基于SAW的無源無線測(cè)溫技術(shù)在電力系統(tǒng)中的適用性分析

王賽一 袁秋實(shí)

（1.國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海201202；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平進(jìn)一步提升，電力系統(tǒng)進(jìn)入新的發(fā)展階段，系統(tǒng)電壓進(jìn)一步提高，工作電流進(jìn)一步加大，相關(guān)設(shè)備所產(chǎn)生的熱量也大幅提高，極易對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損害并使系統(tǒng)發(fā)生故障。在此背景下，測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的重要性大幅提升，如何更有效、更準(zhǔn)確、更實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度成為保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要一環(huán)。

SAW傳感器采用非動(dòng)感應(yīng)的原理，不需要額外配備電池，減少了維護(hù)成本，進(jìn)而不會(huì)因換電源對(duì)環(huán)境造成污染。其溫度采樣方式無需在被測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行連線，傳感器與采集裝置間不需要連線，從而實(shí)現(xiàn)了隔離并提升了設(shè)備運(yùn)行的安全性。無源無線溫度傳感器體積小，數(shù)據(jù)傳輸采用無線方式，安裝方便，不受空間及結(jié)構(gòu)的影響。

基于SAW的無線無源測(cè)溫技術(shù)能實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)，通過對(duì)溫度的分析，能對(duì)設(shè)備的異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)先判斷。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線化，提升了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確程度，也減少了運(yùn)維成本，對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)先判斷提升了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，對(duì)設(shè)備“按需檢修”的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

1 測(cè)溫系統(tǒng)的比較分析

隨著電氣設(shè)備電壓等級(jí)的不斷提升及工作電流的不斷加大，設(shè)備發(fā)熱現(xiàn)象越發(fā)顯著，超溫成為導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備故障的重要外界因素，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行過程中的溫度超過其所規(guī)定的固定溫度時(shí)，會(huì)使設(shè)備的正常運(yùn)行受到一定影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備毀壞等嚴(yán)重事故[1]。為完成對(duì)設(shè)備溫度的檢測(cè)任務(wù)，目前電力系統(tǒng)中有多種不同原理的測(cè)溫系統(tǒng)，最為常見的溫度測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量蠟片、測(cè)溫光纖、測(cè)溫紅外、無線測(cè)溫系統(tǒng)等[2]，其比較如表1所示。

表1 各類型測(cè)溫系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)比較

1.1 測(cè)溫蠟片

測(cè)溫蠟片是一種使用便捷的測(cè)溫產(chǎn)品，其貼在被測(cè)物體上后，能夠隨自身溫度的變化而改變顏色，以此顯示被測(cè)物體溫度。測(cè)溫蠟片經(jīng)常應(yīng)用于變電室內(nèi)母線連接部位、變壓器、電機(jī)、電容器等電氣部件的溫度測(cè)量，一旦被測(cè)溫度超過該測(cè)溫貼片的變色溫度，其顏色就會(huì)發(fā)生改變，巡檢人員可在巡視中發(fā)現(xiàn)這一異常，進(jìn)行故障或隱患的處置，避免事故的發(fā)生。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）原理簡單，易于操作，無需額外的輔助設(shè)備，使用時(shí)直接貼在被測(cè)物體上即可；

（2）安全可靠，不會(huì)對(duì)電氣回路產(chǎn)生影響，可用于普通溫度計(jì)無法測(cè)量或難以測(cè)量的部件、場合；

（3）超過變色溫度后，變化明顯，巡檢人員極易發(fā)現(xiàn)，能夠進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，避免事故發(fā)生[3]；

（4）成本低廉，經(jīng)濟(jì)性好，費(fèi)用明顯低于其他測(cè)溫方式。缺點(diǎn)：

（1）無法精確顯示被測(cè)溫度；

（2）無法記錄被測(cè)物體溫度的變化趨勢(shì)；

（3）一個(gè)測(cè)溫蠟片只可測(cè)量一個(gè)被測(cè)點(diǎn)，不可重復(fù)利用；

（4）必須停電后才可進(jìn)行測(cè)溫蠟片的安裝，不停電無法新增測(cè)點(diǎn)。

1.2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

分布式光纖測(cè)溫是通過測(cè)量空間溫度場分布來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的，近年來發(fā)展較為迅速。光纖溫度傳感器是連續(xù)、分布式的[4]，其主要依據(jù)后向的喇曼散射溫度所產(chǎn)生的效應(yīng)，其中喇曼散射是由分子的熱振動(dòng)發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，具體地說，如果光能轉(zhuǎn)換成為熱振動(dòng)，則會(huì)發(fā)出一個(gè)比光源波長長的光，為Stokes光；如果熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換成為光能，則發(fā)出一個(gè)比光源波長短的光，為Anti_Stokes光[5]。喇曼散射光就是由這兩種不同波長的光組成的。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)將光纖既用作傳輸媒體也用作傳感媒體，進(jìn)行溫度場內(nèi)的溫度測(cè)量，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)利用光時(shí)域反射技術(shù)精確定位測(cè)量點(diǎn)。該方法具有防爆、抗干擾、抗燃、耐腐蝕、耐高壓、快速多點(diǎn)測(cè)溫并定位等優(yōu)點(diǎn)，適用范圍十分廣，廣泛適用于特高壓和有強(qiáng)電磁干擾的場所[6]。

1.3 紅外測(cè)溫系統(tǒng)

通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能根據(jù)黑體輻射定律通過計(jì)算得到它的表面溫度，這是紅外測(cè)溫實(shí)現(xiàn)的客觀基礎(chǔ)[7]。

紅外測(cè)溫系統(tǒng)可將溫度這一物理量轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)來進(jìn)行測(cè)量，一般由信號(hào)處理器、信號(hào)放大器、光電探測(cè)器和紅外光學(xué)系統(tǒng)這幾個(gè)重要部分組合而成。而放大微弱的電信號(hào)需要信號(hào)放大器[8]。

紅外測(cè)溫系統(tǒng)具有壽命長、響應(yīng)快、非消耗性等優(yōu)點(diǎn)，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量。但受限于其測(cè)溫原理及外圍因素，抗干擾能力差，受輻射光、煙霧、蒸氣、塵埃影響大，同時(shí)也會(huì)受到被測(cè)物體發(fā)射率的影響，可能導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。為改善紅外測(cè)溫系統(tǒng)，可使用比色法測(cè)量溫度，因?yàn)椴煌瑲怏w對(duì)紅外輻射的吸收具有選擇性，可選用合適的波段，以降低外界的影響，被測(cè)物體光譜發(fā)射率也不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，但工藝較為復(fù)雜，造價(jià)高昂。

1.4 無線無源測(cè)溫系統(tǒng)

無線傳感器分為兩種：無線有源式傳感器和無線無源式傳感器。無線有源式由于有電源供電，傳感距離可以非常遠(yuǎn)，可選擇的電路也較多，處理和控制靈活、方便，目前已得到廣泛應(yīng)用。但對(duì)于不能提供電源、不易更換電池的位置及易爆易燃等危險(xiǎn)場合，有源傳感器則不再適用。隨著現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其在智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，對(duì)無線傳感器技術(shù)的需求顯得極為迫切，要求傳感器無源、無線、長壽命、測(cè)程長、環(huán)境適應(yīng)性良好且可進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量[9]。因此，為滿足日益增長的量測(cè)需求，無源無線傳感器在現(xiàn)有技術(shù)中成為了較為合適的選擇。由SAW器件所構(gòu)成的無源無線溫度傳感器除無源、無需供電的特點(diǎn)外，還具備使用壽命長、抗惡劣環(huán)境、使用安裝方便、成本低等特點(diǎn)，可在較寬的溫度量測(cè)范圍內(nèi)工作，如采用諧振型傳感器還可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，可作為智能電網(wǎng)及相關(guān)領(lǐng)域無線測(cè)溫技術(shù)的理想選擇。因此，研究SAW傳感系統(tǒng)對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)溫度量測(cè)等特殊應(yīng)用場合具有顯著意義。

2 基于SAW的無源無線測(cè)溫技術(shù)原理

SAW（Surface Acoustic Wave）溫度傳感器采用聲表面波技術(shù)，與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有精度高、靈敏度高、易集成、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，最突出的是其可在高電壓、大電流的惡劣環(huán)境中連續(xù)工作。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。SAW諧振型傳感器主要由天線和附有反射柵、叉指轉(zhuǎn)換器的壓電基片組成，如圖1虛框所示。

聲表面波（SAW）是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。通過逆壓電效應(yīng)將電磁波轉(zhuǎn)換為一定頻率的聲表面波，聲表面波被轉(zhuǎn)換為特定諧振頻率的電磁波，然后通過天線輸出；溫度變化使得聲表面波（SAW）的傳播速度發(fā)生變化，進(jìn)而引起諧振頻率的變化；在一定頻率范圍內(nèi)溫度和諧振頻率成線性關(guān)系，因此，通過電磁波頻率可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為溫度。每個(gè)傳感器具有唯一的諧振頻帶；傳感器的諧振頻帶和測(cè)溫終端的頻帶必須匹配。

3 基于SAW傳感器的無線無源測(cè)溫系統(tǒng)適用場景分析

根據(jù)上述比較分析，基于SAW傳感器的無線無源測(cè)溫系統(tǒng)各項(xiàng)性能均較為出色，如不考慮價(jià)格因素，其具有十分巨大的應(yīng)用潛力。但考慮成本因素，基于SAW的無線無源測(cè)溫系統(tǒng)僅在觀測(cè)具有局限性、安全要求較高、測(cè)量精度要求較高等情況下才具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因此分析其實(shí)際適用場景，在合理的應(yīng)用場景進(jìn)行推廣顯得十分重要。

圖1 SAW諧振型測(cè)溫傳感器

發(fā)電廠、變電站高壓開關(guān)柜及大電流柜在工作運(yùn)行過程中要承受極大的工作電流，設(shè)備在長期的運(yùn)行過程中，母線和開關(guān)觸點(diǎn)、電纜連接處因?yàn)槔匣蚪佑|電阻過大而產(chǎn)生熱量，當(dāng)溫度升高超過規(guī)定值時(shí)，會(huì)加快動(dòng)觸頭以及靜觸頭的觸點(diǎn)氧化，而氧化結(jié)果又會(huì)導(dǎo)致接觸電阻值增大，使得發(fā)熱現(xiàn)象更加嚴(yán)重，從而整體形成惡性循環(huán)。近年來，在電廠以及變電站已經(jīng)發(fā)生了多起開關(guān)過熱事故，從而造成火災(zāi)和大面積停電事故。為防止開關(guān)過熱問題再次導(dǎo)致事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)成為保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段[10]。由于開關(guān)柜空間封閉狹小且?guī)щ姡ぷ魅藛T無法對(duì)柜內(nèi)進(jìn)行溫度檢查。常見的溫度測(cè)量系統(tǒng)如分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，雖然也可以直接測(cè)量高壓設(shè)備溫度，并且具備較高的精確度，但在配電裝置進(jìn)行安裝以及后期維護(hù)時(shí)，復(fù)雜程度較高，與此同時(shí)，高壓設(shè)備長期處于高溫高壓的運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)使無線光纖的穩(wěn)定性有所降低。而紅外測(cè)溫系統(tǒng)在進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的過程中，極易受到外界環(huán)境中光照、氣流以及灰塵的影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)所測(cè)溫度精確度較低。無線無源測(cè)溫系統(tǒng)在此應(yīng)用場景內(nèi)，不僅體積小，還能直接與被測(cè)點(diǎn)接觸，在長期高溫環(huán)境下其監(jiān)測(cè)溫度穩(wěn)定性高、施工簡單、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[11]，既能夠滿足溫度監(jiān)測(cè)精確性要求，還能夠保證測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而在該領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖2為華東某電廠使用的基于SAW傳感器的無線無源測(cè)溫系統(tǒng)的使用情況，可以看到，該測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫具有實(shí)時(shí)性，相關(guān)測(cè)量結(jié)果可以生成曲線幫助運(yùn)行或檢修人員監(jiān)視設(shè)備情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患。

圖2 指定時(shí)間內(nèi)的溫度曲線

同時(shí)，由于該測(cè)溫系統(tǒng)具有連續(xù)性，通過對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的溫度曲線進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確判斷出設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，圖3和圖4分別是載流量過大時(shí)的實(shí)測(cè)溫度曲線和設(shè)備老化時(shí)的實(shí)測(cè)溫度曲線，可以看到，兩條曲線有著顯著區(qū)別，可以簡單地進(jìn)行分辨。

圖3 載流量過大溫度曲線

圖4 設(shè)備老化溫度曲線

4 結(jié)語

綜上所述，無源無線聲表面波傳感器是適應(yīng)市場和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的一種新型傳感器，其彌補(bǔ)了傳統(tǒng)溫度傳感器所存在的各種缺陷，在電力系統(tǒng)設(shè)備測(cè)溫中具有廣泛的應(yīng)用前景。而基于SAW傳感器的無線無源測(cè)溫系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站高壓開關(guān)柜及大電流柜的測(cè)溫中具有十分強(qiáng)的適用性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和隱患排查有著顯著作用。