声表面波无源无线传感器的设备一体化设计及其在配电设备温度监测中的应用研究

秦勇 沈陈 姜鑫东 胡新雨

[摘 要]文章结合声表面波无源无线传感器的技术原理和特点，针对无源无线温度传感器早期试用或测试时暴露的问题，提出无源无线传感器的设备一体化设计原则，以中压开关柜动静触头温度、终端电缆头温度以及配电变压器顶层油温/油位在线监测为主要应用，探讨用于配电设备的内置型、设备一体化融合设计解决方案，为智能化配网中本体状态感知和主动预测预警的设备选型提供建议和参考，也为无源无线传感器在电力一次设备上的应用奠定了基础。

[关键词]声表面波;无源无线;设备一体化;一二次融合

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.14.085

[中图分类号]F273;TP212.9[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2020）14-0-04

0     引 言

配網是电网的重要组成部分，确保配网安全可靠供电，促进经济社会快速协调发展是电网企业义不容辞的社会责任。到2020年，国家电网公司配电智能化领域将实现智能感知、数据融合、智能决策三大领域。“十二五”规划期间，国家电网公司全面开展电网设备状态检修，很多新型传感器或监测装置被应用于监测配网设备的运行状态，而配网设备和通道数量大、分布广且运行环境复杂。部分监测装置运行可靠性较低、故障率高、寿命短，监测装置甚至在投运1～2年内就需要更换电池或发生故障;还有部分在线监测装置的有效性差、性价比不高、安装维护工作量大。在确保本体设备性能和可靠性基础上，进一步提升设备本质状态自感知、自诊断和自控制能力，国网总部智能运检体系建设方案中提出设备本体与状态感知传感器一体化融合设计制造的建议，给配网自动化中传感器的小型化、无源化、长寿命化提出了要求。

温度是体现电力设备运行状态的重要参量。实时采集温度监测点的温度变化，实现实时预警功能，及时通知相关人员，能有效提高配网设备的运行可靠性和经济性。除了红外和光纤温度传感器外，各类新型无线传感器层出不穷，例如：自取电式红外点阵测温、半导体测温以及无线射频供电半导体测温等。近年来涌现出的声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）式温度传感器在配网设备（包括开关柜、环网柜、电缆接头等）温度实时、智能监测方面逐渐受到关注。中国电机工程学会、国家电网公司、南方电网公司在2016年电力新技术目录（电网部分）将其列为设备监测新技术，并同时在国网和南网系统内部小批量试用。本文结合声表面波无源无线传感器的技术原理和特点，针对无源无线温度传感器早期试用或测试时暴露的问题，以中压开关柜动静触头温度、终端电缆头温度以及配电变压器顶层油温/油位在线监测为主要应用，探讨用于配电设备的内置型、设备一体化融合设计解决方案，以期为智能化配网中本体状态感知和主动预测预警的设备选型提供建议和参考。

1     声表面波无源无线传感器的原理和特点

阅读器发射机利用天线，将SAW无线传感系统中的窄带电磁波发射激励无源单端口声表面波谐振器（SAWR）后，在能够产生逆压电效应的压电材料作用下，电磁波被传感器天线接收，叉指换能器（IDT）将此电磁波转换成窄带声表面波，如图1所示。谐振腔结构以及基片环境温度决定SAWR的实际谐振频率。带内各频率分量的SAW会在窄带电磁激励消失后，在不同的时间内出现衰减振荡，天线将IDT通过压电作用SAW转化出的电磁波再次辐射出来。电磁波处于能量最大的状态时，电磁波频率持续时间是最长的，且等于SAWR谐振频率。回波频率会在电磁波被阅读器接收后被提取，此时就可以实现无线测量温度。所以，想要SAWR获得最大的能量，要保持激励信号的中心频率与SAWR谐振频率一致。

每台阅读器可以访问多个SAW传感器，传感器之间通过频分复用机制区分。基于上述工作原理，SAW无线无源传感器具有以下技术特点。①SAW器件本身工作在射频频段，采用数/能同传方式工作，确保高低压绝对分离，抗电压绝缘安全性高。②SAW器件采用在压电材料（非半导体）制作，能够直接实现电磁波与SAW相互转换且无须电源供能。这种本质无源使其工作时无须电池或取电，也无须无线供电。③SAW的优势在于使用年限比较长、具有较强的抗电磁场干扰能力等。SAW的电子元器件不与传感侧的位置，在电子迁移时，SAW不参与其中，非常适合在电力系统中使用。

2     传感器的一体化设计原则和关键技术

从SAW传感器的原理和特点可以看出，其在传感器端没有电池，一方面，无须频繁维护;另一方面，即使传感器损坏也不会对设备造成损害，是一种非常适合与设备长期共生的传感技术。但目前在实际应用中，由于没有充分考虑与设备的一体化设计，导致安装、实施、维护过程中出现一系列问题。而一体化设计传感器则正是为了解决上述问题提出的一种创新的设计概念，宗旨是传感器的安装既不能影响电气设备原有的机械性能、电气性能，同时还需要将电气设备对传感器无线性能和高压可靠性的影响降到最低。

传感器的一体化设计必然会涉及如下的关键技术。①传感器的安装结构设计：需要充分考虑一次电气设备的原有结构，设计合理的传感器安装结构，从而在不影响电气设备的机械性能和电气性能的同时，使传感器易于安装。②传感器的天线设计：需要在结构设计的基础上，依据具体的设备特点设计传感器的天线，使传感器在特定安装结构下具有最高的无线传输性能。③高电压适应性设计：由于传感器长期工作于高电压环境，因此需要同时评估传感器对高电压设备电气性能的影响和高电压冲击对传感器的影响，以等电位为设计原则，以电压冲击、雷击等为假想失效原因，对传感器的高电压适应性进行针对性设计。后文将结合这些设计原则和关键技术，介绍一体化传感器在配网设备监测中的应用。

3     开关柜动静触头内置型测温传感器应用

配网开关柜正朝着不停电综合监测的方向发展，相对断路器机构在线监测和局部在线监测，温度在线监测技术更加成熟可靠。一方面，温度在线监测可以及早发现因长期运行导致的连接部位接触电阻变大以及过负荷等因素引起的温度过高;另一方面，断路器合闸放入具体情况还可以用动/静触头进行检查，特别是接触不良的情况，不平衡的三相温度值可以直接将表示详细的情况。目前，仅有ABB公司出售预置安装光纤测温传感器的开关柜。改造后安装的无线温度传感器通常被安装在母排上，由于离开动静触头接触点的真实发热点具有一定距离，该安装方式总体能够反映负荷大小，温升值能表现突发故障，但所测温度绝对值低于真实发热点的温度。虽然安装在动静触头的绝缘盒内能测量到真实的触点温度，但凸起的传感器占用了绝缘空间，如何避免局部放电，解决传感器在反复操作、震动幅度较大的情况下不被破坏，并加强其安装的牢固度等是重要的施工过程。所以传感器的封装以及尺寸等应该是安装的起点，并要在高压以及复杂施工的情况下对传感器内装置的可靠性进行研究分析，让生产厂家优化一体化设计制造技术。传感器使用这兩种方式安装时，必须保证整段母线都处于停电状态。

如图2所示，在动触臂内提前放置传感器（图2a），再进行浇筑或者安装绝缘套，这种内置型一体化装置完全避免了既有开关柜加装传感器时需要停电的缺点;同时，温度传感器可以尽可能地靠近动触头的梅花插头，可以更准确地测量真实发热点的温度。图2b是内置无线SAW温度传感器的动触臂的X光照片。相比采用扎带的安装方式，该一体化预置方案的抗振动能力强，完全避免了材料长期老化造成扎带断裂等问题。同时，一体化预置方案的天线设计充分考虑了放电影响，局部放电测试的结果显示加装传感器未对触臂的局部放电性能造成任何影响。

4     终端电缆头一体化温度传感器应用

在配网中，电缆头受施工工艺、部件质量以及运行条件等因素影响，接触不良或者绝缘被破坏时可能产生故障，尤其是终端电缆头在高强度工作的运作下，由于运行环境封闭狭小，高温和绝缘破坏交替作用加大了故障的可能性，因此，室外终端电缆头是电力巡检时必须重点检查的部件。终端电缆头运行温度能很好地反映电缆头的绝缘情况，同时和运行负荷数据相结合，还能有效地辅助故障预判和负荷动态调整。然而由于终端电缆头处于封闭铠装设备内部且接触点包裹于绝缘护套内部，通常的检测手段如红外或捆绑线缆处的故障指示器等无法获得准确的温度数据，因此发展一种可内置于绝缘护套，直接与发热部位接触的长期有效的在线监测手段十分必要。

SAW传感技术在此应用中适用的主要原因是不存在电源以及电线，且使用年限比较长，将内置型传感器预置于环网柜出厂时的出线套管上，能实现新配网终端设备的功能。只有研制出一体化的传感器，才能满足大量存量环网设备的需要。在设计传感器时，由于电缆终端头内部的空间较小，所以要尽量减小传感器的体积，满足机械以及电气性能的要求。所以，SAW传感器技术应发挥需要能量小以及有较强穿透力的作用，用垫片式的一体化传感器满足存量设备改造的需要，这样可以不改变原有的安装技术。其中，图3a表示了这种传感器的示意图，金属垫片以及绝缘材料PIFA是传感器重要的组成部分，在外观上表现为处于原始终端电缆头部垫片的形状，在对其进行改造时，可以直接替代原始垫片，剩余的安装技术应该与原本的安装流程相同，传感器安装现场的示意图如图3b所示。

5     配电变压器油温油位一体化监测传感器

对于使用量较大的油浸式配电变压器，一般利用油浮式机械油位指示器以及机械温度计，不能对油温以及油位进行严格在线监视以及数据监测，只能依靠人力对其进行检查，这种巡视检查的难度比较大，经常出现检查遗漏的情况。所以，研制一种配电变压器油位和油温的自动监测系统，一旦发生温升超过上限或漏油故障时能够及时报警，在保证农网变压器设备安全的同时降低电力行业员工的巡检强度，对整个设备具有重要意义。在传感信号的作用下，利用在配电变压器安装的JP柜查询SAW传感器的状态，并解析相关信息，接入智能配电终端，将数据远传至监测平台。

系统设计难点在于通过合理的设计使传统的油位计具备油位和油温监测功能，同时不影响油位计原有的指示功能和机械特性。设计的传感器结构和实物分别如图4a和图4b所示，包括用于产生油位报警的传感器、用于测量变压器油温的传感器、磁感应开关、磁体、油位标识，装置壳体、传感器天线、采集器天线及采集器等部分。油温SAW传感器内嵌于变压器油位计的浮筒底部，用于测量顶层油温;油位SAW传感器固定在装置外壳上，用于测量环境温度和产生油位报警，磁感应开关安装在装置外壳的内壁上并串联在油位SAW传感器和传感器天线，可耐受高温的磁体内置于油位计的油位标识中间，并由连接杆带动随浮筒上下移动。

在实际使用的过程中，相关工作人员比较关注的问题是变压器在处于油位较低的状态时能否发出警报，为了在花费最低成本的状态下能够实现对最低油位的监测工作，笔者所在团队选择磁感应开关连接传感器天线和油位SAW传感器之间的装置。在传感器与传感天线处于联通状态时，表示油位正常，此时磁感应开关处于闭合状态;跟随复通的位置产生浮动的磁铁与磁感应开关的位置比较远，表示油位过低，此时磁感应开关处于断开状态，采集器在很长时间内不能对环境温度进行测量，这也是判断油位低的重要标准。在油位处于正常的状态时，传感器可以提供环境温度，准确算出油温温升。

6     结 语

本文结合声表面波无源无线传感器的技术原理和特点，针对无源无线温度传感器早期试用或测试时暴露的问题，探讨了用于配电设备的内置型、设备一体化融合设计原则，并以中压开关柜动静触头温度、终端电缆头温度以及配电变压器顶层油温/油位在线监测为主要应用对象，提出了对应的解决方案，为智能化配网中本体状态感知和主动预测预警的设备选型提供建议，也为无源无线传感器在电力一次设备上的应用奠定基础。

主要参考文献

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