聲表面波測(cè)溫技術(shù)在高壓開關(guān)柜中的應(yīng)用
摘要：高壓開關(guān)柜的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，由于電磁噪聲、高壓絕緣和空間限制等問(wèn)題，傳統(tǒng)測(cè)溫方式存在局限性。本文介紹了SAW傳感器的原理，無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的組成。結(jié)合高壓開關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析現(xiàn)有電力系統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)的特點(diǎn)，總結(jié)無(wú)源無(wú)線測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：聲表面波傳感器；高壓開關(guān)柜；無(wú)源無(wú)線；測(cè)溫；SAW
引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展和我國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，智能電網(wǎng)已進(jìn)入全面建設(shè)的重要階段。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)作為中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展方向，最主要的特征就是信息化和自動(dòng)化，即實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)狀態(tài)信息的精確采集與高效傳輸。高壓開關(guān)柜具有全封閉、空間狹小，裸露高壓等特點(diǎn)，為了有效避免事故發(fā)生，通常監(jiān)測(cè)其內(nèi)部觸點(diǎn)的溫度，來(lái)分析設(shè)備運(yùn)行情況并及時(shí)采取措施。在新興測(cè)溫技術(shù)中，聲表面波傳感技術(shù)逐漸被人們所熟知，其傳播速度慢，信號(hào)可以完全呈現(xiàn)在晶體表面上，有利于信號(hào)的取樣和變換。而且聲表面波器件抗電磁干擾能力強(qiáng)，高溫適應(yīng)性強(qiáng)，在電力生產(chǎn)和輸電設(shè)施向無(wú)人值守方向發(fā)展過(guò)程中，具有廣闊應(yīng)用前景。
1聲表面波傳感器
1.1 SAW傳感技術(shù)簡(jiǎn)介
Surface Acoustic Wave（聲表面波，簡(jiǎn)稱SAW），泛指沿著介質(zhì)表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，最早于1885年被英國(guó)物理學(xué)家瑞麗發(fā)現(xiàn)?；?/span>SAW的傳感技術(shù)，綜合了聲學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、壓電材料和半導(dǎo)體工藝，具備高精度、低成本、低功耗等特點(diǎn)。它能夠?qū)崿F(xiàn)多種信號(hào)的處理功能，時(shí)間帶寬大，動(dòng)態(tài)范圍大，體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠，易于批量生產(chǎn)，填補(bǔ)了集中參數(shù)電子元件與微波回路工作頻段的空隙。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，SAW傳感技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用在氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。
1.2 SAW傳感器結(jié)構(gòu)
SAW傳感器以壓電材料為基底，用半導(dǎo)體集成電路工藝，淀積和光刻特定形狀和尺寸的金屬膜（IDT）制成。IDT上的電極條交叉配置，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)工作。IDT 和反射柵的指寬、叉指間隔決定了 SAW 傳感器件的工作頻率、寄生抑制、插入損耗和敏感系數(shù)等參數(shù)。基底材料決定了SAW的均勻性、溫度穩(wěn)定性、傳播損耗。半導(dǎo)體工藝的好壞直接影響了SAW傳感器的品質(zhì)。
1.2 SAW傳感器工作原理
聲表面波傳感器必須配合特殊的讀取器使用，因此完整意義上的聲表面波無(wú)線傳感器是一個(gè)包括聲表面波無(wú)線傳感器和讀取器在內(nèi)的系統(tǒng)，二者之間通過(guò)電磁波進(jìn)行信息交換。
聲表面波傳感器接收射頻脈沖查詢信號(hào)（RF），通過(guò)IDT實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，利用信號(hào)中所攜帶的能量進(jìn)行工作。
其工作原理如圖3、圖4所示：傳感器天線接收電信號(hào)，經(jīng) IDT 的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成聲表面波，聲表面波沿基片傳播并被反射柵反射回 IDT，再經(jīng) IDT 的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由天線發(fā)射出去。整個(gè)工作過(guò)程完全是被動(dòng)的，無(wú)需電源提供能量。
1.3 SAW傳感器的分類
根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)和信號(hào)特征的不同，SAW 傳感器件可以分為延遲線型和諧振型兩種，延遲線型 SAW 器件的反射柵分布在距離 IDT 不同距離的位置上，不同的位置會(huì)使得聲波信號(hào)的反射延遲時(shí)間不同。反射延遲時(shí)間還會(huì)受到環(huán)境因素的影響，依靠檢測(cè)時(shí)間延時(shí)的變化就能夠獲得環(huán)境量的變化，實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。
諧振型 SAW 器件的反射柵密布在IDT兩側(cè)，聲表面波信號(hào)構(gòu)成一個(gè)諧振腔，因此其返回信號(hào)是一個(gè)諧振信號(hào)，而諧振頻率除了與設(shè)計(jì)尺寸有關(guān)外，也受到環(huán)境因素的影響，依靠檢測(cè)諧振頻率的變化就能夠獲得環(huán)境量的變化。由于延遲線型的設(shè)計(jì)加工難度低，延遲線型使用多于諧振器。
2.1測(cè)溫技術(shù)簡(jiǎn)介
（4）光纖測(cè)溫：光纖測(cè)溫的基本原理是將感溫光纖緊貼于待測(cè)物體上，由光源向光纖中發(fā)射一束激光脈沖，光纖中的每一點(diǎn)均向后散射一小部分光。這種后向反射光的強(qiáng)度與反射點(diǎn)的溫度相關(guān)聯(lián)，反射點(diǎn)的溫度越高，反射光的強(qiáng)度也越大。后向散射光通過(guò)波分復(fù)用器后，分別進(jìn)入到光電檢測(cè)器和放大器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大至數(shù)據(jù)采集器能夠采集的范圍上，由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行存儲(chǔ)，用于溫度的計(jì)算。
（5）集成電路測(cè)溫：新型集成電路溫度傳感器可直接輸出與熱力學(xué)溫度成比例的電流信號(hào)，在輸出端串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳感器通過(guò)感應(yīng)取電，采用無(wú)線通信方式，根據(jù)觸頭壁或母排上感應(yīng)電流的大小自動(dòng)調(diào)整發(fā)送周期。內(nèi)部硬件上增加了屏蔽罩和保護(hù)電路，可降低脈沖和浪涌帶來(lái)的干擾。
（6）聲表面波測(cè)溫：基于聲表面波的無(wú)線溫度傳感器最大的特點(diǎn)就是傳感器本身不需要電源；其無(wú)線并不是僅僅體現(xiàn)在通訊方式上，同時(shí)也體現(xiàn)在測(cè)溫原理上。測(cè)溫的原理是，傳播在壓電基片表面的聲表面波，其波長(zhǎng)和波速會(huì)隨基片表面或內(nèi)部溫度的改變而變化。由對(duì)應(yīng)的接收器發(fā)出無(wú)線激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)輸入傳感器的壓電基片激起聲表面波，不同溫度下，傳感器輸出不同的信號(hào)，信號(hào)再由接收器接收，經(jīng)過(guò)調(diào)解獲取溫度值。聲表面波傳感器體積小，不需要電源，傳感器成本低是其主要的優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)源，傳感器需要接收采集器發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)，這種激勵(lì)信號(hào)的有效無(wú)線傳輸距離很短；另一方面，由于被測(cè)設(shè)備的震動(dòng)產(chǎn)生位移，導(dǎo)致聲表面波的相位等發(fā)生變化，測(cè)溫的精度有所下降。
2.2測(cè)溫技術(shù)對(duì)比分析
對(duì)比人工、熱敏電阻、半導(dǎo)體、光纖測(cè)溫、紅外測(cè)溫、集成電路、聲表面波測(cè)溫的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。
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名稱 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
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熱敏電阻 |
（1）靈敏度高；（2）價(jià)格便宜 |
（1）布線復(fù)雜；（2）破壞絕緣；（3）易老化，壽命短 |
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半導(dǎo)體 |
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（1）需要電池供電；（2）高溫易損壞；（3）測(cè)溫不連續(xù) |
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紅外測(cè)溫 |
（1）靈敏度高；（2）測(cè)溫范圍遠(yuǎn)；（3）使用壽命長(zhǎng) |
（1）受光照、灰塵等環(huán)境影響；（2）誤差大； |
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光纖測(cè)溫 |
（1）測(cè)溫范圍廣；（2）精度高；（3）抗磁場(chǎng)干擾 |
（1）安裝困難，布線復(fù)雜；（2）易損壞；（3）成本高 |
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集成電路 |
（4）安裝方便 |
（1）對(duì)被測(cè)設(shè)備工作電流有范圍限制 |
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聲表面波 |
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（1）無(wú)線傳輸距離在十幾米以內(nèi)；（2）受設(shè)備震動(dòng)影響 |
智能電網(wǎng)要求高壓開關(guān)柜的測(cè)溫不能破壞絕緣，要具備維護(hù)周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比分析可以看到，聲表面波測(cè)溫技術(shù)不需要電池供電，雖然傳輸距離不如有源傳感器，但十幾米的傳輸距離已經(jīng)足夠，且具備耐高溫，抗高電壓和強(qiáng)電磁干擾的特點(diǎn)，擁有壽命長(zhǎng)，免維護(hù)，安全可靠，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)等優(yōu)勢(shì)，是電力開關(guān)設(shè)備在線測(cè)溫的優(yōu)良選擇。
3聲表面波測(cè)溫系統(tǒng)
3.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介
SAW無(wú)線溫度傳感器對(duì)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量后，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳遞給通訊中斷，經(jīng)總線連接，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)從通訊終端采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存。Web界面可實(shí)時(shí)顯示溫度變化曲線，并進(jìn)行分析，一旦發(fā)現(xiàn)過(guò)熱或急劇升溫事故超過(guò)設(shè)定報(bào)警溫度時(shí)立即報(bào)警。
開關(guān)柜溫度可靠性分析系統(tǒng)主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、判斷和處理，將處理結(jié)果由通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送帶本地監(jiān)控中心，將分析結(jié)果作為設(shè)備的檢測(cè)依據(jù)，結(jié)合自身的運(yùn)行環(huán)境，形成測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范，實(shí)現(xiàn)變電站的五人值守管理。
3.2 SAW傳感器的安裝
聲表面波傳感器安裝的位置，主要針對(duì)開關(guān)柜內(nèi)電氣接點(diǎn)，如母排、斷路器動(dòng)/靜觸頭、變壓器進(jìn)出線接點(diǎn)、電纜接頭，戶外如刀閘、斷路器、變壓器進(jìn)出線接點(diǎn)等。檢測(cè)開關(guān)設(shè)備因老化、接觸不良、電流過(guò)載等因素引起溫升過(guò)高等問(wèn)題，當(dāng)溫度過(guò)高超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)能及時(shí)報(bào)警，并通知運(yùn)維人員處理，減少設(shè)備的損失。
傳感器通過(guò)螺栓固定在斷路器手車的觸頭上的示例，見圖6；讀取天線安裝在開關(guān)柜內(nèi)壁上的示例，見圖7。讀取天線和讀取器采取分離形式，之間通過(guò)射頻電纜相連。無(wú)線傳輸距離在一般在十米以內(nèi)，讀取器安裝在開關(guān)柜儀表室的導(dǎo)軌上。對(duì)于已投運(yùn)的變電站加裝測(cè)溫系統(tǒng)，需停電后操作，往往停電時(shí)間短，但是測(cè)溫點(diǎn)很多，安裝難度較大。
4結(jié)束語(yǔ)
相對(duì)于其他在線測(cè)溫方式，聲表面波無(wú)線測(cè)溫方式不會(huì)對(duì)高壓電氣設(shè)備的絕緣造成影響，避免了有線測(cè)溫“爬電”等安全隱患；SAW傳感器完全無(wú)源，不帶電池，避免了電池高溫爆炸和化學(xué)泄露，使用壽命長(zhǎng)；體積小，積安裝方便靈活，不受電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)和空間影響；測(cè)溫實(shí)時(shí)性好，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度變化。
隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，SAW傳感器正逐步改進(jìn)升級(jí)，聲表面波測(cè)溫技術(shù)將在電氣設(shè)備測(cè)溫領(lǐng)域得到應(yīng)用。
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話題討論
話題討論1:
SAW測(cè)溫技術(shù)在高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，其應(yīng)用前景廣闊。建議結(jié)合實(shí)際需求，逐步推廣該技術(shù)，提升高壓開關(guān)柜的運(yùn)行安全性和可靠性。
2024-04-18 13:41:43
回復(fù)回復(fù)1:
無(wú)需與帶電體直接接觸，安全性高，且不影響設(shè)備正常運(yùn)行。
2025-01-07 18:32:17
回復(fù)話題討論2:
建議：關(guān)鍵部位監(jiān)測(cè)： 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷路器觸頭、母線連接處等易發(fā)熱部位。 多傳感器布置： 根據(jù)柜體結(jié)構(gòu)和發(fā)熱情況，合理布置多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)。 數(shù)據(jù)融合分析： 結(jié)合其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如電流、電壓），進(jìn)行綜合分析，提升故障診斷準(zhǔn)確性。 系統(tǒng)集成： 將SAW測(cè)溫系統(tǒng)與現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。 標(biāo)準(zhǔn)制定： 推動(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，規(guī)范應(yīng)用。
2024-09-11 19:29:17
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