声表面波测温技术在风电场中的应用

高敏，高金明

（华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015）

声表面波测温技术在风电场中的应用

高敏，高金明

（华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015）

为了避免高压电器设备的开关触点在长期运行过程中发生火灾事故，提出了一种基于声表面波的测温技术，分析了该测温技术与传统测温技术的不同点，介绍了声表面波的测温原理并形成了完整的无源无线测温系统。系统应用于某风电场变频器柜内温度的测量，运行情况良好，能够实时、准确地测量柜内各测点的温度。

声表面波；无源无线测温系统；风机变频器；抗电磁干扰

0 引言

风电场中，温度是风力发电机设备运行的关键参数，长期运行过程中，变频器和开关柜的母排连接处、高压出线处、电缆接头等开断接触点由于老化、表面氧化、连接不紧密、接触电阻过大而发热，这些发热无法在运行过程中发现，最终导致火灾事故的发生，因此，在线测温非常有助于风电场风机设备的安全运行。目前常用的高压设备在线测温方式包含红外测温、光纤测温和有源无线测温3种，这些测温方式在安全性、实用性、稳定性和实时性等方面均存在一定缺陷。最常用的有源无线温度传感技术是将温度数字化，然后通过无线的方式传输信号［1］，该技术使用的传感器尺寸较大，需要经常更换电池，系统维护成本高且存在一定的安全隐患。本文提出了一种基于声表面波（SAW）技术［2］的无线无源测温技术，并将该技术应用于风电场风机变频器的温度在线监测，系统运行状况良好，能够安全、稳定地测量变频器关键部件的精确温度，并有效解决了传统测温技术的安全性、可靠性、稳定性、实用性等方面的问题。

1 目前风机变频器测温方案

由于风电场风机地域分布广以及环境特殊等原因，风电场风机变频器测温存在以下几个难点［3］。

（1）电磁干扰强。电场电压高达几万伏，变频器内高次谐波较多，存在较强的电磁干扰。

（2）数据传输距离远。风电场风机设备分布区域较广，风机的监控数据需要远程传输至集控中心，最远的风机距离集控中心达10 km左右。

（3）传感器与外界完全隔离。变频器内布线、用电存在安全隐患，使用有源无线传感器时供电问题难以解决。

（4）安装空间小。变频器内元器件排布紧密，在不改动变频器原有结构的基础上，可安装第三方元器件的空间很小。

目前，用于风机变频器的测温方法包括红外测温以及无线测温。

（1）红外测温。红外测温［4］为非接触式测温方式，常用红外测温仪测量温度，适用于人工巡检，由于红外测温使用灵活，现已成为检测风电场各高压设备温度的重要手段。红外测温仪的缺点是体积大，成本高，抗电磁干扰能力弱，测量精度与距离有关，不能准确把握测量精度，并且红外测温不能绕过遮挡物，无法准确测量变频器内关键部位的温度。

（2）无线测温。目前，风电场的无线测温大多采用有源无线测温系统［5］，该系统传感器需要电池供电或小型电流互感器（CT）取能供电。电池供电寿命有限，需经常更换电池，并且设备运行温度过高时，电池存在爆炸隐患；而小CT供电是通过感应高压母线上的交变电流取得电能，接头较小时传感器供电不足，接头较大时小CT易被烧坏。总之，目前常用的有源无线测温系统安装在变频器内，给变频器的正常工作带来了较大的安全隐患。

2 声表面波测温技术概述

2.1 声表面波技术简介

声表面波是一种能量集中于固体表面的弹性波，沿着固体半空间表面传输，又称为表面声波。声表面波技术特点如下［6］。

（1）波长极短，器件尺寸小。在电磁波领域内，采用电磁波原理的器件尺寸与电磁波的波长成正比，而声表面波的波长仅为普通电磁波波长的十万分之一，所以应用声表面波技术所生产器件的尺寸较小，应用安装方式较多。

（2）易于生产。声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作而成的，结构简单、稳定性强、生产工艺可重复性强，便于大量生产。

（3）灵活性大。由于声表面波波长较短，在固体表面传输速度较慢，具有良好的瞬时性，易于声表面波信号的取样和变换，可操作性强，能够完成许多普通器件无法完成的工作。

（4）抗干扰能力强。声表面波的动态范围可达100 dB，对外界信号的干扰具有较强的适应性，抗干扰能力较强。

2.2 声表面波测温原理

声表面波测温原理如图1所示，无线射频信号在无线采集器的天线与传感器之间传输，实现温度数据的发送与读取，具体步骤如下。

图1 声表面波测温原理

（1）采集器通过天线将无线射频信号发送至传感器作为触发信号。

（2）声表面波传感器接收到触发信号后在表面产生声表面波，波形以3 km／s的速度沿固体表面传播，最终由叉指换能器（IDT）转换为无线射频信号反馈给采集器。

（3）采集器接收到传感器反馈的无线射频信号后，通过测量射频信号的频率变化计算出固体表面的温度。

声表面波无源传感器（如图2所示）由压电基片、IDT和左右反射栅组成［7］。当激励频率f等于传感器固有频率f0时，传感器发生谐振。温度与固有频率的关系为［8］

图2 声表面波测温传感器结构示意［7］

式中：t为测量温度；t0为参考温度；a（i）f为参考温度下i阶温度系数，通常忽略3阶以上项。

经合理设计，可实现线性的温度和固有频率关系。

3 无线无源测温系统解决方案

3.1 无线无源测温系统组成

无源无线测温系统通过温度传感器获取触点温度，将温度信号通过无线传输到温度采集器进行相应的处理，进而传输到监控终端及保护回路，系统整体框架如图3所示。

图3 无源无线测温系统框架

为了更好地测量变频器内关键位置的温度，系统采用2个读取器和4个天线，每个天线接收3个传感器的温度信号，在高压开关触点每相安装1个读取器，读取器接收的数据通过光纤传输至中控室，系统拓扑图如图4所示。

图4 无源无线测温系统拓扑图

系统包括前端采集模块、数据传输模块、数据读取模块以及监控模块，由温度传感器、天线、温度采集器、电源适配器及上位机监控系统组成。前端采集模块为温度传感器，直接安装在被测物体表面，负责接收、探询射频信号，并返回带温度信息的射频信号到采集器。数据读取模块完成射频信号的放大、滤波及A／D转换，最终实现温度参数的监测，并通过数据传输模块（无线传输、串口通信以及光纤传输）将温度数据传输至上位机监控模块进行显示、报警提示。

3.2 无线无源测温系统安装方案

无源无线传感器的发射信号很弱，所以读取器和天线的安装位置尤为关键。用于测量变频器内元器件温度时，天线应放置在开关柜内，通过强力磁铁吸附在开关柜内壁上；为了能够更好地接收信号，传感器之间的距离应尽量大于20 cm，天线与传感器竖直方向尽可能平行，传感器信号通过天线的反射角度约为30°；由于传感器为无源无线温度传感器，所以柜内无任何取电线路。无源无线测温系统理论安装方案如图5所示。

图5 无源无线测温系统理论安装方案

根据理论安装方案，在某风电场现场变频器内共安装4组传感器和4个天线，每组传感器为3个，系统安装分布如图6所示。

图6 无源无线测温系统变频器内安装位置

4 无线无源测温系统在风电场的应用

基于声表面波技术的无线无源测温系统在某风电场安装后，运行情况良好，无任何故障和安全事故，系统能够准确地测量风机变频器的温度，用户可通过设置温度报警阈值给出变频器的危险温度，温度超过阈值时系统自动报警，用户采取相应措施，防止事故的发生。无源无线测温系统运行情况如图7所示。

系统自动记录历史温度值并形成温度曲线，每个传感器用不同颜色区分，用户需要了解历史温度值时，可通过查询温度曲线查看对应时间的温度值。当某一时间温度过高时，系统自动报警，并且自动记录报警时间和温度，为用户提供直观的数据支持。

图7 无源无线测温系统运行情况

5 结论

无源无线测温系统采用声表面波传感技术进行测温，实现了高压隔离，无需电池，安全性极高，传感器尺寸小，安装方便灵活；同时，无线射频信号具有一定的穿透绕射能力，能够测量存在障碍物的关键部位的温度；系统具有较强的抗电磁干扰能力，运行稳定性较高。该系统应用于某风电场风机变频器柜内温度的测量，运行情况良好，能够准确、可靠地测量各测点的温度并上传至监控终端，系统根据记录的温度形成温度曲线及报表，可供用户随时查询。

［1］黄智伟，朱荣辉，朱卫华.无线数字温度传感器的设计［J］.传感器技术，2002（9）：31-33.

［2］韩鹏.声表面波远程温度传感系统在变电站中的应用［J］.山东电力技术，2012（6）：44-46.

［3］龚贻文，谭冰，刘文.声表面波无线无源温度传感系统［J］.电气技术，2010（11）：101-104.

［4］杨武，王小华，荣命哲，等.基于红外测温技术的高压电力设备温度在线监测传感器的研究［J］.中国电机工程学报，2002（9）：113-117.

［5］徐波，杨帆.高压开关柜无线测温系统的研究［J］.电测与仪表，2012（10）：91-95.

［6］潘峰.声表面波材料与器件［M］.北京：科学出版社，2012.

［7］李平，文玉梅，黄尚廉.声表面波无线无源温度传感系统研究［J］.电子测量与仪器学报，2002，16（4）：44-49.

［8］陈明，范东远.声表面波传感器［M］.西安：西北工业大学出版社，1997.

（本文责编：刘芳）

TM 83

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1674-1951（2015）07-0068-03

高敏（1989—），男，江西九江人，助理工程师，工学硕士，从事电气自动化系统设备研发等方面的工作（E-mail：gaom＠hdmdi.com）。

2014-11-18；

2015-05-25