无线无源声表面波分析

产品名称：无线无源声表面波(SAW)传感器温度测量系统(用于电力系统)

1.引言

近年来，随着电网容量的不断增大，超高压与特高压电力系统的逐步建立，大容量、大区域互联和西电东送等复杂系统的形成，对电力系统的安全运行和供电可靠性都提出了更高的要求。特别是随着超高压输电系统全国联网、紧凑型输电线路的建成、带有串补或静补的交流柔性超高压输电系统的采用，输电系统的短路电流将达到较高水平。

为保证电力系统的安全运行，可通过对系统内重要电力设备运行状态，特别是绝缘状态进行监测，检测各种关键状态量，对其进行分析诊断，发现设备的各种缺陷及其劣化发展，以求在可能出现故障或性能下降到影响正常工作之前，及时维修、更换，避免发生危及安全的事故。其中，电力系统高压设备在长期运行过程中由于表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动、触点和母线排连接处老化等问题，造成设备过热甚至出现严重事故的可能性进一步加剧。为了及时发现或预知事故隐患避免故障造成严重后果，按电力行业的安全规范要求可行的办法就是实时在线监测电力系统一些关键设备或部位的温度，从而间接监测电力设备的工作状态。目前在电力系统中急需在线监测温度的设备和部位包括：导电母排接头、电缆接头、电缆终端与电器设备的连接处、高中压开关柜触头、刀闸开关、干式变压器等设备。尤其是一次设备的开断接触点，由于设备制造的原因、设备受环境污染的原因、设备长期运行、严重超载运行、触点氧化、电弧冲击等原因造成接触电阻增大，因此在运行时往往容易造成发热，温度不断上升，给设备安全运行埋下了隐患，如果不及时发现，容易导致起火或爆炸，造成大量的财产损失，这一现象在负荷增长较快的地区显得尤为普遍。

此外，在用电高峰期及部分线路故障等情况下如何在现有输电线路的基础上提高输送能力成为“智能电网”迫切需要解决的问题。在不改变现有输电线路结构和确保电网安全运行的前提下，建立输电线路动态增容监测系统可有效、安全地增加线路短期输电容量，以满足突发事件下的供电需要，符合电力部门优质供电、优质服务的要求。基于输电线导线温度检测的方法还是高压架空输电线路动态增容实施的重要依据。因此，温度检测正成为“智能电网”领域中不可或缺的重要技术。

输电变电线路和装备温度监测的特点和难点主要在于：

（1）检测点的电压高达几十万伏，要求传感器必须易于安装并实现电气绝缘隔离，因此无线传感器较适宜；

（2）检测的母排或输电线上电流几十安培甚至上百安培，且周围分布着极强的电磁场干扰，同时要抗雷击。采用感应供电的工作模式不稳定可靠；

（3）我国在《架空输电线路导线温度在线监测系统技术导则》和《高压设备智能化技术导则》的总体原则中，建议涉及高压设备本体，传感器尽量采用无源型；

（4）温度传感器(包括其引线)除了必须满足高温测量的稳定性和耐热性要求外，还必须耐受短路大电流冲击时所产生的短时高温而不被损坏，寿命要超过15年甚至30年；

2. 电力系统的主要测温解决方案的比较

国内外很早就关注电力系统测温技术的使用，在国外在线测温技术使用已经较普遍，如：关键点母线／开关的温度测量、发电厂电缆接头温度测量、变压器温度测量等。我们首先分析对比目前在电力系统测温系统的主要解决方案。

2.1红外测温

红外测温适合人工巡查测温，因为使用比较灵活，现在已经成为高压电力设备温度检测的一个主要手段。红外测温仪的缺点是体积较大，成本高(一个测温点要数千至几万元)，精度与距离有关，特别是它无法实现在线实时监测，使得难以发现和消除可能存在的隐患。另外红外线无法绕射过遮挡物、准确测量关键接点处温度，限制了它在一些场合的应用。受日照或其他光照影响较大，操作需要比较专业且无法测量开关柜内设备，主要用于人工操作定期带电温度测试。

2.2光纤测温

光纤式温度测温仪采用光纤传递信号，其温度传感头安装在带电物体的表面，测温仪与温度传感器间用光纤连接。分布式光纤测温在电网状态监控中有一定的应用，但是光纤具有易折，易断的特性，特别在开关柜内，光纤弯曲度是有限制的。此外，光纤传感器设备造价较高，由于光纤传感属有线工作方式，测量高电压一次侧的光纤存在对地绝缘性、爬电、漏电等问题。

2.3无线有源测温

现有的无线有源或半无源测温方案中，通常采用电池或者小电流互感器（CT）在电力一次侧取能，然后为测温电路和无线发射电路供电。很多公司还宣称采用特殊的“等电位”电路设计及低功耗技术的测温技术。该方案可以实现了温度信号的无线传输，且传输距离较远，可方便分配设备地址便于实现传感器阵列。但是由于该方案属于有源方案，电池供电存在需要定时更换电池，而且抗高温能力较差的缺点；采用CT取能则存在供电电压不稳，尤其是在电力线路发生故障时，因供电不正常而无法可靠提供监测信息。

2.4 声表面波温度传感器的测温优势

相比之下，采用无源、无线的测温方案在电力系统应用中具有显著优势。其中本文中采用的声表面波（surface acoustic wave, 简写为SAW）技术是无源、无线方案中的重要实现技术。声表面波温度传感器的主要特点主要包括：

（1）纯无源、无线

SAW传感器利用的是压电材料，本身工作在30MHz~3GHz射频频段，它能够直接将电磁波转换成SAW和将SAW转换成射频电磁波而无需电源供能，只是被动地反射查询信号。这样就解决了电池供电和高电压绝缘等问题。

（2）寿命长、抗干扰能力强

由于SAW传感侧无任何电子元器件，不牵涉半导体材料中电子的迁移过程，相对于带电池的有源式温度传感器，它的寿命长、抗放电冲击和抗电场、磁场等干扰能力强等许多独特优点，非常适用于电力系统中。

（3）量程范围大

由于声表面波传感器材料利用的是压电材料，传感侧无电子元器件，因此可耐受高、低温（-200~1000℃）等恶劣环境下使用。相比之下，虽然有源传感器的测温元件可耐受高低温，但由于无线发射电路的电子元件不耐受恶劣环境，因此系统总体的量程范围受限于无线发射电路。（4）易于阵列化实现多点测量

（5）安装使用方便、成本低

表1是目前电力系统中主要的测温方案的比较[6]。可以看出，SAW温度传感器较其他测温方法有明显的优势。

表1不同测温方案对比

我们研究的用于电力系统的SAW传感器测温系统得到天津712通信广播有限公司的验收和认可。

用开发的传感器系统对电力设备进行基于SAW传感器阵列的无线测温。该套设备可对电力设备实施多点温度监测，传感阵列的测温范围为-40℃~150℃，测温精度可达1℃，作用距离可达2m，完全满足了电力行业无源、无线、远距测温的要求。该套系统在电力行业进行推广，可对高压电缆、绕组、母线排、变压器高低压侧、隔离开关、开关柜、互感器、电抗器、刀闸、断路器等高电压大电流设备的接头、触点、触壁、进出线等部位温度进行实时监测。随着高效和可持续的使用能源方式受到越来越多的重视，该产品的市场前景相当可观。