聲表面波遠程溫度傳感系統在變電站中的應用

韓 鵬

（聊城供電公司，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著智能電網建設的日益推進，智能變電站改造也大力實施，而在變電站中，電力設備的熱效應是多種故障和異常現象的重要原因，因此對電力設備的溫度進行密切監測，是保障電力設備運行可靠的必備手段。但是變電站中對溫度的監控點非常多，斷路器、互感器、隔離開關連接點達到數百甚至上千個，且分布位置千差萬別，有開關柜內的，也有高空裸露的，為溫度監測帶來極大的不便。現在變電站內多采用紅外測溫和無線測溫方案。紅外測溫需要人工使用紅外熱像儀定時對各設備掃描巡檢，定時跨度長，無法實現實時在線監控。而無線測溫方案需要采用電池或小CT取能來給測溫芯片供電，再將測溫芯片數據通過無線芯片發出，這種方案設備體積大，且使用有源方案，需要更換電池或維護CT，不具備普遍性。

1 聲表面波測溫原理

聲表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿物體表面傳播的一種彈性波。由于聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬倍，且在它的傳播路徑上容易取樣和進行處理，尤其在具有壓電性的晶體上由于存在壓電性，故在電聲之間存在耦合關系。壓電晶體本身是換能介質，因此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換，利用此特性，聲表面波的各種探測器應運而生。

目前利用聲表面波測溫的器件主要有延遲線型和諧振器型兩種，主要探討諧振器型聲表面波器件的測溫原理。

把電壓加載在壓電晶體如石英的電極上，由于壓電效應就會在壓電晶體的晶格中形成機械畸變。所謂的聲表面波就是在壓電基片材料表面產生并傳播、并且其振幅隨深入基片材料的深度增加而迅速減少的彈性波。叉指換能器（聲電換能器）的形狀是指狀電極結構，即手指相互交叉的形式（圖1）。聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個叉指換能器，每兩個這種相互交叉的指狀系統構成一個指間轉換器或者叉指換能器［1］。

諧振型聲表面波測溫的工作原理是，基片左端的換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應將輸入的射頻轉變成聲信號，此聲信號沿基片表面傳播，最終由基片左邊的發射器（輸出換能器）將聲信號轉變成射頻應答信號輸出（圖2）。

圖1 叉指換能器

圖2 換能器工作原理圖

而當基片的溫度發生變化時，引起聲表面波的傳輸速度與發射器間距的改變，從而引起射頻應答的諧振頻率改變，這種改變隨溫度改變而呈線性變化（圖3），因此很容易得到測量的溫度值［2］。整個聲表面波器件的功能是通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理，并利用聲—電換能器的特性來完成的。

圖3 SAW諧振頻率隨溫度的變化關系

傳感頭的工作原理是將射頻信號發射到壓電材料的表面，然后將受到溫度影響了的反射波再轉回電信號而獲取溫度數據。表面波技術的最大好處是利用了傳感器的被動工作原理，即在非常規的運行環境下（高電壓，高電流）實現無線溫度數據采集［3］。

2 聲表面波遠程溫度傳感系統解決方案

整個SAW溫度傳感系統由傳感頭、信號讀寫器（無線讀寫器+無線接收器）及后臺監控系統組成，每一個信號讀寫器控制一組SAW傳感頭，信號讀寫器每隔一定時間向SAW傳感頭發射無線信號，傳感頭接收信號后，經過電聲—聲電變換后反射帶有溫度信息的無線信號，讀寫器接受到反射的無線信號后，經過編譯、打包，通過光纖網絡將符合IEC61850的溫度數據發送至變電站后臺監控系統，后臺監控系統同時監控所有的信號讀寫器，將所有傳感頭上傳的數據進行分析處理，實現實時的溫度監控和事故告警，SAW遠程溫度傳感系統組成如圖4所示。

圖4 SAW遠程溫度傳感系統組成

現場應用示意如圖5所示，圈區域代表一個讀寫器控制的范圍。通常一個讀寫器可控制4～12個傳感頭，適合一個間隔的各觸點的溫度測試。讀寫器可安裝在現場，用光纖或無線方式連接通信。每個讀寫器和傳感頭間無線通信頻率可由整個變電站的傳感器數量確定，一般可以控制在1 s內。由于采用光通信TDM技術，雖然傳感頭與讀寫器傳輸距離長達10 m以上，整個變電站無線信號的強度仍然可以控制在一個很低的水平。

3 SAW溫度傳感系統的優點

純無源傳感頭，免替換，免維護，長期可靠性高；體積小，安裝靈活方便；成本低；采用RFID與SAW芯片混合集成,支持多點探測；采用光纖及數字化信號傳輸數據,長距離，抗電磁干擾，可以平滑升級與IEC61850兼容，可靠性高。

圖5 SAW遠程溫度傳感系統應用示意

4 結語

聲表面波技術是60年代末期才發展起來的一門新興技術，經過幾十年的研究和發展，現在聲表面波技術的應用已涉及到許多學科領域，如地震學、天文學、雷達通信及廣播電視中的信號處理、航空航天、石油勘探和無損檢測等。隨著SAW測溫系統器件的成熟，目前在國內多個變電站改造中已經得到了應用并獲得了良好的反饋，該技術可能成為今后智能變電站改造中溫度監控的一個主流方案。 當然，目前它還存在著無線傳輸距離不夠遠，價格偏高等問題，但隨著SAW測溫系統的廣泛應用和技術發展，相信SAW測溫系統在智能電網溫度監測方面的功能會越來越完善，并為國家智能電網建設提供有力的保障。