王賽一 袁秋實

（1.國網上海市電力公司浦東供電公司，上海201202；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

隨著科學技術水平進一步提升，電力系統(tǒng)進入新的發(fā)展階段，系統(tǒng)電壓進一步提高，工作電流進一步加大，相關設備所產生的熱量也大幅提高，極易對設備產生損害并使系統(tǒng)發(fā)生故障。在此背景下，測溫系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的重要性大幅提升，如何更有效、更準確、更實時地監(jiān)測設備溫度成為保障電力系統(tǒng)安全運行的重要一環(huán)。

SAW傳感器采用非動感應的原理，不需要額外配備電池，減少了維護成本，進而不會因換電源對環(huán)境造成污染。其溫度采樣方式無需在被測點上進行連線，傳感器與采集裝置間不需要連線，從而實現了隔離并提升了設備運行的安全性。無源無線溫度傳感器體積小，數據傳輸采用無線方式，安裝方便，不受空間及結構的影響。

基于SAW的無線無源測溫技術能實現溫度在線監(jiān)測，通過對溫度的分析，能對設備的異常狀態(tài)進行預先判斷。由于數據傳輸的無線化，提升了數據采集的準確程度，也減少了運維成本，對數據的預先判斷提升了電網運行可靠性，對設備“按需檢修”的實現具有重要意義。

1 測溫系統(tǒng)的比較分析

隨著電氣設備電壓等級的不斷提升及工作電流的不斷加大，設備發(fā)熱現象越發(fā)顯著，超溫成為導致電力系統(tǒng)出現設備故障的重要外界因素，當設備運行過程中的溫度超過其所規(guī)定的固定溫度時，會使設備的正常運行受到一定影響，嚴重時甚至會造成設備毀壞等嚴重事故[1]。為完成對設備溫度的檢測任務，目前電力系統(tǒng)中有多種不同原理的測溫系統(tǒng)，最為常見的溫度測量系統(tǒng)包括測量蠟片、測溫光纖、測溫紅外、無線測溫系統(tǒng)等[2]，其比較如表1所示。

表1 各類型測溫系統(tǒng)優(yōu)缺點比較

1.1 測溫蠟片

測溫蠟片是一種使用便捷的測溫產品，其貼在被測物體上后，能夠隨自身溫度的變化而改變顏色，以此顯示被測物體溫度。測溫蠟片經常應用于變電室內母線連接部位、變壓器、電機、電容器等電氣部件的溫度測量，一旦被測溫度超過該測溫貼片的變色溫度，其顏色就會發(fā)生改變，巡檢人員可在巡視中發(fā)現這一異常，進行故障或隱患的處置，避免事故的發(fā)生。

優(yōu)點：

（1）原理簡單，易于操作，無需額外的輔助設備，使用時直接貼在被測物體上即可；

（2）安全可靠，不會對電氣回路產生影響，可用于普通溫度計無法測量或難以測量的部件、場合；

（3）超過變色溫度后，變化明顯，巡檢人員極易發(fā)現，能夠進行及時干預，避免事故發(fā)生[3]；

（4）成本低廉，經濟性好，費用明顯低于其他測溫方式。缺點：

（1）無法精確顯示被測溫度；

（2）無法記錄被測物體溫度的變化趨勢；

（3）一個測溫蠟片只可測量一個被測點，不可重復利用；

（4）必須停電后才可進行測溫蠟片的安裝，不停電無法新增測點。

1.2 分布式光纖測溫系統(tǒng)

分布式光纖測溫是通過測量空間溫度場分布來實現溫度測量的，近年來發(fā)展較為迅速。光纖溫度傳感器是連續(xù)、分布式的[4]，其主要依據后向的喇曼散射溫度所產生的效應，其中喇曼散射是由分子的熱振動發(fā)生能量交換而產生的，具體地說，如果光能轉換成為熱振動，則會發(fā)出一個比光源波長長的光，為Stokes光；如果熱振動轉換成為光能，則發(fā)出一個比光源波長短的光，為Anti_Stokes光[5]。喇曼散射光就是由這兩種不同波長的光組成的。

分布式光纖測溫系統(tǒng)將光纖既用作傳輸媒體也用作傳感媒體，進行溫度場內的溫度測量，具有較強的實時性，同時利用光時域反射技術精確定位測量點。該方法具有防爆、抗干擾、抗燃、耐腐蝕、耐高壓、快速多點測溫并定位等優(yōu)點，適用范圍十分廣，廣泛適用于特高壓和有強電磁干擾的場所[6]。

1.3 紅外測溫系統(tǒng)

通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能根據黑體輻射定律通過計算得到它的表面溫度，這是紅外測溫實現的客觀基礎[7]。

紅外測溫系統(tǒng)可將溫度這一物理量轉變成為電信號來進行測量，一般由信號處理器、信號放大器、光電探測器和紅外光學系統(tǒng)這幾個重要部分組合而成。而放大微弱的電信號需要信號放大器[8]。

紅外測溫系統(tǒng)具有壽命長、響應快、非消耗性等優(yōu)點，并可進行實時連續(xù)測量。但受限于其測溫原理及外圍因素，抗干擾能力差，受輻射光、煙霧、蒸氣、塵埃影響大，同時也會受到被測物體發(fā)射率的影響，可能導致測量誤差增大。為改善紅外測溫系統(tǒng)，可使用比色法測量溫度，因為不同氣體對紅外輻射的吸收具有選擇性，可選用合適的波段，以降低外界的影響，被測物體光譜發(fā)射率也不會對測量結果產生明顯影響，但工藝較為復雜，造價高昂。

1.4 無線無源測溫系統(tǒng)

無線傳感器分為兩種：無線有源式傳感器和無線無源式傳感器。無線有源式由于有電源供電，傳感距離可以非常遠，可選擇的電路也較多，處理和控制靈活、方便，目前已得到廣泛應用。但對于不能提供電源、不易更換電池的位置及易爆易燃等危險場合，有源傳感器則不再適用。隨著現代化的物聯網的發(fā)展，尤其在智能電網等領域，對無線傳感器技術的需求顯得極為迫切，要求傳感器無源、無線、長壽命、測程長、環(huán)境適應性良好且可進行多點測量[9]。因此，為滿足日益增長的量測需求，無源無線傳感器在現有技術中成為了較為合適的選擇。由SAW器件所構成的無源無線溫度傳感器除無源、無需供電的特點外，還具備使用壽命長、抗惡劣環(huán)境、使用安裝方便、成本低等特點，可在較寬的溫度量測范圍內工作，如采用諧振型傳感器還可實現多點測量，可作為智能電網及相關領域無線測溫技術的理想選擇。因此，研究SAW傳感系統(tǒng)對電力設備狀態(tài)溫度量測等特殊應用場合具有顯著意義。

2 基于SAW的無源無線測溫技術原理

SAW（Surface Acoustic Wave）溫度傳感器采用聲表面波技術，與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有精度高、靈敏度高、易集成、功耗低等優(yōu)點，最突出的是其可在高電壓、大電流的惡劣環(huán)境中連續(xù)工作。

系統(tǒng)的整體設計圖如圖1所示。SAW諧振型傳感器主要由天線和附有反射柵、叉指轉換器的壓電基片組成，如圖1虛框所示。

聲表面波（SAW）是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。通過逆壓電效應將電磁波轉換為一定頻率的聲表面波，聲表面波被轉換為特定諧振頻率的電磁波，然后通過天線輸出；溫度變化使得聲表面波（SAW）的傳播速度發(fā)生變化，進而引起諧振頻率的變化；在一定頻率范圍內溫度和諧振頻率成線性關系，因此，通過電磁波頻率可進一步轉換為溫度。每個傳感器具有唯一的諧振頻帶；傳感器的諧振頻帶和測溫終端的頻帶必須匹配。

3 基于SAW傳感器的無線無源測溫系統(tǒng)適用場景分析

根據上述比較分析，基于SAW傳感器的無線無源測溫系統(tǒng)各項性能均較為出色，如不考慮價格因素，其具有十分巨大的應用潛力。但考慮成本因素，基于SAW的無線無源測溫系統(tǒng)僅在觀測具有局限性、安全要求較高、測量精度要求較高等情況下才具有實際應用價值，因此分析其實際適用場景，在合理的應用場景進行推廣顯得十分重要。

圖1 SAW諧振型測溫傳感器

發(fā)電廠、變電站高壓開關柜及大電流柜在工作運行過程中要承受極大的工作電流，設備在長期的運行過程中，母線和開關觸點、電纜連接處因為老化或接觸電阻過大而產生熱量，當溫度升高超過規(guī)定值時，會加快動觸頭以及靜觸頭的觸點氧化，而氧化結果又會導致接觸電阻值增大，使得發(fā)熱現象更加嚴重，從而整體形成惡性循環(huán)。近年來，在電廠以及變電站已經發(fā)生了多起開關過熱事故，從而造成火災和大面積停電事故。為防止開關過熱問題再次導致事故發(fā)生，實現溫度在線監(jiān)測成為保證高壓設備安全運行的重要手段[10]。由于開關柜空間封閉狹小且?guī)щ姡ぷ魅藛T無法對柜內進行溫度檢查。常見的溫度測量系統(tǒng)如分布式光纖測溫系統(tǒng)，雖然也可以直接測量高壓設備溫度，并且具備較高的精確度，但在配電裝置進行安裝以及后期維護時，復雜程度較高，與此同時，高壓設備長期處于高溫高壓的運行狀態(tài)，會使無線光纖的穩(wěn)定性有所降低。而紅外測溫系統(tǒng)在進行溫度監(jiān)測的過程中，極易受到外界環(huán)境中光照、氣流以及灰塵的影響，從而導致系統(tǒng)所測溫度精確度較低。無線無源測溫系統(tǒng)在此應用場景內，不僅體積小，還能直接與被測點接觸，在長期高溫環(huán)境下其監(jiān)測溫度穩(wěn)定性高、施工簡單、免維護等優(yōu)點[11]，既能夠滿足溫度監(jiān)測精確性要求，還能夠保證測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而在該領域具有廣泛的應用前景。

圖2為華東某電廠使用的基于SAW傳感器的無線無源測溫系統(tǒng)的使用情況，可以看到，該測溫系統(tǒng)的測溫具有實時性，相關測量結果可以生成曲線幫助運行或檢修人員監(jiān)視設備情況，及時發(fā)現故障隱患。

圖2 指定時間內的溫度曲線

同時，由于該測溫系統(tǒng)具有連續(xù)性，通過對一定時間內的溫度曲線進行分析，可以準確判斷出設備的實際運行狀態(tài)，圖3和圖4分別是載流量過大時的實測溫度曲線和設備老化時的實測溫度曲線，可以看到，兩條曲線有著顯著區(qū)別，可以簡單地進行分辨。

圖3 載流量過大溫度曲線

圖4 設備老化溫度曲線

4 結語

綜上所述，無源無線聲表面波傳感器是適應市場和技術發(fā)展趨勢的一種新型傳感器，其彌補了傳統(tǒng)溫度傳感器所存在的各種缺陷，在電力系統(tǒng)設備測溫中具有廣泛的應用前景。而基于SAW傳感器的無線無源測溫系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站高壓開關柜及大電流柜的測溫中具有十分強的適用性，對于實現電力系統(tǒng)的安全生產和隱患排查有著顯著作用。