基于無源無線傳感技術的在線測溫系統研究

王磊 岳綱毅 王軍亭

摘 要：無源無線傳感技術在當前電力設備狀態監測中發揮著積極作用，其能夠準確檢測出相關設備的實際溫度，為科學處理電力設備運行中的故障問題提供信息支持。本文主要從無源無線測溫技術在變電站開關柜中的作用分析入手，重點介紹了無源無線測溫裝置的原理和設計路徑，為全面保證變電設備的穩定運行，提升電網系統運行的整體穩定性提供借鑒和參考。

一、概述

變電站的高壓開關柜、母線接頭、室外刀閘開關等重要的設備，在長期運行過程中，開關觸頭和母線連接等部位因老化或接觸電阻過大而發熱，而這些發熱部位的溫度無法監測，由此最終導致事故發生。

目前大部分地區對開關柜內設備觸點的監測依然采用人工定期現場測量，不能實時監測設備的溫度狀態，存在極大的安全隱患;另外還有地區采用有源無線的方式對設備觸點進行測量，這種方式在一定程度上解決了定期監測帶來的盲目性，但由于該類傳感器需要電池供電，而電池在高溫環境下及電池饋電狀態下極易發生誤報警，大大影響監測精度，使得該種監測方式的可靠性大大降低。本文研究聲表面波傳感技術，將無源無線測溫技術集成應用實現電力設備溫度的實時監測，設計出適用于高壓開關柜特別是手車柜的溫度在線監測系統。

二、基于聲表面波的無源無線傳感技術

（1）SAW技術

聲表面波器件的核心部件是叉指換能器（IDT），IDT是一種在壓電晶體上激發和檢測聲表面波SAW的聲-電轉換器，IDT是用半導體平面工藝將金屬鋁沉積在壓電基片上，然后用光刻技術將金屬薄膜刻成特定的尺寸及形狀。

聲反射柵是實現SAW諧振器的關鍵器件，SAW只能基于反射元陣列來構成SAW反射鏡，SAW反射柵陣有反射溝槽和反射金屬條帶兩種，其中溝槽反射陣性能更好，但金屬反射柵陣最易實現。

當SAW諧振器的壓電基片表面的溫度發生變化時，SAW的傳播速度VSAW和發射柵的間距（L）發生改變，從而引起諧振器的諧振頻率發生變化，從諧振頻率的變化即可反映出被測溫度信息，通過測量頻率的變化量，便可實現對溫度參數的監測。工程中，SAW諧振器的諧振頻率隨溫度的變化關系一般用多項式表達，下式即為頻率溫度特性的一般方程：

式中，T是被測溫度，T0是參考溫度，f0為參考溫度處的諧振頻率，a0，b0，c0分別是參考溫度T0時的一階、二階和三階頻率溫度系數。

這些系數與所選擇的晶體材料及其切割方向有關，壓電晶體采用不同的材料和不同的切向，其溫度系數不同，機電耦合系數和介質損耗也不同。典型的SAW襯底材料有鈮酸鋰（LiNbO3）、石英（SiO2）和LiTaO3等。同時，在襯底上鍍壓電薄膜，可以很好的調節壓電晶體的性能參數。設計時應根據自身的需求綜合考慮，采用合適的襯底壓電晶體材料和鍍膜材料。本系統采用了石英襯底的壓電基片鍍上壓電薄膜，使頻率溫度系數中的高階系數b0，c0相比于一階系數a0可以忽略，即頻率溫度曲線呈線性關系，測溫計算更簡便，測溫精度更高，可達0.1℃。

（2）天線設計

天線是無線通信系統中不可缺少的部件，是聯系發射裝置和接收裝置的重要工具，其基本功能為接收和輻射電磁波。本系統工作于429-436MHz公用波段，國家規定該波段的信號發射功率不得超過10mW，接收機的靈敏度到達一定程度后就很難提升，高靈敏度的接收機成本也非常大。設計高性能天線可以很明顯的改善無線傳感系統的性能，天線最重要的參量是定向性D和增益G。本系統依據實際工程應用的需求和特點，開發出了兩種天線：在某方向上有定向性增益較高的螺旋臂偶極子天線;在法向方向為全向的小螺旋天線。其中偶極子天線通過同軸電纜與信號采集器（Reader）相連，起發射查詢脈沖和接收攜帶溫度信號的反饋脈沖的作用;法向的小螺旋天線與SAW傳感器連接，一起接收查詢脈沖，并將SAW諧振信號反饋給發射天線的作用。實驗表明，在室外，本無線通信系統的穩定工作距離可達3m;在開關柜內，信號更強，保持在穩定的無線傳感狀態。

三、無源無線在線測溫系統設計

（1）無源無線溫度在線監測系統架構

無源無線溫度在線監測系統采用4層網絡架構，從底層往上包括：①傳感芯片與數據采集器;②總線網關;③監控中心;④主站。

●傳感器與數據采集器：最底層是分布放置的溫度傳感器，傳感器和待測點直接接觸，例如放置在開關柜母排上;數據采集器天線放置在傳感芯片3米范圍內。數據采集器給傳感器發送問詢信號，溫度監測結果返回到數據采集器，從而完成溫度數據采集。

●總線網關：網關通常以一個監控房間為單元，采用一個網關接8個數據采集器的方式。數據采集器通過485協議和網關連接，從而在網關完成多數據采集器的溫度信息匯集。

●監控中心：針對同一區域、不同監控房間的數據，在監控中心進行匯集;計算機上按照溫度監控客戶端軟件，該軟件對總線網關數據進行匯總分析，同時向上級主站上傳數據。

●跨區主站：針對不同監控中心實現溫度數據收集、分析等。在主站安裝溫度監控服務器端軟件，針對監控中心上傳數據進行建立數據庫系統和分析平臺，該平臺可以通過網絡進行遠程管理。

（2）監測系統功能

無源無線溫度監測系統的主要功能包括各溫度傳感器設備、溫度監測各項參數設置、溫度信息的遠程獲取、綜合查詢分析以及溫度預測告警等。根據實際情況，這些應用功能可以作為電力自動化系統的一個功能模塊存在（將溫度信息通過標準數據接口接入電力自動化系統），也可以單獨作為一套電力設備溫度監測的主站系統。

四、結束語

變電站的高壓開關柜無源無線溫度在線監測系統在運行的過程中，傳感器在其中扮演著較為重要的角色，主要采用了聲表面波技術，可在無電能支持環境中正常運行，采用了射頻無線方法與信號天線進行有效的通信，在此過程中進行高低壓電路分離運行。無源無線溫度在線監測系統在運行期間，具有停電時間短、安裝便捷等優勢，不用更換電池與檢修。此外，將該系統安裝于高壓開關柜中，能夠實現關鍵點溫度實時在線監測，若溫度出現異常時，能夠提前報警，這在較大程度上能夠提升電力系統運行期間的安全性。

參考文獻

[1] 仝猛，孟凡鐘，耿潔宇，等.環網柜溫度監測系統設計研究[J]. 現代制造，2017（27）：101-103.

作者簡介：王磊，1990年10月，河南永城，本科，工程師，四川大學，國網河南省電力公司開封供電公司。

岳綱毅，1989年6月，男，河南鄭州，碩士，工程師，華北電力大學，國網河南省電力公司信息通訊公司。

王軍亭，1965年7月，男，河南中牟，鄭州大學，電力調度高級技師，國網河南省電力公司開封供電公司。