聲表面波測溫傳感器在高壓開關柜安全監測中的應用

唐全勝

1 前言

電力系統中，各類設備的開斷接觸點均有可能會因松動、老化、電弧沖擊等原因造成接觸電阻增大、觸點溫度不斷上升。若未及時發現上述情況，則容易導致拉弧短路爆炸、大面積停電、人員傷亡等災難性事故的發生，直接和間接經濟損失巨大。因此，對電力設備的觸點溫度進行可靠的在線監測，及時發現并排除隱患，受到越來越多的工礦企業的重視。

2 電力系統觸點溫度監測常見方案

2.1 熱電偶、熱電阻方式

熱電偶測溫是將兩種不同成分的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，通過熱電效應對被測點溫度進行測量。熱電阻測溫是利用導體電阻隨溫度的變化而變化的規律來對被測點溫度進行測量。這兩種方式都屬于有線測溫方式，需要使用金屬線傳輸溫度信號。在實際安裝應用中，會出現金屬線走線不便、被測設備絕緣破壞等問題。

2.2 紅外測溫方式

紅外測溫是通過檢測物體分子的熱運動向外輻射的紅外電磁波來測量溫度，在溫度測量時不需要和測溫點直接接觸，屬于非接觸式測溫。這種測溫方式易受測溫環境因素的影響，尤其是在周圍存在電磁場的環境下，紅外測溫極有可能會受到電磁場的干擾。用紅外測溫探頭測溫時，測溫探頭必須正對被測物體，且中間不能有遮擋物，而且紅外測溫也難以實現在線實時監測。

2.3 光纖測溫方式

光纖測溫是以光纖作為敏感元件，利用光纖傳輸信號的測溫方式。光纖有優良的絕緣性能，可直接安裝到高壓觸點上，測溫精度也比較高。但是光纖在長期使用積累灰塵后，會導致光纖沿面放電、絕緣性降低，容易造成意外事故。另外，光纖測溫設備的造價成本高，光纖易折、易斷，使用安裝比較復雜。

2.4 無線有源測溫方式

無線有源測溫方式的傳感頭采用電池供電，溫度信號通過無線電波傳輸。這種方式雖然實現了信號的無線傳輸，但是該方案的傳感探頭需要電池供電，在實際使用中需要定期更換電池，維護成本高。而且電池也不適合長期工作在高溫環境下，一旦電池出現問題，就無法監測觸點溫度信號，會對電力系統造成極大的危害。

2.5 無線感應取電測溫方式

無線感應取電又稱為CT取電，是利用電磁感應原理獲取電源，有電流互感器取電和微型磁閉合回路取電兩種模式。電流互感器取電裝置很大，安裝困難，存在電源引線。微型磁閉合回路取電體積小，可靠性較高。但CT取電存在弱電流取電困難的問題。另外，感應取電方式傳感頭硬件復雜，硬件的可靠性和穩定性都難以得到保證。根據某些應用區域反饋的結果，這種測溫方式安裝兩年后損壞率在30%左右，這也表明了感應取電方式存在缺點。

由于智能電網電力設備測溫點的特殊性，上述測溫方案在實際應用中均存在一定技術缺陷，可靠性和安全性有明顯不足之處。

3 新型測溫技術（SAW聲表面波）技術

3.1 聲表面波原理

聲表面波（surface acoustic wave，SAW）技術是聲學和電子學相結合產生的一門技術。聲表面波是一種彈性波，由于其傳播速度慢（大約為光速的十萬分之一），易于在傳播路徑上進行信號處理。因此，用聲表面波去模擬電子學功能，能使電子元器件實現超小型化和多功能化。聲表面波芯片具有低成本、高強度、易于設計等諸多優點。聲表面波技術已經廣泛應用于電視、無線通信、雷達、無線電子標簽以及各類物理、化學傳感器中。

聲表面波技術從監測原理上分為延遲線性（DL型）和諧振型（R型）兩種類型。與延遲線性相比，諧振型的主要特點為：低插入損耗、高品質因數（Q值）、強干擾能力、易于連接數字化測試系統。

圖1 聲表面波無線傳感系統的工作原理

聲表面波無線傳感系統的工作原理見圖1。首先，由無線讀取單元發射一定頻率的電磁波信號，經無線天線傳送至SAW器件的叉指換能器，然后叉指換能器通過逆壓電效應將接收的電信號，轉換成沿壓電基片表面傳播的機械振動波（即SAW）。SAW遇到反射柵后有部分被反射回叉指換能器，再經叉指換能器轉換成回波電信號，最后通過無線天線傳回讀取單元。如果在SAW器件表面施加物理（如溫度、濕度、壓力等）或者化學（如氣體吸附等）參量擾動，即會引起聲波速度發生變化，從而引起無線單元接受的反射信號的頻率或者相位發生相應改變，實現對待測參量的無線檢測。

3.2 聲表面波傳感器

聲表面波傳感器是一種基于聲表面波技術的新型無線傳感器，其研究始于20世紀80年代，具有完全無源、無線讀取、測量范圍廣、維護方便等特點，是目前唯一的無源無線傳感技術。由于工作特性取決于壓電材料本身，使得這種傳感器具有優良的抗高壓性能及電磁輻射能力，可工作于極高或極低溫度環境下。盡管SAW傳感器的發展歷史并不長，但因為其具有高精度、高靈敏度，結構相對簡單，便于大批量生產，體積小、重量輕，信號易于檢測，可工作于極端惡劣環境等優點，已成為目前最具應用潛力的先進傳感器之一。

3.3 聲表面波技術優點

我公司使用的WTS-SG-1型無源無線溫度監測系統采用了聲表面波（SAW）傳感技術，兼有“無源”和“無線”兩大特點，其優點如下：

（1）無線方式不影響高壓絕緣，避免了有線方式“爬電”隱患，安全性極高。

（2）傳感器完全無源，不帶電池，避免了電池高溫爆炸和化學泄露等隱患；無需感應取電，避免了感應電路本身的故障和發熱，可靠性高。

（3）無源溫度傳感器體積小，與讀取器之間的數據為無線傳輸，安裝簡單方便靈活，不受設備結構和空間影響。

（4）實時測溫性能好，在線測溫可隨時監測設備溫度變化。

（5）傳感器完全無源，無需定期更換電池，使用壽命長，安裝后免維護。

4 不同測溫方式對比（見表1）

5 SAW聲表面波技術系統配置

5.1 無線測溫傳感器

W-TSA U型音叉式，螺母固定或夾具固定（見圖2）。

W-TSB 環形傳感器式，安裝在斷路器動、靜觸頭上（見圖3）。

5.2 溫度讀取器（見圖4）

W-TRA RS485串口通信，AC/DC100～240V供電，標配讀取天線。

5.3 ANT438ANT463強磁力平板天線（見圖5）

可吸附在開關柜內壁（標配）。

5.4 現場監測系統結構（見圖6）

5.5 遠程服務器監測（見圖7）

采用BS架構，Web瀏覽模式，對客戶端數據進行遠程瀏覽監控；可選配置為本地服務器或公共云服務器。

表1 不同測溫方式對比

圖2 螺母固定、夾具固定聲表面波傳感器

圖3 斷路器動、靜觸頭固定環形聲表面波傳感器

圖4 溫度讀取器

圖5 強磁力平板天線

5.6 GPRS短信報警模塊

發現超溫事件時，系統同步發送短信報警給指定的手機。

6 聲表面波測溫的校準

圖7 網絡遠程監控拓撲圖

6.1 校準機理

聲表面波傳感器測溫的機理是，聲表面波諧振器的頻率隨著被測物體溫度的變化而改變，通過測量頻率可換算出溫度。換算公式如下：

式中：

F1——傳感器當前的諧振頻率

F0——傳感器初始的諧振頻率

K——溫度系數

T0——傳感器在初始諧振頻率下寫入的溫度基準（即標定值）

T1——當前傳感器測量溫度值

從式（1）可以看出，要想獲取傳感器的實際溫度值，就需要知道傳感器的初始諧振頻率F0和寫入的溫度基準值T0及溫度系數K值。溫度系數值K跟聲表面波諧振器選擇的基片材料有關，可以通過精度測試計算得到。傳感器的初始諧振頻率和基準溫度值直接關系到傳感器測量溫度的準確性。

聲表面波諧振器芯片在制作時初始諧振頻率F0會稍有差別，即使只有幾十千赫茲的加工偏差，在不做溫度標定的情況下也會導致測量溫度的偏差。因此，為保證溫度的準確性，聲表面波傳感器在安裝投入運行之前，需要對溫度進行標定。標定的目的就是給傳感器寫入一個基準溫度值T0，傳感器開始工作后，就會按照設定的基準溫度值進行溫度解析，從而計算出當前相對于基準值的溫度偏差，即測量溫升。

6.2 校準方法

從上述內容可知，基準溫度標定對聲表面波傳感器測量的準確性至關重要，在測溫系統投運之前需要對傳感器進行溫度標定。由于現場安裝時高壓電氣設備均處于斷電狀態，開關觸頭和電纜接頭等部位的溫度與開關柜內的溫度是相同的，所以安裝時溫度標定基準值一般是寫入現場測量的開關柜內的溫度值。這種方法雖然可能會有偏差（2℃以內），不過總體偏差可控，對測溫準確性的影響不大。

圖8 SAW聲表面波測溫傳感器安裝定位圖

我公司聲表面波測溫技術，除了配備監測高壓設備電氣節點的聲表面溫度傳感器以外，還接入了監測柜內環境溫、濕度的傳感器。通過開關柜內環境溫度與觸頭、接頭處溫度的對比，即可測量出觸頭、接頭部位的溫升，這種溫度監測排除了環境溫度影響，監測效果更為有效。由于測溫設備安裝后，聲表面波溫度傳感器和環境溫、濕度傳感器都在柜體的一個空間內，兩者溫度完全一致，系統先采集環境溫、濕度傳感器的溫度信息（環境溫、濕度傳感器精度高為±0.5℃），再將此溫度作為聲表面波溫度傳感器的基準溫度寫入系統，對聲表面波傳感器進行溫度標定。系統投運后，聲表面波測溫傳感器將按照環境溫、濕度傳感器溫度作為基準進行測量，這種溫度標定方法比傳統的以電氣室環境溫度做基準的方法更為準確。

7 聲表面波測溫系統的使用效果

2018年2月，我公司利用停產大修機會，對公司四條5 000t/d水泥生產線從總降到余熱發電，再到各車間配電室的所有高壓開關柜及低壓進線柜的開關動靜觸頭、電纜出線接頭等易出故障部分全部加裝了SAW聲表面波測溫傳感器（見圖8）。

2019年6月19日，技術人員手機溫度監測APP收到一個溫度報警推送信息，顯示A線原料配料站配電室A130.13高溫風機高壓開關柜B相動觸頭溫度高報警，實時溫度58.3℃，立即停機檢查處理。通過檢查發現，動觸頭松動，接觸電阻大，氧化發熱（見圖9）。因報警監測到位，處理及時，避免了事故的擴大。

8 聲表面波測溫系統的日常維護

（1）新安裝的系統在正式運行前，必須對其進行基準溫度設定，設定基準溫度必須等到設備推到運行位置（斷路器小車推到運行位，開關柜柜門閉合）后才能進行。

圖9 A線原料配料站配電室A130.13高溫風機高壓開關柜B相動觸頭發熱

（2）設備在運行過程中，不能擅自移動設備的任何部件，不可隨意操作本地軟件，更改系統設置。

（3）如特殊原因需要拉出開關柜斷路器，拉開后，由于柜內擋板合上可能對傳感器信號有較大影響，由此可能會造成傳感器信號溫度誤差，待斷路器合上后傳感器信號檢測誤差會自動消除。