面向智能電網的無源無線溫度傳感系統

張寶珠

摘 要：智能電網的信息化和自動化的實現，首先取決于對電網運行信息的采集技術和傳感技術的發展[1]。電網運行中各節點的溫度信息作為衡量電網運行安全的重要因素，對其進行實時在線監測勢在必行。基于聲表面波（SAW）原理的無源無線溫度傳感系統具有無源無線、實時在線的特點，其勢必成為智能電網建設中實現溫度監測的重要手段。

關鍵詞：智能電網；在線監測；聲表面波；無源無線

引言

電網溫度監測是智能電網建設中必須解決的重要課題。目前工業上可運用的主要測溫手段有熱電偶/電阻測溫、紅外測溫、光纖測溫和無源無線聲表面波測溫等。其中熱電偶/電阻測溫和光纖測溫都屬于有線測溫方式，在電力系統中某些復雜的環境如母線柜、真空斷路器中無法使用，而紅外測溫在某些電氣設備特別是柜體中會存在光線死角等不足。無源無線聲表面波測溫方式具有無源、無線、抗干擾能力強、精度高等優點，決定了其在智能電網建設中勢必得到廣泛的應用。

1.聲表面波測溫原理

聲表面波是一種沿無限厚彈性介質表面傳播的波，在傳播過程中，當周圍環境中的某些物理因素（溫度、壓力、磁場、電場、某些特殊氣體等）發生改變時，會導致聲表面波的傳播特性發生改變[2]，通過測量聲表面波傳播過程中其特性的改變量，就可以得到溫度等環境因素的改變量，這就是聲表面波測溫的原理。

無源無線聲表面波溫度傳感系統由裝在待測點的聲表面波（SAW）傳感器、讀寫器、接入設備和后臺監控系統四部分組成。其中SAW傳感器一般構成如圖1所示，由壓電基片、叉指換能器和天線組成，是基于聲表面波技術和壓電原理設計的，無需供電、無需連線的高精度、小型化傳感器。

2.聲表面波測溫過程

聲表面波溫度傳感器、射頻讀寫器、接入設備和后臺監控系統組成的無源無線測溫系統工作過程示意圖如圖2所示。

SAW傳感器接收讀寫器天線發出的射頻電信號，經過以下兩個過程感知測溫節點的溫度信息：

2.1.逆壓電過程：逆壓電過程是指當在壓電晶體上施加電場時晶體表面產生應變和應力的過程[3]，即電能轉換成機械能的過程。在本系統中，傳感器天線接收到的射頻電信號在壓電晶體表面通過逆壓電過程產生聲表面波，該聲表面波在傳播過程中傳播特性會受到測溫節點溫度變化的影響而發生改變。

2.2.壓電過程：壓電過程是指當對壓電晶體施加應力時，在壓電晶體表面感應出電荷而形成電場的過程，即機械能轉換成電能的過程。受溫度變化影響傳播特性發生改變的聲表面波對壓電基片產生一定的應力作用而激發出電信號，該電信號通過傳感器天線發射出去被讀寫器天線接收。讀寫器接收到的射頻信號通過一定的通信方式傳輸給后臺監控系統，經計算分析得到測溫節點的溫度信息，從而實現對電網運行的溫度信息的遠程監控。

3.無源無線溫度傳感系統的特點

基于聲表面波原理的無源無線溫度傳感系統具有一下一些特點和優點；

3.1.采用純無源的聲表面波溫度傳感器進行溫度信息的采集，這種傳感器由于無需供電電池等設備，從而提高了系統的安全性、長期可靠性和使用壽命。

3.2.聲表面波傳播速度慢、波長短，使得聲表面波器件的尺寸比相應的電磁波器件更易于實現小型化，安裝和使用更加方便靈活，此外，由于聲表面波沿固體表面傳播且波速慢，使信號處理的過程變得簡單方便。

3.3.在一定的頻帶寬度內采用頻分復用或時分復用的方式，實現多點同時在線監測，可以全面的監控電氣節點的溫度信息，保障電力設備的安全穩定。

3.4.具備不間斷溫度監控特性，因而能夠有效監測電氣節點的溫度變化。

4.無源無線測溫在智能電網中應用

基于聲表面波原理的無源無線聲表面波溫度傳感系統，具有無源無線、實時在線等特點，決定了其在智能電網溫度狀態在線監測的廣泛應用前景。

4.1.開關柜中動、靜觸頭測溫。開關柜是輸配電系統中的重要設備，承擔著開斷和關合電力線路、線路故障保護、監測運行電量數據的重要作用。開關設備因高壓斷路器動、靜觸頭接觸不良，加上長期的大電流、觸頭老化等因素易致其接觸電阻增大，從而導致長時間發熱、觸頭溫升過高甚至導致燒毀故障。

4.2.電纜接頭測溫。隨著運行時間的延長、壓接頭的松動、絕緣老化、以及局部放電、高壓泄漏等，將引起發熱和溫度的升高，溫度的升高將使這些狀況進一步惡化，這促使溫度進一步提升，這一惡性循環的結果就引發短路放炮，甚至火災。

4.3.地埋電纜測溫。在各種地埋電纜中，一旦出現故障，維修起來是非常麻煩和費力的，而熱效應是各種故障和異常現象的重要原因，特別是電纜節點處，電阻大，壓接頭可能松動等，長期運行可能造成電纜頭過熱、燒穿絕緣等狀況。聲表面波無源無線測溫系統在電氣設備中的測溫實現如圖3所示。

基于聲表面波原理的無源無線測溫系統，其測溫探頭采用聲表面波傳感器，其體積小，易于實現在母線柜、斷路器等狹小的電氣節點中安裝。此外，讀寫器和傳感器之間采用無線通信的方式，且采用的傳感器為無源傳感器，不會影響電氣設備的安全運行。

5.總結

智能電網建設的目的在于實現電網的安全、可靠運行。針對電網運行中因發熱出現的各種不良現象及事故，本文提出了一種對電力設備進行有效地實時在線溫度監測的方法，該方法具有無源無線、實時在線等特點，其必將在以后的電網溫度監測中發揮更大的作用。

參考文獻

[1]李祥珍，劉建明.面向智能電網的物聯網技術及其應用[J].電信網技術.2010（8）：41-45.

[2]陳明，范東遠，李歲勞.聲表面波傳感器[M].陜西：西北工業大學出版社，1997.3-36.