輸配電設(shè)備發(fā)熱故障溫度指示技術(shù)研究綜述

趙法強(qiáng)，黃洪松，胡琴，周坤，肖龍方,3

(1.深圳供電局有限公司龍崗供電局， 廣東 深圳 518122； 2.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030； 3.重慶市電力公司市北供電局， 重慶 401120)

0 引 言

影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的因素眾多，其中一個(gè)重要且常見(jiàn)的因素是輸配電設(shè)備的問(wèn)題。由于輸配電設(shè)備大多采用封閉式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致散熱差，熱量逐步積累，設(shè)備局部溫度升高，危害設(shè)備的正常運(yùn)行甚至減少設(shè)備的使用壽命。此外，許多輸配電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，故障發(fā)生前溫度都會(huì)大幅上升，如果不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)易造成重大的電氣事故。因此，對(duì)輸配電設(shè)備溫度進(jìn)行直觀、有效地監(jiān)測(cè)不僅關(guān)乎設(shè)備使用壽命，而且關(guān)乎電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

研究人員針對(duì)輸配電設(shè)備發(fā)熱故障特點(diǎn)提出了多種溫度指示技術(shù)，文中根據(jù)已有的研究成果將這些溫度指示技術(shù)總結(jié)歸納為紅外測(cè)溫技術(shù)、熱電偶傳感器技術(shù)、光纖光柵傳感器(Fiber Bragg Grating sensor, FBG sensor)技術(shù)、聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)技術(shù)以及示溫變色材料技術(shù)。

1 輸配電設(shè)備發(fā)熱故障特點(diǎn)分析

輸配電設(shè)備發(fā)熱故障類型一般可分為外部故障和內(nèi)部故障，外部故障一般是設(shè)備外露在空氣中的電氣接頭等部件引起的發(fā)熱故障；內(nèi)部故障一般由設(shè)備內(nèi)部的固體絕緣、油紙絕緣以及設(shè)備內(nèi)部電路引起的發(fā)熱故障[1-2]。設(shè)備發(fā)熱原因較為復(fù)雜，根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理可以歸納為以下幾種：

(1)設(shè)備環(huán)境因素。避雷器、絕緣子等設(shè)備處于自然環(huán)境中，當(dāng)設(shè)備所處環(huán)境為污穢等級(jí)較高地區(qū)，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不斷積污，下雨或霧霜條件下，污穢受潮，電阻分布不均，導(dǎo)致電壓分布異常，泄露電流增大，從而引起設(shè)備發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)造成相間短路，線路電流激增幾倍甚至幾十倍導(dǎo)致溫度異常；

(2)電介質(zhì)性能下降。當(dāng)輸配電設(shè)備絕緣介質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中老化受潮后，其絕緣性能下降，介質(zhì)損耗增大，在同樣的運(yùn)行環(huán)境中發(fā)熱增多，熱量堆積最終導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱；

(3)電路損耗。電路設(shè)計(jì)中導(dǎo)電材料和力學(xué)結(jié)構(gòu)選擇設(shè)計(jì)不合理，安裝工藝不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)導(dǎo)電材料氧化層未清理干凈，導(dǎo)電材料在所處環(huán)境下氧化，在外界作用力下電氣連接點(diǎn)松動(dòng)等問(wèn)題，這些現(xiàn)象都會(huì)引起電路電阻損耗增大導(dǎo)致發(fā)熱增多；

(4)設(shè)備鐵損。部分輸配電設(shè)備中存在磁回路，如果回路設(shè)計(jì)有缺陷，出現(xiàn)漏磁，設(shè)備的外殼一般為鐵制，則可能會(huì)在設(shè)備外殼產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱。鐵芯材料不合格或者在運(yùn)行過(guò)程中劣化受損都會(huì)在磁回路中引起磁滯、磁飽和現(xiàn)象，損耗增多導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱；

(5)冷卻系統(tǒng)故障。例如充有油的輸配電設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)漏油，缺油后設(shè)備散熱不及時(shí)、不均勻就會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備溫度上升。

2 溫度指示技術(shù)

2.1 紅外測(cè)溫技術(shù)

紅外測(cè)溫技術(shù)是一種非接觸式測(cè)溫技術(shù)，應(yīng)用十分廣泛。在自然界中的絕大多數(shù)物體都會(huì)向外界輻射能量，其中紅外能量有著十分明顯的溫度效應(yīng)，與溫度有密切關(guān)系。因此，可以利用紅外輻射測(cè)量物體的溫度，由于物體向外輻射能量的能力與自身溫度滿足普朗克輻射定律，通過(guò)測(cè)量物體向外輻射的紅外能量即可計(jì)算得到物體的溫度[3-6]。

根據(jù)其測(cè)量原理可知，影響紅外測(cè)溫的因素主要有以下幾個(gè)[7-9]：

(1)環(huán)境因素。當(dāng)環(huán)境溫度與被測(cè)物體溫度不一致時(shí)會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，在輻射能量傳播的過(guò)程中，大氣的吸收、散射作用同樣會(huì)影響測(cè)量。大氣吸收和散射紅外輻射能，使得測(cè)量裝置測(cè)得的能量小于被測(cè)物體向外輻射的能量，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，特別當(dāng)大氣中水蒸氣、顆粒物含量較高時(shí)更為嚴(yán)重。因此紅外測(cè)溫應(yīng)在大氣環(huán)境穩(wěn)定、清潔的條件下進(jìn)行，保證其準(zhǔn)確度；

(2)測(cè)量物體的熱發(fā)射率。每個(gè)物體的熱發(fā)射率都不相同，通過(guò)紅外測(cè)溫的前提是被測(cè)物體與紅外測(cè)溫儀的熱發(fā)射率相同，一般選取熱發(fā)射率與紅外測(cè)溫儀相同的物體A作為測(cè)量物，將其放置于被測(cè)物體表面，通過(guò)測(cè)量A的溫度來(lái)得到被測(cè)物體的溫度，如果所選測(cè)量物體A的熱發(fā)射率因表面破損而改變，則會(huì)影響測(cè)量結(jié)果；

(3)測(cè)量距離。紅外測(cè)溫儀接收到的輻射能量除了測(cè)量物體輻射的外，還可能包含大氣輻射、其他物體輻射以及太陽(yáng)輻射，紅外測(cè)溫儀與被測(cè)物體之間的距離越長(zhǎng)，其他輻射能量可能越多，最終的結(jié)果誤差也就越大。

文獻(xiàn)[10]首次將紅外測(cè)溫技術(shù)用于測(cè)量中壓開關(guān)柜接頭溫度，通過(guò)采取加強(qiáng)被測(cè)物表面紅外輻射信號(hào)及電路設(shè)計(jì)等措施，解決了由于紅外輻射信號(hào)微弱造成信號(hào)處理困難的問(wèn)題，探測(cè)器收到紅外信號(hào)并發(fā)出反應(yīng)被測(cè)物體與傳感器溫差的極弱的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器處理，A/D轉(zhuǎn)換以及單片機(jī)處理后顯示被測(cè)物體溫度，成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)備內(nèi)部帶電部位的溫度紅外監(jiān)測(cè)，為其他電氣設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)提供了參考；在此基礎(chǔ)之上，文獻(xiàn)[11]利用紅外傳感器、計(jì)算機(jī)以及通信技術(shù)設(shè)計(jì)了開關(guān)柜接頭溫度的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)果表明在測(cè)溫距離不超過(guò)母排半徑的條件下，測(cè)量誤差均在±1 K之內(nèi)，在不影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[12]針對(duì)電弧爐變壓器的運(yùn)行溫度特點(diǎn)，提出調(diào)整紅外溫度傳感器的發(fā)射率來(lái)匹配被測(cè)物體的發(fā)射率以提高溫度測(cè)量準(zhǔn)確度，通過(guò)熱電偶校對(duì)確定紅外溫度傳感器發(fā)射率最佳值為0.8，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在不同負(fù)載下，該變壓器的溫度測(cè)量值準(zhǔn)確度較高，且誤差在允許范圍內(nèi)，但是該研究?jī)H適用于電弧爐變壓器的溫度測(cè)量，無(wú)法廣泛應(yīng)用。

GIS開關(guān)觸頭廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，由于SF6氣體對(duì)紅外輻射能的吸收作用，紅外測(cè)溫在GIS中的應(yīng)用具有局限性，由HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中可以查到一般紅外傳感器的吸收波段在714 cm-1～1 250 cm-1，而SF6的吸收波段在900 cm-1～990 cm-1，兩者的吸收光譜存在重合部分，因此要將紅外測(cè)溫應(yīng)用于GIS就要消除SF6對(duì)紅外測(cè)溫的影響[13]，文獻(xiàn)[14]通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分析SF6氣體紅外光譜吸收特性，計(jì)算得到在測(cè)溫距離為0.5 m～1 m，壓強(qiáng)為0.4 MPa～0.6 MPa條件下，實(shí)際GIS的SF6氣體對(duì)紅外輻射的吸收率為0.115，對(duì)紅外測(cè)溫有著明顯的影響，對(duì)此提出了一種溫度補(bǔ)償算法，應(yīng)用于不同電壓等級(jí)和壓強(qiáng)的GIS中的紅外測(cè)溫技術(shù)，其修正公式為：

T實(shí)際=t(1-0.0495+0.0492l+0.00943p-

0.0122l2-0.000588lp-0.000264p2)1/4

(1)

式中t為紅外測(cè)溫儀在0.5 m光程下測(cè)到的GIS內(nèi)部溫度；p為GIS壓強(qiáng)；l為光程。

應(yīng)用式(1)補(bǔ)償算法前后的測(cè)量誤差如表1所示，可見(jiàn)修正后測(cè)量誤差顯著下降，表明該算法可以明顯提高GIS內(nèi)部接頭紅外溫度測(cè)量準(zhǔn)確度。對(duì)于帶有屏蔽罩的GIS結(jié)構(gòu)，紅外檢測(cè)難以直接測(cè)量開關(guān)觸頭的溫度，文獻(xiàn)[15]建立熱學(xué)模型，結(jié)合試驗(yàn)得出開關(guān)觸頭溫度與屏蔽罩溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而通過(guò)測(cè)量屏蔽罩溫度得到GIS開關(guān)觸頭的溫度。

表1 測(cè)量結(jié)果誤差Tab.1 Error of measurement results

2.2 熱電偶溫度傳感器技術(shù)

將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體連接在一起形成閉合回路，連接點(diǎn)1和連接點(diǎn)2溫度不同時(shí)，兩點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流，此電流大小由連接點(diǎn)之間的溫差所決定，這種效應(yīng)即為熱電效應(yīng)。熱電偶溫度傳感器就是基于熱電效應(yīng)所設(shè)計(jì)的，溫度高的一端稱為熱端，熱端直接測(cè)量物體溫度，溫度低的一端稱為冷端，冷端一般處于恒溫狀態(tài)下。在導(dǎo)體材料確定的條件下，熱電偶的熱電勢(shì)大小只與兩連接點(diǎn)的溫差有關(guān)，因此測(cè)量熱電偶兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)的大小E(t)即可得到熱端溫度。國(guó)際溫標(biāo)ITS-90制定了不同材料的熱電偶分度表，查表后依據(jù)公式即可計(jì)算出熱端溫度[16-17]。

E(t)=Er(t)+Δe(t)

(2)

Δe(t)=a+bt+ct2

(3)

式中E(t)為熱電偶兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)；Er(t)為溫度t下參考函數(shù)表中的熱電動(dòng)勢(shì);Δe(t)為熱電偶兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)與參考函數(shù)表中的熱電動(dòng)勢(shì)的差值;a、b、c為常數(shù)。

熱電偶溫度傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫范圍大，能很好地適應(yīng)不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測(cè)量對(duì)象，可以在斷路器、電動(dòng)機(jī)、變壓器、避雷器和電纜接頭等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的溫度測(cè)量中廣泛應(yīng)用，也能應(yīng)用在運(yùn)行溫度較高的輸配電設(shè)備測(cè)溫中。由于熱電偶溫度傳感器測(cè)量的是電動(dòng)勢(shì)，需要進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理工作，將其轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)。熱電偶溫度傳感器需要與被測(cè)物體直接接觸，達(dá)到熱量平衡，但被測(cè)物體與熱電偶的熱端之間在進(jìn)行熱交換時(shí)，處于一種不平衡的狀態(tài)，所以二者的溫度也并不相同，兩者之間的傳熱越強(qiáng)，溫度偏差就越大，因此熱電偶溫度傳感器測(cè)量精度較低，一般在1 ℃～2 ℃之間。熱電偶溫度傳感器除了在使用前需要檢定外，在使用過(guò)程中也要定期檢定，因?yàn)闊犭娕家话銥榻饘俨牧希陂L(zhǎng)期使用后很容易被腐蝕氧化，熱學(xué)特性會(huì)發(fā)生改變，測(cè)量誤差增大，因此需要重新檢定減小誤差。

K型熱電偶一直以來(lái)主要依靠進(jìn)口，我國(guó)自行研制了K型熱電偶[18]，與常規(guī)設(shè)計(jì)不同的是熱電偶Ⅰ～Ⅲ均采用了鎧裝結(jié)構(gòu)，避免了軟裝結(jié)構(gòu)與鎧裝結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)在惡劣環(huán)境下易斷裂的問(wèn)題。熱電極的材料選用鎳鉻、鎳鋁，絕緣層材料選用Al2O3含量(質(zhì)量百分比)不低于99.5%的高純氧化鋁，并且發(fā)在常規(guī)退火熱處理工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)退火溫度進(jìn)行了更精確地控制，調(diào)節(jié)保護(hù)氣氛的流量處于最優(yōu)值，以保證熱電偶的均質(zhì)和力學(xué)性能。該設(shè)計(jì)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其響應(yīng)時(shí)間平均值為0.301 s，測(cè)量誤差不超過(guò)0.2 ℃，通過(guò)1E級(jí)鑒定試驗(yàn)，滿足使用要求。

文獻(xiàn)[19]結(jié)合藍(lán)牙與熱電偶傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套開關(guān)柜溫度的在線測(cè)量裝置，由藍(lán)牙發(fā)射模塊的熱電偶傳感器、藍(lán)牙接收模塊的溫度顯示器、局域網(wǎng)、主站終端組成。采用第三代GPS芯片SiRFstar III，為裝置的同步時(shí)鐘提供1PPS同步秒脈沖，保證了溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)性，采用快速確認(rèn)和展頻調(diào)頻的技術(shù)，禁止多臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用相同頻率傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)展頻調(diào)頻技術(shù)，將固定的79個(gè)單獨(dú)且隨機(jī)選擇的頻率分配給每一臺(tái)設(shè)備使用，自動(dòng)定期進(jìn)行頻率更換，具有強(qiáng)大的抗干擾能力。該裝置可實(shí)現(xiàn)在安全帶電運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量開關(guān)柜靜觸頭附近母排、開關(guān)柜出線電纜接頭、戶外高壓開關(guān)等部位的溫度，其平均傳輸速率為1 Mb/s。

文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了一種陶瓷熱電偶，由銦錫氧化物熱電偶制成，基于銦錫氧化物的陶瓷電阻溫度探測(cè)器也在不同的氧氣分壓下進(jìn)行了熱循環(huán)，得到的電阻溫度系數(shù)是穩(wěn)定的，幾乎不受氧氣分壓的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種多功能傳感器，它將一個(gè)陶瓷RTD、一個(gè)陶瓷應(yīng)變傳感器和一個(gè)陶瓷熱電偶集成在一個(gè)共同的基板上，能適用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等極端環(huán)境下的溫度測(cè)量。

2.3 光纖光柵傳感器技術(shù)

光纖光柵傳感器是目前常用于應(yīng)力和溫度測(cè)量的元件。在這種元器件當(dāng)中，纖芯內(nèi)存在一個(gè)作用等同于濾波器或反射的窄帶，當(dāng)一束光射入光纖光柵時(shí)，滿足Bragg條件的波長(zhǎng)將被反射，這個(gè)波稱為Bragg波長(zhǎng)。光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)、有效折射率、周期滿足Bragg方程[21-25]：

λB=2ndfΛ

(4)

式中λB為光纖光柵的Bragg波長(zhǎng);ndf為反向耦合模有效折射率;Λ為光纖光柵周期。

當(dāng)光纖光柵傳感器測(cè)量的溫度、應(yīng)變等物理參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，式中的參數(shù)ndf、Λ會(huì)改變，從而導(dǎo)致反射波長(zhǎng)發(fā)生偏移，實(shí)際應(yīng)用中，在此過(guò)程中外界因素對(duì)光纖光柵傳感器的影響可由下式表述[24-25]：

(5)

式中 ΔλB為光纖光柵波長(zhǎng)偏移量；αf為光纖膨脹系數(shù)；ΔT為環(huán)境溫度改變量；ξ為光纖的熱管系數(shù)；pe為光纖的彈光系數(shù)；Δε為應(yīng)變改變量。

從式(5)中可以看到光纖波長(zhǎng)變化與所測(cè)量的溫度和應(yīng)變有關(guān)，通過(guò)外部裝置等手段避免應(yīng)變對(duì)光纖波長(zhǎng)的影響，則可以得到波長(zhǎng)與溫度變化的對(duì)應(yīng)函數(shù)，即可通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量溫度。

文獻(xiàn)[26]提出一種新型的光柵傳感器熱的設(shè)計(jì)方法，采用熱膨脹大的環(huán)氧粘接金屬管，解決了涂層聚合物材料粘接強(qiáng)度弱和微彎曲的問(wèn)題，提高了材料的熱敏性和對(duì)外力的屏蔽性，并且銅管和陶瓷管測(cè)量了該光纖光柵溫度傳感器的布拉格波長(zhǎng)位移，結(jié)果顯示采用兩者的光纖光柵傳感器的熱敏感度是為使用時(shí)的3.3倍和2.8倍，因此可以通過(guò)使用熱膨脹系數(shù)大的金屬，提高光纖光柵溫度傳感器的熱敏感性。文獻(xiàn)[27]設(shè)計(jì)光纖光柵溫度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，保證了光柵的松弛程度，傳感器的波長(zhǎng)只與溫度變化有關(guān)，將光纖光柵傳感器技術(shù)應(yīng)用于輸電導(dǎo)線的溫度監(jiān)測(cè)。由于傳感器安裝在輸電導(dǎo)線上面，根據(jù)導(dǎo)線自身形狀特點(diǎn)和線路工作環(huán)境，采取了傳感器包裹輸電導(dǎo)線的方式安裝光纖光柵傳感器，固定夾具與導(dǎo)線之間加硅膠避免長(zhǎng)期使用的磨損。光纜由傳感器處連接到光纜箱采用所設(shè)計(jì)的夾具固定，導(dǎo)線上每0.5 m～1 m一個(gè)固定點(diǎn)，桿塔上每2 m～3 m一個(gè)固定點(diǎn)。經(jīng)過(guò)傳感器靈敏度測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果表明溫度傳感器靈敏度9.8 pm/℃，分辨率為0.102 ℃，線性度為0.79%，所設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量輸電導(dǎo)線的溫度。

一般光纖光柵傳感器的封裝材料采用金屬，因此很難應(yīng)用于內(nèi)部為高壓環(huán)境的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[28]根據(jù)變壓器內(nèi)部的環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用于油浸式變壓器內(nèi)部溫度測(cè)量的光纖光柵傳感器。套管與封裝均采用材料為聚四氟乙烯，具有耐高溫、耐腐蝕并具有高絕緣性的特點(diǎn)，能夠滿足變壓器內(nèi)部使用，套管與封裝結(jié)構(gòu)之間使用環(huán)氧樹脂膠粘接。經(jīng)過(guò)多次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定其靈敏度為10.5 pm/℃～10.8 pm/℃之間，線性度與重復(fù)性誤差均小于2%，能夠?qū)崿F(xiàn)油浸式變壓器內(nèi)部的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)。

2.4 聲表面波技術(shù)

聲表面波是指沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波，聲表面波傳感器所需的能量通過(guò)無(wú)線傳輸獲得，是一種無(wú)源器件。聲表面波傳感器由壓電基片、叉指換能器和反射柵三個(gè)部件組成。壓電基片具有壓電效應(yīng)，聲表面波在基片表面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，由于外界環(huán)境因素的改變，如溫度、壓強(qiáng)濕度等，其傳播特性會(huì)發(fā)生變化，基片上的叉指換能器能夠?qū)⒙暡芎碗娔芟嗷マD(zhuǎn)換，通過(guò)分析聲表面波傳播特性的變化來(lái)獲知環(huán)境因素的變化情況[29-32]，而不同的壓電基片材料對(duì)應(yīng)不同的環(huán)境因素，選取合適的基片材料，即可設(shè)計(jì)出只對(duì)溫度因素敏感的聲表面波傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體溫度的測(cè)量。聲表面波傳感器有兩種工作模式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聲表面波傳感器的兩種類型Fig.1 Two types of SAW sensors

延遲線型聲表面波傳感器是由天線接收到激勵(lì)信號(hào)傳遞給叉指換能器，叉指換能器完成能量轉(zhuǎn)換。聲表面波在壓電基片表面?zhèn)鞑?，?jīng)過(guò)延遲后到達(dá)反射柵，然后反射回叉指換能器，由于壓電效應(yīng)被再次轉(zhuǎn)換成激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)天線傳遞給外部設(shè)備，完成聲能與電能的轉(zhuǎn)換，從而檢測(cè)聲表面波傳播特性的變化。

諧振型聲表面波傳感器的基本結(jié)構(gòu)是在叉指換能器的兩邊設(shè)置兩個(gè)反射柵，形成全反射的 F-P腔結(jié)構(gòu)。激勵(lì)出的聲表面波的中心頻率與諧振器的中心頻率相同時(shí)，聲表面波在反射柵間形成諧振，由于外界因素改變聲表面波中心頻率改變，諧振器的中心頻率隨之改變，檢測(cè)到的天線傳出的波信號(hào)變化，從而分析環(huán)境因素的改變。

文獻(xiàn)[33]提出了一種減小信號(hào)延時(shí)誤差的方法，測(cè)量了基于頻率估計(jì)的信號(hào)在第一反射鏡和最后反射鏡之間的最長(zhǎng)延遲時(shí)間，測(cè)量了附加反射鏡之間的虛擬延遲時(shí)間相位差。最后，測(cè)量了最長(zhǎng)延遲時(shí)間的相位差，該方法消除了相應(yīng)反射鏡響應(yīng)之間相位差的模糊，基于此方法設(shè)計(jì)了可同時(shí)接收12個(gè)SAW溫度傳感器的輸電線路測(cè)溫系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[34]在高壓開關(guān)柜的無(wú)源無(wú)線測(cè)溫的研究中采用了聲表面波傳感器技術(shù)。將諧振型聲表面波傳感器安裝于高壓開關(guān)柜內(nèi)部易發(fā)熱的測(cè)溫點(diǎn)，其反射波由無(wú)線測(cè)溫儀接收，無(wú)線測(cè)溫儀主要由DPS控制處理、射頻收發(fā)和外部接口三個(gè)模塊組成，進(jìn)行信號(hào)處理，從反射波中獲取溫度信息，無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明在無(wú)線測(cè)溫儀與聲表面波溫度傳感器的距離在5 m內(nèi)，均能有效檢測(cè)到反射信號(hào)， 30 ℃～100 ℃溫度范圍內(nèi)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的溫度測(cè)量結(jié)果最大誤差在±1 ℃。

圖2 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wireless temperature measurement system

在金屬氧化物避雷器MOA的長(zhǎng)期運(yùn)行中，MOA的荷電率可能會(huì)超出其最大值，電阻片會(huì)老化導(dǎo)致?lián)舸┰斐呻娏κ鹿?。?duì)MOA運(yùn)行狀態(tài)的傳統(tǒng)檢測(cè)方式為測(cè)量MOA的泄漏電流全電流或泄漏電流的阻性分量來(lái)判斷其狀態(tài)，這種方法受MOA的電氣參數(shù)影響較大，且測(cè)量結(jié)果不精確。文獻(xiàn)[35]采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻對(duì)聲表面波傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)芯片ADM2587E連接聲表面波傳感器與主控制器，提高了控制可靠性，結(jié)合雷電流采集信息綜合判斷線路避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)[36]提出通過(guò)測(cè)量MOA的溫度來(lái)判斷其運(yùn)行狀態(tài)，為了不影響MOA的密封性和電氣性能，同時(shí)還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)MOA內(nèi)部溫度，采用聲表面波溫度傳感器來(lái)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)實(shí)際MOA的溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明基于聲表面波傳感器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不會(huì)影響MOA正常運(yùn)行，且能有效測(cè)得其內(nèi)部溫度，為MOA運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)提供了新方法。

2.5 示溫變色材料技術(shù)

示溫變色材料是一種在不同溫度情況下，材料的物理或化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，自身吸收光譜發(fā)生改變，從而呈現(xiàn)出不同的顏色的材料。將示溫變色材料制備成涂料涂覆在電氣設(shè)備表面或制成貼片，當(dāng)電氣設(shè)備表面溫度升高，示溫變色材料溫度變化達(dá)到變色溫度時(shí)，示溫變色材料呈現(xiàn)出不同的顏色。在示溫變色材料中，根據(jù)示溫是否可逆，可將示溫變色材料分為可逆示溫變色材料和不可逆示溫變色材料。不可逆示溫變色材料在使用過(guò)程中，只能記錄以往的溫度情況，但不能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)溫度?？赡媸緶刈兩牧峡梢暂^好地反映當(dāng)前狀態(tài)下被監(jiān)測(cè)區(qū)的溫度狀況。20世紀(jì)80年代以后國(guó)外示溫變色材料的發(fā)展趨向于低溫及可逆兩方面，并趨于向日常應(yīng)用方面發(fā)展，如印刷、紡織服裝和娛樂(lè)等。可逆示溫變色材料在21世紀(jì)初也成為國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)。

目前對(duì)變色材料的研究集中在中低溫范圍和可逆技術(shù)方面，此類變色材料技術(shù)日本較為先進(jìn)，國(guó)內(nèi)在此方面的研究處于起步階段，國(guó)內(nèi)已有研究的變色溫度范圍一般在20 ℃～40 ℃，多應(yīng)用于紡織、防偽等行業(yè)，而變色溫度范圍在40 ℃～70 ℃的可逆變色材料都采用國(guó)外產(chǎn)品。可逆變色材料的原理一般分為以下幾類[37]：

(1)晶格轉(zhuǎn)變。金屬離子化合物在溫度升高后晶格變化導(dǎo)致顏色改變，溫度降低后晶格隨之恢復(fù)，顏色恢復(fù)；

(2)結(jié)構(gòu)或配位數(shù)改變。部分金屬配合物的不同結(jié)構(gòu)或配位數(shù)的顏色不同，這種隨溫度變化的結(jié)構(gòu)或配位數(shù)變化是可逆的；

(3)結(jié)晶水得失機(jī)理。部分元素的無(wú)機(jī)鹽如Co、Ni，其無(wú)機(jī)鹽在有無(wú)結(jié)晶水時(shí)顏色不同，因此得失結(jié)晶水的可逆反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)變色；

(4)PH值變化機(jī)理。部分高級(jí)脂肪酸在升溫后羧基分子活化，PH值發(fā)生改變，與酸堿指示劑作用發(fā)生顏色變化；

(5)電子得失機(jī)理。這類材料由電子給予體、電子接受體和溶劑混合而成，電子給予體、電子接受體無(wú)色體發(fā)生電子轉(zhuǎn)移形成發(fā)色結(jié)構(gòu)顯示顏色，升溫后在溶劑中發(fā)色結(jié)構(gòu)解體而消色。

文獻(xiàn)[38]利用化學(xué)氣相沉淀法在玻璃上制備了TiO2-VO2熱敏性變色薄膜材料，這種復(fù)合材料具有光致親水性、光催化性,在54 ℃具有熱敏變色的性質(zhì)。文獻(xiàn)[39]利用結(jié)晶水得失機(jī)理來(lái)檢測(cè)溫度，讓(CHN2)CuCl4物質(zhì)吸水形成綠色的水合物(CHN2)CuCl4H2O，當(dāng)溫度升高到43 ℃左右時(shí)失去結(jié)晶水形成了(CHN2)2CuCl4，顏色變?yōu)辄S色，當(dāng)溫度降低時(shí)又吸水形成綠色的(CHN2)2CuC14H2O。

目前在電氣領(lǐng)域應(yīng)用的溫致變色材料極少，文獻(xiàn)[40]根據(jù)220 kV輸電線路工況特點(diǎn)選取變色材料做成的涂層，應(yīng)用于輸電線路金具的發(fā)熱故障檢測(cè)，其變色溫度為150 ℃，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明在140 ℃時(shí)金具涂層顏色發(fā)生改變，能夠滿足220 kV輸電線路金具的發(fā)熱故障檢測(cè)要求。文獻(xiàn)[41]基于變色材料發(fā)明了一種輸電線路接點(diǎn)溫度指示器，防止因接頭過(guò)熱導(dǎo)致斷線發(fā)生電氣事故。

針對(duì)輸配電設(shè)備發(fā)熱故障的典型溫度范圍，團(tuán)隊(duì)研究了基于電子得失原理制備的可逆變色材料，用于輸配電設(shè)備發(fā)熱故障檢測(cè)。選擇結(jié)晶紫內(nèi)酯和雙酚A作為電子給予體和電子接受體，硬脂酸作為溶劑，通過(guò)試驗(yàn)篩選出最佳配比，制備出了變色溫度在75 ℃的示溫變色材料，為了提高示溫涂料的耐候性能和避免涂料變色后融化，將示溫涂料微膠囊化，選擇尿素、甲醛溶液作為囊壁原材料，將其包裹在囊壁材料內(nèi)，為變色材料提供一個(gè)與外界隔離的獨(dú)立空間，選擇硫化硅橡膠(RTV)作為填料，制備最終的示溫涂料。變色性能試驗(yàn)結(jié)果表明，示溫涂料從69 ℃藍(lán)色開始變淺，77 ℃完全變?yōu)榘咨?，且RTV含量越低，變色效果越明顯，具有可逆性。

3 討論與分析

隨著傳感器技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，以及測(cè)溫原理的不斷完善，輸配電設(shè)備的溫度檢測(cè)技術(shù)水平也越來(lái)越高，目前紅外測(cè)溫技術(shù)、熱電偶溫度傳感器、光纖光柵傳感器、聲表面波技術(shù)在包括電網(wǎng)在內(nèi)的各領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但由于自身特性，光纖光柵傳感器及聲表面波技術(shù)在電網(wǎng)輸配電設(shè)備溫度測(cè)量中部分場(chǎng)景無(wú)法應(yīng)用；示溫材料測(cè)溫發(fā)展相對(duì)較慢，在電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用并不廣泛。輸配電設(shè)備發(fā)熱故障溫度指示技術(shù)均存在自身優(yōu)勢(shì)以及局限性。

(1)紅外測(cè)溫技術(shù)較為成熟，該技術(shù)不需要接觸到被測(cè)物體，不會(huì)干擾被測(cè)設(shè)備的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷；測(cè)量溫度范圍廣，為非接觸測(cè)溫，所以紅外測(cè)溫儀可以不處于被測(cè)物體環(huán)境中，而是工作在正常的溫度環(huán)境下，因此測(cè)量溫度范圍極大；測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間快；靈敏度高，只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，可進(jìn)行微小溫度變化的物體的溫度測(cè)量和溫度分布測(cè)量。其缺點(diǎn)在于易受環(huán)境因素影響，尤其對(duì)于光滑金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大，局限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度；

(2)熱電偶溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫度測(cè)量范圍寬、 準(zhǔn)確度較高、穩(wěn)定性好以及熱慣性小的特點(diǎn)[42-43]。其缺點(diǎn)是靈敏度低，抗噪性差；熱電偶必須要進(jìn)行定期檢定，人工檢定工作量大，易出錯(cuò)，耗時(shí)長(zhǎng)，而自動(dòng)檢定系統(tǒng)售價(jià)整體偏貴；熱電極為金屬材料，易腐蝕，需經(jīng)常維護(hù)；熱電偶溫度傳感器冷端的溫度需要保持恒定，而隨著輸配電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境改變，溫度也會(huì)不同，此時(shí)冷端的溫度會(huì)隨之改變且其冷端補(bǔ)償困難。因此，熱電偶溫度傳感器一般用于工業(yè)中的溫度測(cè)量；

(3)光纖光柵傳感器的材料絕緣水平高、體積小、重量輕，其溫度測(cè)量精度高，無(wú)需供電，具有優(yōu)異的絕緣性能和抗電磁干擾性能，穩(wěn)定性好。其不足之處是用于輸配電設(shè)備溫度檢測(cè)時(shí)，為了避開測(cè)溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境，光纖只作為光信號(hào)傳輸元件，由于存在光纖與傳感頭的光耦合問(wèn)題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類的干擾較敏感；

(4)聲表面波技術(shù)為無(wú)線無(wú)源的溫度測(cè)量方式，不會(huì)影響被測(cè)物體的高壓絕緣性能，無(wú)需電池，避免一定的安全隱患，安全性與可靠性高，安裝簡(jiǎn)單。無(wú)源溫度傳感器體積小，與讀取器之間數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，安裝方便靈活，不受設(shè)備結(jié)構(gòu)和空間影響；響應(yīng)時(shí)間極快，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)溫。不足之處在于其傳感器設(shè)計(jì)較為困難，無(wú)線傳輸距離較短，一般在十米內(nèi)，測(cè)量精度低，易受設(shè)備振動(dòng)等外界因素影響；

(5)示溫材料測(cè)溫技術(shù)操作簡(jiǎn)單方便，不需要其他測(cè)量?jī)x器設(shè)備，操作人員易掌握，特別適合于日常的發(fā)熱故障巡視檢測(cè)；該技術(shù)具有較寬的使用范圍，對(duì)于金屬與非金屬物體均可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫；對(duì)于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)備、對(duì)溫度分布不均且面積較大的設(shè)備的溫度監(jiān)控具有極大優(yōu)勢(shì)。其局限性在于不能測(cè)量封閉設(shè)備內(nèi)部和肉眼所觀察不到的部位，目前對(duì)于輸配電設(shè)備發(fā)熱故障溫度點(diǎn)的示溫材料研究較少，缺乏相應(yīng)變色溫度的材料。

輸配電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，減少輸配電設(shè)備發(fā)熱故障，監(jiān)測(cè)輸配電設(shè)備運(yùn)行溫度對(duì)降低電網(wǎng)事故有著至關(guān)重要的作用[44]。因此要求對(duì)輸變電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中溫度的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，快速掌握其運(yùn)行狀況。結(jié)合現(xiàn)有溫度指示技術(shù)的特點(diǎn)分析，未來(lái)研究方向應(yīng)著重于解決溫度指示技術(shù)中存在的不足，開發(fā)出受電磁場(chǎng)、振動(dòng)等環(huán)境因素影響小，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，操作及安裝簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好的溫度指示技術(shù)。一方面，傳感器技術(shù)的改進(jìn)需要材料科學(xué)的進(jìn)一步突破，研發(fā)出能應(yīng)用于傳感器技術(shù)且性能更為優(yōu)異的新材料，但材料科學(xué)突破難度較大；另一方面，可考慮廣泛應(yīng)用示溫變色材料，其變色機(jī)理研究較為成熟，有機(jī)物、無(wú)機(jī)物反應(yīng)過(guò)程研究清晰，研究開發(fā)出適應(yīng)輸變電設(shè)備發(fā)熱故障溫度檢測(cè)的示溫變色材料的可行性較高，還可以通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，易于滿足輸變電設(shè)備發(fā)熱故障溫度檢測(cè)的發(fā)展要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)有研究中可以知道，各項(xiàng)技術(shù)均存在局限性，需要進(jìn)一步地研究完善溫度指示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在輸配電設(shè)備溫度指示的廣泛應(yīng)用。紅外測(cè)溫技術(shù)可遠(yuǎn)程測(cè)溫，響應(yīng)時(shí)間快，靈敏度高，缺點(diǎn)是易受環(huán)境影響，不適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)；熱電偶溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫范圍寬，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是靈敏度低，抗噪性差，維護(hù)工作復(fù)雜；光纖光柵傳感器具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是易受機(jī)械振動(dòng)干擾，在輸配電設(shè)備測(cè)溫中應(yīng)用場(chǎng)景受限；聲表面波技術(shù)安全可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間快，缺點(diǎn)是靈敏度較低，測(cè)量距離短：示溫材料測(cè)溫技術(shù)操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用環(huán)境廣，缺點(diǎn)是不能測(cè)量封閉環(huán)境的物體溫度。

輸配電設(shè)備溫度指示技術(shù)趨勢(shì)是向無(wú)線無(wú)源，可視化，簡(jiǎn)單化，實(shí)時(shí)化的方向發(fā)展。而示溫材料測(cè)溫操作極為簡(jiǎn)單，不需要搭建線路、信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換等，對(duì)被測(cè)物體形狀結(jié)構(gòu)沒(méi)有要求，測(cè)量結(jié)果簡(jiǎn)單可視，可為輸配電設(shè)備日常巡視提供極大方便，需要更多的研究者們探尋適用于輸配電設(shè)備發(fā)熱故障溫度指示的示溫材料，研究出顏色變化顯著、變色靈敏、耐候性好、易于制備的示溫材料，使其在輸配電設(shè)備示溫中廣泛應(yīng)用。