唐全勝

1 前言

電力系統(tǒng)中，各類設(shè)備的開斷接觸點(diǎn)均有可能會(huì)因松動(dòng)、老化、電弧沖擊等原因造成接觸電阻增大、觸點(diǎn)溫度不斷上升。若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)上述情況，則容易導(dǎo)致拉弧短路爆炸、大面積停電、人員傷亡等災(zāi)難性事故的發(fā)生，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，對(duì)電力設(shè)備的觸點(diǎn)溫度進(jìn)行可靠的在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除隱患，受到越來(lái)越多的工礦企業(yè)的重視。

2 電力系統(tǒng)觸點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)常見(jiàn)方案

2.1 熱電偶、熱電阻方式

熱電偶測(cè)溫是將兩種不同成分的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，通過(guò)熱電效應(yīng)對(duì)被測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量。熱電阻測(cè)溫是利用導(dǎo)體電阻隨溫度的變化而變化的規(guī)律來(lái)對(duì)被測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量。這兩種方式都屬于有線測(cè)溫方式，需要使用金屬線傳輸溫度信號(hào)。在實(shí)際安裝應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)金屬線走線不便、被測(cè)設(shè)備絕緣破壞等問(wèn)題。

2.2 紅外測(cè)溫方式

紅外測(cè)溫是通過(guò)檢測(cè)物體分子的熱運(yùn)動(dòng)向外輻射的紅外電磁波來(lái)測(cè)量溫度，在溫度測(cè)量時(shí)不需要和測(cè)溫點(diǎn)直接接觸，屬于非接觸式測(cè)溫。這種測(cè)溫方式易受測(cè)溫環(huán)境因素的影響，尤其是在周圍存在電磁場(chǎng)的環(huán)境下，紅外測(cè)溫極有可能會(huì)受到電磁場(chǎng)的干擾。用紅外測(cè)溫探頭測(cè)溫時(shí)，測(cè)溫探頭必須正對(duì)被測(cè)物體，且中間不能有遮擋物，而且紅外測(cè)溫也難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 光纖測(cè)溫方式

光纖測(cè)溫是以光纖作為敏感元件，利用光纖傳輸信號(hào)的測(cè)溫方式。光纖有優(yōu)良的絕緣性能，可直接安裝到高壓觸點(diǎn)上，測(cè)溫精度也比較高。但是光纖在長(zhǎng)期使用積累灰塵后，會(huì)導(dǎo)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(cè)溫設(shè)備的造價(jià)成本高，光纖易折、易斷，使用安裝比較復(fù)雜。

2.4 無(wú)線有源測(cè)溫方式

無(wú)線有源測(cè)溫方式的傳感頭采用電池供電，溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線電波傳輸。這種方式雖然實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的無(wú)線傳輸，但是該方案的傳感探頭需要電池供電，在實(shí)際使用中需要定期更換電池，維護(hù)成本高。而且電池也不適合長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境下，一旦電池出現(xiàn)問(wèn)題，就無(wú)法監(jiān)測(cè)觸點(diǎn)溫度信號(hào)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成極大的危害。

2.5 無(wú)線感應(yīng)取電測(cè)溫方式

無(wú)線感應(yīng)取電又稱為CT取電，是利用電磁感應(yīng)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(wèn)題。另外，感應(yīng)取電方式傳感頭硬件復(fù)雜，硬件的可靠性和穩(wěn)定性都難以得到保證。根據(jù)某些應(yīng)用區(qū)域反饋的結(jié)果，這種測(cè)溫方式安裝兩年后損壞率在30%左右，這也表明了感應(yīng)取電方式存在缺點(diǎn)。

由于智能電網(wǎng)電力設(shè)備測(cè)溫點(diǎn)的特殊性，上述測(cè)溫方案在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定技術(shù)缺陷，可靠性和安全性有明顯不足之處。

3 新型測(cè)溫技術(shù)（SAW聲表面波）技術(shù)

3.1 聲表面波原理

聲表面波（surface acoustic wave，SAW）技術(shù)是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的一門技術(shù)。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(wàn)分之一），易于在傳播路徑上進(jìn)行信號(hào)處理。因此，用聲表面波去模擬電子學(xué)功能，能使電子元器件實(shí)現(xiàn)超小型化和多功能化。聲表面波芯片具有低成本、高強(qiáng)度、易于設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)。聲表面波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電視、無(wú)線通信、雷達(dá)、無(wú)線電子標(biāo)簽以及各類物理、化學(xué)傳感器中。

聲表面波技術(shù)從監(jiān)測(cè)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(diǎn)為：低插入損耗、高品質(zhì)因數(shù)（Q值）、強(qiáng)干擾能力、易于連接數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 聲表面波無(wú)線傳感系統(tǒng)的工作原理

聲表面波無(wú)線傳感系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖1。首先，由無(wú)線讀取單元發(fā)射一定頻率的電磁波信號(hào)，經(jīng)無(wú)線天線傳送至SAW器件的叉指換能器，然后叉指換能器通過(guò)逆壓電效應(yīng)將接收的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成沿壓電基片表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械振動(dòng)波（即SAW）。SAW遇到反射柵后有部分被反射回叉指換能器，再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換成回波電信號(hào)，最后通過(guò)無(wú)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(xué)（如氣體吸附等）參量擾動(dòng)，即會(huì)引起聲波速度發(fā)生變化，從而引起無(wú)線單元接受的反射信號(hào)的頻率或者相位發(fā)生相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)參量的無(wú)線檢測(cè)。

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(shù)的新型無(wú)線傳感器，其研究始于20世紀(jì)80年代，具有完全無(wú)源、無(wú)線讀取、測(cè)量范圍廣、維護(hù)方便等特點(diǎn)，是目前唯一的無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)。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(yōu)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(huán)境下。盡管SAW傳感器的發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，但因?yàn)槠渚哂懈呔?、高靈敏度，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于大批量生產(chǎn)，體積小、重量輕，信號(hào)易于檢測(cè)，可工作于極端惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最具應(yīng)用潛力的先進(jìn)傳感器之一。

3.3 聲表面波技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

我公司使用的WTS-SG-1型無(wú)源無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了聲表面波（SAW）傳感技術(shù)，兼有“無(wú)源”和“無(wú)線”兩大特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）無(wú)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(wú)源，不帶電池，避免了電池高溫爆炸和化學(xué)泄露等隱患；無(wú)需感應(yīng)取電，避免了感應(yīng)電路本身的故障和發(fā)熱，可靠性高。

（3）無(wú)源溫度傳感器體積小，與讀取器之間的數(shù)據(jù)為無(wú)線傳輸，安裝簡(jiǎn)單方便靈活，不受設(shè)備結(jié)構(gòu)和空間影響。

（4）實(shí)時(shí)測(cè)溫性能好，在線測(cè)溫可隨時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度變化。

（5）傳感器完全無(wú)源，無(wú)需定期更換電池，使用壽命長(zhǎng)，安裝后免維護(hù)。

4 不同測(cè)溫方式對(duì)比（見(jiàn)表1）

5 SAW聲表面波技術(shù)系統(tǒng)配置

5.1 無(wú)線測(cè)溫傳感器

W-TSA U型音叉式，螺母固定或夾具固定（見(jiàn)圖2）。

W-TSB 環(huán)形傳感器式，安裝在斷路器動(dòng)、靜觸頭上（見(jiàn)圖3）。

5.2 溫度讀取器（見(jiàn)圖4）

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

5.3 ANT438ANT463強(qiáng)磁力平板天線（見(jiàn)圖5）

可吸附在開關(guān)柜內(nèi)壁（標(biāo)配）。

5.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6）

5.5 遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖7）

采用BS架構(gòu)，Web瀏覽模式，對(duì)客戶端數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽監(jiān)控；可選配置為本地服務(wù)器或公共云服務(wù)器。

表1 不同測(cè)溫方式對(duì)比

圖2 螺母固定、夾具固定聲表面波傳感器

圖3 斷路器動(dòng)、靜觸頭固定環(huán)形聲表面波傳感器

圖4 溫度讀取器

圖5 強(qiáng)磁力平板天線

5.6 GPRS短信報(bào)警模塊

發(fā)現(xiàn)超溫事件時(shí)，系統(tǒng)同步發(fā)送短信報(bào)警給指定的手機(jī)。

6 聲表面波測(cè)溫的校準(zhǔn)

圖7 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控拓?fù)鋱D

6.1 校準(zhǔn)機(jī)理

聲表面波傳感器測(cè)溫的機(jī)理是，聲表面波諧振器的頻率隨著被測(cè)物體溫度的變化而改變，通過(guò)測(cè)量頻率可換算出溫度。換算公式如下：

式中：

F1——傳感器當(dāng)前的諧振頻率

F0——傳感器初始的諧振頻率

K——溫度系數(shù)

T0——傳感器在初始諧振頻率下寫入的溫度基準(zhǔn)（即標(biāo)定值）

T1——當(dāng)前傳感器測(cè)量溫度值

從式（1）可以看出，要想獲取傳感器的實(shí)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(zhǔn)值T0及溫度系數(shù)K值。溫度系數(shù)值K跟聲表面波諧振器選擇的基片材料有關(guān)，可以通過(guò)精度測(cè)試計(jì)算得到。傳感器的初始諧振頻率和基準(zhǔn)溫度值直接關(guān)系到傳感器測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性。

聲表面波諧振器芯片在制作時(shí)初始諧振頻率F0會(huì)稍有差別，即使只有幾十千赫茲的加工偏差，在不做溫度標(biāo)定的情況下也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量溫度的偏差。因此，為保證溫度的準(zhǔn)確性，聲表面波傳感器在安裝投入運(yùn)行之前，需要對(duì)溫度進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的目的就是給傳感器寫入一個(gè)基準(zhǔn)溫度值T0，傳感器開始工作后，就會(huì)按照設(shè)定的基準(zhǔn)溫度值進(jìn)行溫度解析，從而計(jì)算出當(dāng)前相對(duì)于基準(zhǔn)值的溫度偏差，即測(cè)量溫升。

6.2 校準(zhǔn)方法

從上述內(nèi)容可知，基準(zhǔn)溫度標(biāo)定對(duì)聲表面波傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，在測(cè)溫系統(tǒng)投運(yùn)之前需要對(duì)傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定。由于現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)高壓電氣設(shè)備均處于斷電狀態(tài)，開關(guān)觸頭和電纜接頭等部位的溫度與開關(guān)柜內(nèi)的溫度是相同的，所以安裝時(shí)溫度標(biāo)定基準(zhǔn)值一般是寫入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的開關(guān)柜內(nèi)的溫度值。這種方法雖然可能會(huì)有偏差（2℃以內(nèi)），不過(guò)總體偏差可控，對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性的影響不大。

圖8 SAW聲表面波測(cè)溫傳感器安裝定位圖

我公司聲表面波測(cè)溫技術(shù)，除了配備監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備電氣節(jié)點(diǎn)的聲表面溫度傳感器以外，還接入了監(jiān)測(cè)柜內(nèi)環(huán)境溫、濕度的傳感器。通過(guò)開關(guān)柜內(nèi)環(huán)境溫度與觸頭、接頭處溫度的對(duì)比，即可測(cè)量出觸頭、接頭部位的溫升，這種溫度監(jiān)測(cè)排除了環(huán)境溫度影響，監(jiān)測(cè)效果更為有效。由于測(cè)溫設(shè)備安裝后，聲表面波溫度傳感器和環(huán)境溫、濕度傳感器都在柜體的一個(gè)空間內(nèi)，兩者溫度完全一致，系統(tǒng)先采集環(huán)境溫、濕度傳感器的溫度信息（環(huán)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(zhǔn)溫度寫入系統(tǒng)，對(duì)聲表面波傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定。系統(tǒng)投運(yùn)后，聲表面波測(cè)溫傳感器將按照環(huán)境溫、濕度傳感器溫度作為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，這種溫度標(biāo)定方法比傳統(tǒng)的以電氣室環(huán)境溫度做基準(zhǔn)的方法更為準(zhǔn)確。

7 聲表面波測(cè)溫系統(tǒng)的使用效果

2018年2月，我公司利用停產(chǎn)大修機(jī)會(huì)，對(duì)公司四條5 000t/d水泥生產(chǎn)線從總降到余熱發(fā)電，再到各車間配電室的所有高壓開關(guān)柜及低壓進(jìn)線柜的開關(guān)動(dòng)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(cè)溫傳感器（見(jiàn)圖8）。

2019年6月19日，技術(shù)人員手機(jī)溫度監(jiān)測(cè)APP收到一個(gè)溫度報(bào)警推送信息，顯示A線原料配料站配電室A130.13高溫風(fēng)機(jī)高壓開關(guān)柜B相動(dòng)觸頭溫度高報(bào)警，實(shí)時(shí)溫度58.3℃，立即停機(jī)檢查處理。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)觸頭松動(dòng)，接觸電阻大，氧化發(fā)熱（見(jiàn)圖9）。因報(bào)警監(jiān)測(cè)到位，處理及時(shí)，避免了事故的擴(kuò)大。

8 聲表面波測(cè)溫系統(tǒng)的日常維護(hù)

（1）新安裝的系統(tǒng)在正式運(yùn)行前，必須對(duì)其進(jìn)行基準(zhǔn)溫度設(shè)定，設(shè)定基準(zhǔn)溫度必須等到設(shè)備推到運(yùn)行位置（斷路器小車推到運(yùn)行位，開關(guān)柜柜門閉合）后才能進(jìn)行。

圖9 A線原料配料站配電室A130.13高溫風(fēng)機(jī)高壓開關(guān)柜B相動(dòng)觸頭發(fā)熱

（2）設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，不能擅自移動(dòng)設(shè)備的任何部件，不可隨意操作本地軟件，更改系統(tǒng)設(shè)置。

（3）如特殊原因需要拉出開關(guān)柜斷路器，拉開后，由于柜內(nèi)擋板合上可能對(duì)傳感器信號(hào)有較大影響，由此可能會(huì)造成傳感器信號(hào)溫度誤差，待斷路器合上后傳感器信號(hào)檢測(cè)誤差會(huì)自動(dòng)消除。