面向智能电网的无源无线温度传感系统
2015-05-03 14:15:27   来源：微迷   评论：0   点击：

引言

电网温度监测是智能电网建设中必须解决的重要课题。目前工业上可运用的主要测温手段有热电偶/电阻测温、红外测温、光纤测温和无源无线声表面波测温等。其中热电偶/电阻测温和光纤测温都属于有线测温方式，在电力系统中某些复杂的环境如母线柜、真空断路器中无法使用，而红外测温在某些电气设备特别是柜体中会存在光线死角等不足。无源无线声表面波测温方式具有无源、无线、抗干扰能力强、精度高等优点，决定了其在智能电网建设中势必得到广泛的应用。

1. 声表面波测温原理

声表面波是一种沿无限厚弹性介质表面传播的波，在传播过程中，当周围环境中的某些物理因素（温度、压力、磁场、电场、某些特殊气体等）发生改变时，会导致声表面波的传播特性发生改变，通过测量声表面波传播过程中其特性的改变量，就可以得到温度等环境因素的改变量，这就是声表面波测温的原理。

无源无线声表面波温度传感系统由装在待测点的声表面波（SAW）传感器、读写器、接入设备和后台监控系统四部分组成。其中SAW传感器一般构成如图1所示，由压电基片、叉指换能器和天线组成，是基于声表面波技术和压电原理设计的，无需供电、无需连线的高精度、小型化传感器。

2. 声表面波测温过程

无源无线测温系统工作由声表面波温度传感器、射频读写器、接入设备和后台监控系统组成。

SAW传感器接收读写器天线发出的射频电信号，经过以下两个过程感知测温节点的温度信息：

2.1 逆压电过程：逆压电过程是指当在压电晶体上施加电场时晶体表面产生应变和应力的过程[3]，即电能转换成机械能的过程。在本系统中，传感器天线接收到的射频电信号在压电晶体表面通过逆压电过程产生声表面波，该声表面波在传播过程中传播特性会受到测温节点温度变化的影响而发生改变。

2.2 压电过程：压电过程是指当对压电晶体施加应力时，在压电晶体表面感应出电荷而形成电场的过程，即机械能转换成电能的过程。受温度变化影响传播特性发生改变的声表面波对压电基片产生一定的应力作用而激发出电信号，该电信号通过传感器天线发射出去被读写器天线接收。读写器接收到的射频信号通过一定的通信方式传输给后台监控系统，经计算分析得到测温节点的温度信息，从而实现对电网运行的温度信息的远程监控。

3. 无源无线温度传感系统的特点

基于声表面波原理的无源无线温度传感系统具有一下一些特点和优点；

3.1 采用纯无源的声表面波温度传感器进行温度信息的采集，这种传感器由于无需供电电池等设备，从而提高了系统的安全性、长期可靠性和使用寿命。

3.2 声表面波传播速度慢、波长短，使得声表面波器件的尺寸比相应的电磁波器件更易于实现小型化，安装和使用更加方便灵活，此外，由于声表面波沿固体表面传播且波速慢，使信号处理的过程变得简单方便。

3.3 在一定的频带宽度内采用频分复用或时分复用的方式，实现多点同时在线监测，可以全面的监控电气节点的温度信息，保障电力设备的安全稳定。

3.4 具备不间断温度监控特性，因而能够有效监测电气节点的温度变化。

4. 无源无线测温在智能电网中应用

基于声表面波原理的无源无线声表面波温度传感系统，具有无源无线、实时在线等特点，决定了其在智能电网温度状态在线监测的广泛应用前景。

4.1 开关柜中动、静触头测温。开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线路故障保护、监测运行电量数据的重要作用。开关设备因高压断路器动、静触头接触不良，加上长期的大电流、触头老化等因素易致其接触电阻增大，从而导致长时间发热、触头温升过高甚至导致烧毁故障。

4.2 电缆接头测温。随着运行时间的延长、压接头的松动、绝缘老化、以及局部放电、高压泄漏等，将引起发热和温度的升高，温度的升高将使这些状况进一步恶化，这促使温度进一步提升，这一恶性循环的结果就引发短路放炮，甚至火灾。

4.3 地埋电缆测温。在各种地埋电缆中，一旦出现故障，维修起来是非常麻烦和费力的，而热效应是各种故障和异常现象的重要原因，特别是电缆节点处，电阻大，压接头可能松动等，长期运行可能造成电缆头过热、烧穿绝缘等状况。声表面波无源无线测温系统在电气设备中的测温实现如图3所示。

基于声表面波原理的无源无线测温系统，其测温探头采用声表面波传感器，其体积小，易于实现在母线柜、断路器等狭小的电气节点中安装。此外，读写器和传感器之间采用无线通信的方式，且采用的传感器为无源传感器，不会影响电气设备的安全运行。

5. 总结

智能电网建设的目的在于实现电网的安全、可靠运行。针对电网运行中因发热出现的各种不良现象及事故，本文提出了一种对电力设备进行有效地实时在线温度监测的方法，该方法具有无源无线、实时在线等特点，其必将在以后的电网温度监测中发挥更大的作用。