1．背景

對(duì)于電網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)及電力系統(tǒng)資源的最優(yōu)化利用方案實(shí)施，最有效的方法是對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，溫度則是需要監(jiān)測(cè)的最重要數(shù)據(jù)之一。電力設(shè)備溫升主要是由流過電纜的電流引起的。

當(dāng)電力設(shè)備中有節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路或者絕緣老化時(shí)，表現(xiàn)出來的就是該處局部發(fā)熱，溫度異常升高，繼而使觸電膨脹氧化使節(jié)點(diǎn)電阻增大，發(fā)熱量進(jìn)一步上升，溫度繼續(xù)升高，形成一個(gè)惡性循環(huán)。而對(duì)于電纜中正常電流，溫度則會(huì)保持在一定的水平。

因此，通過對(duì)電力設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)，即可知曉電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的負(fù)荷情況。通過整合電網(wǎng)信息資源，可以實(shí)現(xiàn)電力信息和資源共享的最大化，在發(fā)生設(shè)備隱患的第一時(shí)間就能發(fā)現(xiàn)并處理隱患，且在保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)的情況下，提高電力電網(wǎng)輸送電力的效率。

2. 目前電力系統(tǒng)測(cè)溫方案簡(jiǎn)介

高壓電力設(shè)備由于其環(huán)境的特殊性，對(duì)其中節(jié)點(diǎn)的測(cè)溫有如下難點(diǎn)：

1） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)眾多：初步統(tǒng)計(jì)一個(gè)220KV變電站的各種電纜接頭達(dá)數(shù)千個(gè)；

2） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置千差萬別 ：有的在室內(nèi)、有的在室外；有的在控制柜內(nèi)、有的裸露在高空；

3） 要求傳感器與外界徹底隔離：布線會(huì)帶來新的安全隱患，傳感器供電問題難以解決；

4） 電磁干擾強(qiáng)：電壓高達(dá)數(shù)萬乃至幾十萬伏，電流幾十安培甚至上百安培，設(shè)備周圍分布著極強(qiáng)的電磁場(chǎng)干擾；

5） 工作環(huán)境溫度高：要求傳感器能在120℃高溫下工作。

目前用于電力系統(tǒng)的測(cè)溫解決方案有如下幾種：

(1) 紅外測(cè)溫

紅外測(cè)溫儀適合人工巡查測(cè)溫，因?yàn)槭褂帽容^靈活，現(xiàn)在已經(jīng)成為高壓電力設(shè)備溫度檢測(cè)的一個(gè)主要手段。紅外測(cè)溫儀的缺點(diǎn)是體積較大,成本高,精度一般（與距離有關(guān)），特別是它無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外紅外線無法繞射透過遮擋物、準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)鍵接點(diǎn)處溫度，限制了它在一些場(chǎng)合的應(yīng)用。[1]

(2) 光纖測(cè)溫

光纖式溫度測(cè)溫儀采用光纖傳遞信號(hào)，其溫度傳感頭安裝在帶電物體的表面，測(cè)溫儀與溫度傳感器間用光纖連接。[2]光纖具有易折，易斷的特性,安裝比較復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)較高，特別是積累灰塵后易使絕緣性降低，可能造成意外事故。

（3）無線測(cè)溫

現(xiàn)有的無線測(cè)溫方案，采用電池或者小CT取能給測(cè)溫芯片供電，再將測(cè)溫芯片得到的信號(hào)通過無線芯片無線發(fā)出。這種方案雖然實(shí)現(xiàn)了溫度信號(hào)的無線傳輸，但是由于該方案屬于有源方案，傳感頭需要電池供電或者小CT取能供電。

電池供電存在需要定時(shí)更換電池，而且電池在夏季抗高溫能力較差，給電力部門的運(yùn)營(yíng)帶來影響；而小CT取能則存在若接頭電流較小，電能無法取出，傳感頭停止工作，若接頭電流較大，則容易燒壞小CT直至燒壞傳感頭。

所謂小CT就是一個(gè)小變壓器，它可以通過感應(yīng)高壓母線上的交變電流取得電能。采用CT取能，傳感頭體積較大，而且布放的位置對(duì)取能效率影響較大，缺乏普遍適應(yīng)性。

3. 聲表面波溫原理

上述測(cè)溫方式在電力系統(tǒng)的測(cè)溫上有很大的局限性，針對(duì)這些缺點(diǎn)，我們?cè)趪?guó)內(nèi)外率先提出將聲表面波（SAW）技術(shù)用于電力系統(tǒng)設(shè)備的測(cè)溫解決方案，該方案具有無線無源的特點(diǎn)，能夠很好的解決上述幾種測(cè)溫方式存在的困難。

聲表面波技術(shù)是上世紀(jì)七、八十年代才逐漸成熟起來的一門新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，它是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科。聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。在具有壓電性的晶體上由于存在壓電性，在電聲之間存在耦合。壓電晶體本身是換能介質(zhì)，在傳播聲表面波的壓電晶體表面可以制作電聲換能器，使電能和聲能互相轉(zhuǎn)換。

目前利用聲表面波測(cè)溫的工作原理主要有兩種，第一種利用基片左端的換能器通過逆壓電效應(yīng)將輸入的無線轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)，此聲信號(hào)沿基片表面?zhèn)鞑ケ晃挥诨叶说囊粋€(gè)或數(shù)個(gè)周期性柵條反射，反射信號(hào)最終由同一個(gè)換能器通過壓電效應(yīng)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成無線應(yīng)答信號(hào)輸出。如圖1所示。

當(dāng)基片的溫度發(fā)生變化時(shí)，引起聲表面波的傳輸速度與反射器的間距的改變，從而引起無線應(yīng)答的相位（時(shí)間延遲）改變，這種改變隨溫度的改變而呈線性變化，因此容易得到測(cè)量的溫度值。第二種如圖2所示，當(dāng)壓電晶體基片上的換能器通過逆壓電效應(yīng)將輸入的無線信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)后，被左右兩個(gè)周期性柵條反射形成諧振。

該諧振器的諧振頻率與基片的溫度有關(guān)，而且諧振頻率的改變隨溫度的改變?cè)谝欢囟确秶鷥?nèi)呈非常線性的關(guān)系，圖3所示的是實(shí)際測(cè)量的諧振頻率隨溫度變化的曲線。當(dāng)同一個(gè)換能器通過壓電效應(yīng)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成無線應(yīng)答信號(hào)輸出后，我們就可以通過測(cè)量頻率變化得到溫度值，故聲表面波測(cè)溫器件為純無源器件。

相比之下，諧振型在靈敏度、可靠性和無線檢測(cè)距離等指標(biāo)方面優(yōu)于延遲型，故在測(cè)溫系統(tǒng)中我們選擇了諧振型聲表面波傳感器。

圖1 延遲線型聲表面波溫度傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 諧振器型聲表面波溫度傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 SAW諧振頻率隨溫度的變化關(guān)系

4. 無線無源溫度傳感系統(tǒng)組成及其特點(diǎn)

無源無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)由測(cè)溫傳感頭、信號(hào)讀寫器與無線中繼、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。前端的傳感頭無需供電，可以方便安裝在高壓帶電體被測(cè)點(diǎn)上，準(zhǔn)確的跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化。

測(cè)溫傳感頭上的天線和與信號(hào)讀寫器相連的接收天線之間無線通信，純絕緣系統(tǒng)，安全性能好，且每個(gè)信號(hào)讀寫裝置可對(duì)應(yīng)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)，即插即用，便于擴(kuò)大規(guī)模和系統(tǒng)升級(jí)；信號(hào)讀寫器將溫度信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)通過光纖傳輸至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無中繼傳輸。

后臺(tái)監(jiān)控器采用時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用等方式同時(shí)控制1-100個(gè)信號(hào)讀寫器，而每個(gè)信號(hào)讀寫器可同時(shí)對(duì)應(yīng)多個(gè)聲表面溫度傳感器，因此，整個(gè)系統(tǒng)可同時(shí)在線監(jiān)測(cè)幾百、上千個(gè)電體被測(cè)點(diǎn)的溫度。以開關(guān)柜內(nèi)的節(jié)點(diǎn)為例，測(cè)溫系統(tǒng)示意圖4。

圖4 無源無線溫度傳感系統(tǒng)示意圖

1） 傳感頭

無源無線傳感頭具有純無源、免維護(hù)、體積小，安裝靈活，可以方便的安裝在被測(cè)點(diǎn)上，準(zhǔn)確的跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化，并以無線方式將數(shù)據(jù)傳到采集器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)點(diǎn)溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測(cè)量。傳感頭見圖5。

圖5 無線無源傳感頭

2） 信號(hào)讀寫器與無線中繼

信號(hào)讀寫器器用來收集傳感頭的溫度信號(hào)，將其重新打包，通過有線或無線方式發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，安裝在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)。信號(hào)讀寫器帶有液晶顯示屏，顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，方便用戶在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)被測(cè)點(diǎn)的溫度。

一個(gè)信號(hào)讀寫器對(duì)應(yīng)有3個(gè)收發(fā)數(shù)據(jù)端口，每個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口連接一個(gè)收發(fā)天線用于與測(cè)溫傳感頭通信。由于各個(gè)傳感探頭的諧振中心頻率不同，每個(gè)收發(fā)天線可以同時(shí)和6個(gè)傳感探頭通信，即一個(gè)信號(hào)讀寫器可對(duì)應(yīng)18個(gè)溫度傳感探頭。

3）后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)將傳感器采集的溫度信息進(jìn)行數(shù)字化分析處理。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通過時(shí)分復(fù)用可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)信號(hào)讀寫器，每個(gè)信號(hào)讀寫器可與18個(gè)傳感探頭通信，即一個(gè)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)控成百上千個(gè)傳感探頭處的溫度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線多點(diǎn)測(cè)溫，并可以存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可及時(shí)判斷被測(cè)點(diǎn)溫度是否正常，并對(duì)可能發(fā)生故障的被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和提前報(bào)警。

5. 無線無源溫度傳感系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

圖6 無源無線傳感頭在開關(guān)柜中的應(yīng)用

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

無源無線傳感頭在開關(guān)柜中的應(yīng)用實(shí)例見圖6，圖7為后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)記錄的測(cè)溫傳感頭測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。圖6中，傳感頭用絕緣膠帶固定在被測(cè)點(diǎn)處，通過右下方的收發(fā)天線與信號(hào)讀寫器通信并反饋實(shí)時(shí)的溫度信號(hào)。

與收發(fā)天線相連的信號(hào)讀寫器將溫度信號(hào)打包并發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)并顯示，見圖7。對(duì)所有的歷史數(shù)據(jù)，我們的系統(tǒng)都會(huì)記錄下來，方便用戶隨時(shí)查看。對(duì)發(fā)生異常的溫度信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)通知用戶及時(shí)排除故障，以避免重大事故。

6. 小結(jié)及展望

過去幾十年，聲表面波器件主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)，各國(guó)的科學(xué)家對(duì)聲表面波的特性和應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)進(jìn)行了大量深入細(xì)致的研究。利用聲表面波測(cè)溫早有學(xué)者提出，但因?yàn)榛诼暠砻娌ㄔ淼臏囟葌鞲衅髟谝话闱闆r下傳播距離較短，而且其他傳統(tǒng)的測(cè)溫方式的相對(duì)成熟。這方面的有關(guān)研究一直停留在理論探索上，工業(yè)應(yīng)用開發(fā)很少。

劉文教授于2008年底首先提出了將聲表面波溫度傳感器應(yīng)用于高壓電力設(shè)備測(cè)溫，目前實(shí)用化成套設(shè)備已經(jīng)開發(fā)成功，并且已經(jīng)批量應(yīng)用在 “廣西供電公司河池供電局變電站開關(guān)柜測(cè)溫項(xiàng)目”，“廣西欽州果子山變電站開關(guān)柜測(cè)溫項(xiàng)目” “廣西欽州港口變電站開關(guān)柜測(cè)溫項(xiàng)目”，“湖北黃石電力集團(tuán)變電站開關(guān)柜測(cè)溫項(xiàng)目”等。已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的廣泛關(guān)注。

由于其無源無線的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)今后可能會(huì)成為智能電網(wǎng)溫度監(jiān)測(cè)的一個(gè)主流方案。關(guān)于無源無線溫度傳感方案的設(shè)計(jì)和改良仍然在持續(xù)進(jìn)行中，針對(duì)基于SAW的無線無源溫度傳感系統(tǒng)的瓶頸在于無線傳輸距離不夠遠(yuǎn)，我們已經(jīng)制定了從SAW測(cè)溫芯片到通信天線的進(jìn)一步改進(jìn)計(jì)劃。

隨著測(cè)溫范圍的提高和測(cè)溫探頭與收發(fā)器天線傳輸距離的提高，針對(duì)高壓電力系統(tǒng)各種設(shè)備測(cè)溫的應(yīng)用會(huì)越來越多。目前可以應(yīng)用的場(chǎng)景是開關(guān)柜組測(cè)溫，電抗器組測(cè)溫，以后將逐步應(yīng)用在電容器組測(cè)溫，地埋電纜節(jié)點(diǎn)測(cè)溫以及架空電纜的測(cè)溫等?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著我們研究開發(fā)的深入，SAW無線無源溫度傳感系統(tǒng)功能會(huì)越來越完善，為智能電網(wǎng)建設(shè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“ 聲表面波無線無源溫度傳感系統(tǒng)”，作者為龔貽文、譚冰 等。）