風機變頻器柜內(nèi)溫度的測量，運行情況良好，能夠準確、可靠地測量各測點的溫度并上傳至監(jiān)控終端，系統(tǒng)根據(jù)記錄的溫度形成溫度曲線及報表，可供用戶隨時查詢。

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［6］潘峰.聲表面波材料與器件［M］.北京：科學出版社，2012.

［7］李平，文玉梅，黃尚廉.聲表面波無線無源溫度傳感系統(tǒng)研究［J］.電子測量與儀器學報，2002，16（4）：44-49.

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（本文責編：劉芳）

TM 83

B

1674-1951（2015）07-0068-03

高敏（1989—），男，江西九江人，助理工程師，工學碩士，從事電氣自動化系統(tǒng)設備研發(fā)等方面的工作（E-mail：gaom＠hdmdi.com）。

2014-11-18；

2015-05-25