声表面波测温传感器在高压开关柜安全监测中的应用

唐全胜

1 前言

电力系统中，各类设备的开断接触点均有可能会因松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电阻增大、触点温度不断上升。若未及时发现上述情况，则容易导致拉弧短路爆炸、大面积停电、人员伤亡等灾难性事故的发生，直接和间接经济损失巨大。因此，对电力设备的触点温度进行可靠的在线监测，及时发现并排除隐患，受到越来越多的工矿企业的重视。

2 电力系统触点温度监测常见方案

2.1 热电偶、热电阻方式

热电偶测温是将两种不同成分的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，通过热电效应对被测点温度进行测量。热电阻测温是利用导体电阻随温度的变化而变化的规律来对被测点温度进行测量。这两种方式都属于有线测温方式，需要使用金属线传输温度信号。在实际安装应用中，会出现金属线走线不便、被测设备绝缘破坏等问题。

2.2 红外测温方式

红外测温是通过检测物体分子的热运动向外辐射的红外电磁波来测量温度，在温度测量时不需要和测温点直接接触，属于非接触式测温。这种测温方式易受测温环境因素的影响，尤其是在周围存在电磁场的环境下，红外测温极有可能会受到电磁场的干扰。用红外测温探头测温时，测温探头必须正对被测物体，且中间不能有遮挡物，而且红外测温也难以实现在线实时监测。

2.3 光纤测温方式

光纤测温是以光纤作为敏感元件，利用光纤传输信号的测温方式。光纤有优良的绝缘性能，可直接安装到高压触点上，测温精度也比较高。但是光纤在长期使用积累灰尘后，会导致光纤沿面放电、绝缘性降低，容易造成意外事故。另外，光纤测温设备的造价成本高，光纤易折、易断，使用安装比较复杂。

2.4 无线有源测温方式

无线有源测温方式的传感头采用电池供电，温度信号通过无线电波传输。这种方式虽然实现了信号的无线传输，但是该方案的传感探头需要电池供电，在实际使用中需要定期更换电池，维护成本高。而且电池也不适合长期工作在高温环境下，一旦电池出现问题，就无法监测触点温度信号，会对电力系统造成极大的危害。

2.5 无线感应取电测温方式

无线感应取电又称为CT取电，是利用电磁感应原理获取电源，有电流互感器取电和微型磁闭合回路取电两种模式。电流互感器取电装置很大，安装困难，存在电源引线。微型磁闭合回路取电体积小，可靠性较高。但CT取电存在弱电流取电困难的问题。另外，感应取电方式传感头硬件复杂，硬件的可靠性和稳定性都难以得到保证。根据某些应用区域反馈的结果，这种测温方式安装两年后损坏率在30%左右，这也表明了感应取电方式存在缺点。

由于智能电网电力设备测温点的特殊性，上述测温方案在实际应用中均存在一定技术缺陷，可靠性和安全性有明显不足之处。

3 新型测温技术（SAW声表面波）技术

3.1 声表面波原理

声表面波（surface acoustic wave，SAW）技术是声学和电子学相结合产生的一门技术。声表面波是一种弹性波，由于其传播速度慢（大约为光速的十万分之一），易于在传播路径上进行信号处理。因此，用声表面波去模拟电子学功能，能使电子元器件实现超小型化和多功能化。声表面波芯片具有低成本、高强度、易于设计等诸多优点。声表面波技术已经广泛应用于电视、无线通信、雷达、无线电子标签以及各类物理、化学传感器中。

声表面波技术从监测原理上分为延迟线性（DL型）和谐振型（R型）两种类型。与延迟线性相比，谐振型的主要特点为：低插入损耗、高品质因数（Q值）、强干扰能力、易于连接数字化测试系统。

图1 声表面波无线传感系统的工作原理

声表面波无线传感系统的工作原理见图1。首先，由无线读取单元发射一定频率的电磁波信号，经无线天线传送至SAW器件的叉指换能器，然后叉指换能器通过逆压电效应将接收的电信号，转换成沿压电基片表面传播的机械振动波（即SAW）。SAW遇到反射栅后有部分被反射回叉指换能器，再经叉指换能器转换成回波电信号，最后通过无线天线传回读取单元。如果在SAW器件表面施加物理（如温度、湿度、压力等）或者化学（如气体吸附等）参量扰动，即会引起声波速度发生变化，从而引起无线单元接受的反射信号的频率或者相位发生相应改变，实现对待测参量的无线检测。

3.2 声表面波传感器

声表面波传感器是一种基于声表面波技术的新型无线传感器，其研究始于20世纪80年代，具有完全无源、无线读取、测量范围广、维护方便等特点，是目前唯一的无源无线传感技术。由于工作特性取决于压电材料本身，使得这种传感器具有优良的抗高压性能及电磁辐射能力，可工作于极高或极低温度环境下。尽管SAW传感器的发展历史并不长，但因为其具有高精度、高灵敏度，结构相对简单，便于大批量生产，体积小、重量轻，信号易于检测，可工作于极端恶劣环境等优点，已成为目前最具应用潜力的先进传感器之一。

3.3 声表面波技术优点

我公司使用的WTS-SG-1型无源无线温度监测系统采用了声表面波（SAW）传感技术，兼有“无源”和“无线”两大特点，其优点如下：

（1）无线方式不影响高压绝缘，避免了有线方式“爬电”隐患，安全性极高。

（2）传感器完全无源，不带电池，避免了电池高温爆炸和化学泄露等隐患；无需感应取电，避免了感应电路本身的故障和发热，可靠性高。

（3）无源温度传感器体积小，与读取器之间的数据为无线传输，安装简单方便灵活，不受设备结构和空间影响。

（4）实时测温性能好，在线测温可随时监测设备温度变化。

（5）传感器完全无源，无需定期更换电池，使用寿命长，安装后免维护。

4 不同测温方式对比（见表1）

5 SAW声表面波技术系统配置

5.1 无线测温传感器

W-TSA U型音叉式，螺母固定或夹具固定（见图2）。

W-TSB 环形传感器式，安装在断路器动、静触头上（见图3）。

5.2 温度读取器（见图4）

W-TRA RS485串口通信，AC/DC100～240V供电，标配读取天线。

5.3 ANT438ANT463强磁力平板天线（见图5）

可吸附在开关柜内壁（标配）。

5.4 现场监测系统结构（见图6）

5.5 远程服务器监测（见图7）

采用BS架构，Web浏览模式，对客户端数据进行远程浏览监控；可选配置为本地服务器或公共云服务器。

表1 不同测温方式对比

图2 螺母固定、夹具固定声表面波传感器

图3 断路器动、静触头固定环形声表面波传感器

图4 温度读取器

图5 强磁力平板天线

5.6 GPRS短信报警模块

发现超温事件时，系统同步发送短信报警给指定的手机。

6 声表面波测温的校准

图7 网络远程监控拓扑图

6.1 校准机理

声表面波传感器测温的机理是，声表面波谐振器的频率随着被测物体温度的变化而改变，通过测量频率可换算出温度。换算公式如下：

式中：

F1——传感器当前的谐振频率

F0——传感器初始的谐振频率

K——温度系数

T0——传感器在初始谐振频率下写入的温度基准（即标定值）

T1——当前传感器测量温度值

从式（1）可以看出，要想获取传感器的实际温度值，就需要知道传感器的初始谐振频率F0和写入的温度基准值T0及温度系数K值。温度系数值K跟声表面波谐振器选择的基片材料有关，可以通过精度测试计算得到。传感器的初始谐振频率和基准温度值直接关系到传感器测量温度的准确性。

声表面波谐振器芯片在制作时初始谐振频率F0会稍有差别，即使只有几十千赫兹的加工偏差，在不做温度标定的情况下也会导致测量温度的偏差。因此，为保证温度的准确性，声表面波传感器在安装投入运行之前，需要对温度进行标定。标定的目的就是给传感器写入一个基准温度值T0，传感器开始工作后，就会按照设定的基准温度值进行温度解析，从而计算出当前相对于基准值的温度偏差，即测量温升。

6.2 校准方法

从上述内容可知，基准温度标定对声表面波传感器测量的准确性至关重要，在测温系统投运之前需要对传感器进行温度标定。由于现场安装时高压电气设备均处于断电状态，开关触头和电缆接头等部位的温度与开关柜内的温度是相同的，所以安装时温度标定基准值一般是写入现场测量的开关柜内的温度值。这种方法虽然可能会有偏差（2℃以内），不过总体偏差可控，对测温准确性的影响不大。

图8 SAW声表面波测温传感器安装定位图

我公司声表面波测温技术，除了配备监测高压设备电气节点的声表面温度传感器以外，还接入了监测柜内环境温、湿度的传感器。通过开关柜内环境温度与触头、接头处温度的对比，即可测量出触头、接头部位的温升，这种温度监测排除了环境温度影响，监测效果更为有效。由于测温设备安装后，声表面波温度传感器和环境温、湿度传感器都在柜体的一个空间内，两者温度完全一致，系统先采集环境温、湿度传感器的温度信息（环境温、湿度传感器精度高为±0.5℃），再将此温度作为声表面波温度传感器的基准温度写入系统，对声表面波传感器进行温度标定。系统投运后，声表面波测温传感器将按照环境温、湿度传感器温度作为基准进行测量，这种温度标定方法比传统的以电气室环境温度做基准的方法更为准确。

7 声表面波测温系统的使用效果

2018年2月，我公司利用停产大修机会，对公司四条5 000t/d水泥生产线从总降到余热发电，再到各车间配电室的所有高压开关柜及低压进线柜的开关动静触头、电缆出线接头等易出故障部分全部加装了SAW声表面波测温传感器（见图8）。

2019年6月19日，技术人员手机温度监测APP收到一个温度报警推送信息，显示A线原料配料站配电室A130.13高温风机高压开关柜B相动触头温度高报警，实时温度58.3℃，立即停机检查处理。通过检查发现，动触头松动，接触电阻大，氧化发热（见图9）。因报警监测到位，处理及时，避免了事故的扩大。

8 声表面波测温系统的日常维护

（1）新安装的系统在正式运行前，必须对其进行基准温度设定，设定基准温度必须等到设备推到运行位置（断路器小车推到运行位，开关柜柜门闭合）后才能进行。

图9 A线原料配料站配电室A130.13高温风机高压开关柜B相动触头发热

（2）设备在运行过程中，不能擅自移动设备的任何部件，不可随意操作本地软件，更改系统设置。

（3）如特殊原因需要拉出开关柜断路器，拉开后，由于柜内挡板合上可能对传感器信号有较大影响，由此可能会造成传感器信号温度误差，待断路器合上后传感器信号检测误差会自动消除。