采用聲表面波技術的高壓開關柜實時測溫系統研究

季洪獻

（浙江雷鳥智能電網技術有限公司，浙江 杭州311121）

1 常用的溫度在線監測方法

高壓開關柜是發電廠、變電站中確保電力系統安全可靠運行的重要設備。隨著使用年限的增加，因制造、安裝不良或材料質量等問題，常見的故障大部分都是隔離觸頭、母排連接部位發熱等，一旦發熱過度，就會造成開關柜爆炸，引發大面積的停電。但因高壓開關柜的封閉式結構在運行中不能打開，而且目前許多變電站已實現無人值守，所以這幾年國內很多單位都在嘗試利用在線監測的技術手段來實時監測開關柜觸頭的溫度。

目前，常用的溫度在線監測方法有以下幾種：

（1）紅外線測溫方式：采用一定溫度的物體都會發出紅外光的原理，通過光學鏡頭對不同功率的紅外光進行收集，然后得出對象的溫度。由于一般要安裝在低壓柜體上，施工難度非常大。而且還要注意安全距離，并且要求溫度采集點和傳感器之間不能有遮掩，但大多數情況下隔離觸頭等發熱部件都會被絕緣罩包圍，故溫度測量非常不準。

（2）分布式光纖測溫方式：光纖本身是良好的絕緣體，可以直接纏繞到隔離觸頭或母排連接部位。但是光纖測溫反映的是一段光纖內的溫度。一般分辨率都是以米為單位，所以一個溫度采集點要繞很多圈，施工不方便。一般柜內需要監測多個位置的溫度，所以光纖數量會比較多，在柜內布線難度較大。同時分布式光纖測溫系統價格昂貴，設備復雜，這使其實用性大大降低。

（3）有源無線測溫方式：采用一次性鋰亞電池或小CT取能給傳感器供電，再將傳感器數據通過RF技術發出，這也是筆者所在公司前幾年開關柜溫度監測的主要方案。該方案實現了非接觸測量，但是由于使用了電池和電子元器件，都會遇到使用壽命的問題，所以后期更換維護工作非常大。小CT取能供電方式安裝非常不方便，而且不利于傳感器的小型化及安裝，因而缺乏普遍適應性。

2 采用聲表面波技術的高壓開關柜實時測溫系統

上述監測方法在高壓開關柜的測溫上存在一定的局限性，針對這些缺點，我們公司升級了原有的技術方案，采用全新的聲表面波（SAW）技術進行高壓開關柜實時溫度監測。該方案具有無線無源的特點，能夠很好地避免上述幾種測溫方式存在的局限性。

2．1 聲表面波溫度傳感器原理

聲表面波傳感器是一種將SAW技術與物理、材料、微電子、信號處理等多門學科技術交叉融合的新型傳感器，聲表面波傳感器的研究始于20世紀70年代。

首先，閱讀器發射無線詢問信號，壓電晶體基片上的換能器通過逆壓電效應將接收到的無線詢問信號轉變成聲信號后，被左右2個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，而且諧振頻率隨溫度進行的改變在一定溫度范圍內呈非常線性的關系，當同一個換能器通過壓電效應將聲信號轉變成無線應答信號輸出后，我們就可以通過測量頻率變化得到溫度值。

2．2 系統組成及特點

高壓開關柜實時測溫系統主要由SAW溫度傳感器、數據閱讀器、數據傳輸路由器、數據監測主站4部分組成。隔離觸頭、母排連接部位等采集點的溫度信息通過前3部分組件實時傳輸到數據監測主站，實現高壓開關柜的實時溫度監測。

2．2．1 SAW 溫度傳感器

前端的SAW溫度傳感器以傳統接觸方式安裝在高壓開關柜內隔離觸頭、母排連接部位等易發熱區域。測溫傳感器和數據閱讀器之間通過無線射頻方式進行通信。采集點的溫度信息實時傳輸到數據閱讀器上，實現非接觸溫度測量。傳感器的外形如圖1所示。

圖1 SAW溫度傳感器

無源測溫傳感器的性能指標：頻率范圍為428～439MHz；測溫范圍為－20～120℃；測量精度為±2．0℃；遙測距離約為2m。

2．2．2 數據閱讀器

數據閱讀器翻譯SAW溫度傳感器反射回來的溫度信號，將數據進行分析處理后，通過內置的ZigBee模塊發送溫度數據給數據傳輸路由器。一般一個數據閱讀器可以收集6個SAW溫度傳感器的數據。數據閱讀器的外形如圖2所示。

圖2 數據閱讀器

2．2．3 數據傳輸路由器

數據傳輸路由器主要是管理一個開關柜室內所有開關柜內的數據閱讀器上傳過來的溫度數據，它和多個數據閱讀器之間構成一個ZigBee通訊網絡。通訊網絡采用Mesh拓撲，具有自組網、自愈性、多跳等優點。最后溫度數據通過數據傳輸路由器的10M／100M自適應網絡接口接入變電站內局域網，然后傳輸到服務器上的數據監測主站。

2．2．4 數據監測主站

數據監測主站系統軟件主要實現以變電站、開關柜號、監測點信息為節點的樹形結構的溫度數據列表展現功能，采集的溫度數據實時寫入數據庫，實現多相溫度數據曲線對比展現功能及監測點溫度實時分析功能。數據監測主站是多個變電站開關柜匯總的集中處理單元。

2．3 數據監測主站特點

系統分析模塊主要實現了溫度告警功能、溫度數據分析與統計功能等，實時記錄每個監測點溫度變化過程，發出故障報警后能通過數據進行故障分析處理。

溫度告警分三級告警模式：第一級告警，說明該監測點需要注意，加強關注；第二級告警，說明監測點有一定的潛在危險，提供相應的預警；第三級告警，屬于故障報警，說明該故障必須立即處理。告警又分為超溫告警、溫升趨勢告警、三相不平衡告警、溫度躍遷告警。

溫度數據分析與統計部分對數據庫中的溫度數據進行詳細的溫度場分析、溫升趨勢分析、歷史資料分析和統計。溫度場分析列出了沿著開關柜電流走向的所有監測點數據，通過曲線展現分析出設備過熱的部位。溫升趨勢分析針對采集的實時數據，根據溫升趨勢，確定可能出現過熱故障的部位，提供設備的維修依據。歷史資料分析和統計保存所有監測點溫度的歷史數據、分析結果數據以及告警信息。

3 結語

采用聲表面波技術的高壓開關柜實時測溫系統是我們公司在線監測產品中的一個升級產品，它繼承了原來我們采用RF有源方式的監測技術積累，較好地解決了供電問題、體積問題、安裝維護問題，適用于各種類型的開關柜，已經在多個省份的智能變電站改造中投入使用。系統可以免維護地實時在線監測開關柜內隔離觸頭、母排連接等重要部位的溫度狀況，并通過后臺系統內建的分析模塊實現溫度告警和溫度數據分析及統計等功能，目前運行穩定可靠，能較好地提高開關柜安全運行的可靠性。

［1］王斌，李靖，季洪獻．采用無線RF技術的高壓開關柜實時測溫系統［J］．浙江電力，2009（3）

［2］龔貽文，譚冰，劉文．聲表面波無線無源溫度傳感系統［J］．電氣技術，2010（11）

［3］霍富強，雷振鋒，路進升．環網柜無源無線測溫管理系統設計［J］．科學技術與工程，2013（25）