應用聲表面波技術的高壓開關柜實時測溫系統分析

張偉

摘 要 以聲表面波技術為依托的實時溫測系統，測量精度高，設置簡便，對變電站的設備溫度監測十分有利。本文闡述了聲表面波技術與一般溫測技術的差別，并分別從系統構成，工作原理，具體構建以及實例分析等對高壓開關柜聲表面波實時溫測系統進行了分析。

【關鍵詞】聲表面波技術 高壓開關柜 實時測溫系統

運維人員可以通過眼觀、耳聞等方式掌握設備的基本情況。但是高壓開關柜作為封閉式設備，直接觀測法難以發現設備的內部問題。尤其是發熱問題屬于設備的動態發展問題，需要借助一定的發熱檢測技術來將設備發熱遏制在萌芽之中。

1 聲表面波技術與一般測溫技術的比較

高壓開關柜屬于強電設備，并處于強磁工作環境下，對測溫技術適用的傳感器的穩定性和安全性要求嚴格。紅外線測溫、光纖測溫、CT測溫等，紅外線測溫是基于適用于人工巡檢，不利于關鍵點溫度的監測。光纖測溫受會收到光纖材料本身長度的限制，布線復雜，實施的難度比較大。CT類測溫傳感器體積比較大，且易因接頭電流發生燒壞的可能性，因此不適用于高壓開關柜的實時溫度監測。聲表面波（SAW）技術所使用的傳感器屬于無源無線設備，能夠保留足夠的安全電氣間隔距離，且質輕體小，易于安裝，能夠抵抗高磁的干擾，進行穩定工作。

2 高壓開關柜聲表面波技術實時測溫系統

2.1 實時測溫系統的基本構成及原理

基于聲表面波技術的實施測溫系統由聲表面波溫度傳感器（SAW溫度傳感器）、數據閱讀器、數據傳輸路由器以及監測主站組成。SAW溫度傳感器、數據閱讀器及數據傳輸路由器對高壓開關柜內的溫度測點進行數據采集，最終上傳至監測主站進行數據分析和管理。所謂的聲表面波就是一種沿物體表面進行傳播的彈性波。該系統利用SAW技術與微電子技術、信號處理技術、大數據等結合，采集高壓開關柜的聲表面波，并結合系統內的溫度標準數據進行溫測和告警。

2.2 實時測溫系統的具體運行

2.2.1 SAW溫度傳感器

SAW溫度傳感器是實現溫度監測的主要組件，它由壓電材料（一般為鈮酸鋰材料）、反射柵、叉指換能器等組成。它是單端口諧振型結構，屬于高品質因數、低插入損耗和穩定頻率的設備。溫度傳感器直接安裝于高壓開關柜體內部并與需要測溫的隔離觸頭、母排連接等部位相連。以獲得其表面溫度的準確信號。SAW溫度傳感器通過無線射頻信號與數據閱讀其完成數據交互和信號轉化。根據高壓開關柜的監測需求，每個測溫系統應配置6個溫度傳感器，分別監測上下兩室。根據數據分析規律來看，溫度傳感器所返回的頻率值ft與實測溫度值Tt呈線性關系。目前來講溫度傳感器的測溫范圍可達到-25℃±125℃的范圍。溫度差異不超過2℃。與閱讀器的互為感應距離為2～5米。

2.2.2 數據閱讀器

數據閱讀器向傳感器發出問詢信號，形成溫度監測工作流。基于溫度傳感器的單端口諧振結構，數據閱讀器的信號發出與接收均通過射頻信號來完成，工作時，閱讀器的射頻芯片按照一定的時序，按照2Mhz的增長規格，分別向6個SAW溫度傳感器發出430Mhz～440Mhz的問詢信號，傳感器針對不同頻率的信號進行應答，從而實現射頻信號分組，并判斷發出射頻信號的測點。為了滿足測點問詢的需求，采取雙芯片的結構來對信號進行處理，并自帶A/D信號轉換模塊，實現模擬信號向數字信號的轉換。這樣單獨的數據閱讀器就可以滿足6個溫度傳感器的數據分析需求。數據閱讀器的信號讀取速度可達到10ms/次。數據閱讀器通過內置的基于 IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議的短距離無線通訊技術ZigBee模塊來實現與數據傳輸路由器的通訊。

2.2.3 數據傳輸路由器

數據傳輸路由器對數據閱讀器的溫測數據進行管理，并可以與多個閱讀器構成ZigBee塊節點的通訊網狀結構，該路由節點方式自愈能力強，可實現自由組網。免除了單一節點損壞而造成的連鎖通訊影響。數據傳輸路由器向上與監控主站相連，按照10M/100M的自適應網絡接口接入變電監測主系統。

2.2.4 監測主站

所謂的監測主站就是對SAW溫度傳感器、數據閱讀器以及數據傳輸路由器所傳遞的溫測數據進行匯總，納入變電監測的總數據庫，并對匯總的數據以數據統計圖表的方式進行呈現。并按照實測溫度與系統中存儲的標準溫度信息進行比較后向運維管理人員發出三級告警信息。監測主站的數據庫系統由歷史數據庫、專家數據庫、案例數據庫、基本信息數據庫以及實時溫變信息數據庫組成。當發生溫變時，告警信息的緊急程度以警示燈和信息提示框的方式進行顯示。一級告警時，說明該高壓開關柜的內部測點存在溫度升高的可能性；二級告警時，說明該高壓開關柜的內部測點已經發生溫度升高或者即將達到升溫標準；三級告警時，則表明該測點已經發生嚴重溫變，必須立刻處理。通過三級告警分別實現溫升趨勢、超溫警報、溫度躍遷的監測，根據系統數據庫綜合制定故障排除方案，從而更有效的實現溫度控制和故障排除。

2.3 聲表面波實時測溫系統的實測分析

某110KV變電站共有10組高壓開關柜，在其中一柜體內安裝一套聲表面波實時溫測系統。并在上線運行兩個月后進行采集數據的分析，發現通過該溫測系統能夠有效的監控高壓開關柜內易發生升溫的部位，并適應開關柜強電強磁的工作環境。期間開關柜的隔離觸頭、母排連接處分別發生了3次溫度躍遷和2次超溫現象。通過監測主站的數據分析和故障排除方案具體實施，期間未發生高壓開關柜嚴重溫度故障，保障了該變電站的穩定運行。

3 結束語

綜上所述，應用聲表面波技術的高壓開關柜實時溫測系統的環境適應性強，能夠滿足高壓開關柜的溫測需求，實現高精度的溫度監測和快速告警反應，從而有效避免局面溫度異常對高壓開關柜穩定運行的影響，對變電站的穩定運行有重要意義，可根據變電站的設備溫測需求進行推廣使用。

參考文獻

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作者單位

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