聲表面波無源無線傳感器的設備一體化設計及其在配電設備溫度監測中的應用研究

秦勇 沈陳 姜鑫東 胡新雨

[摘 要]文章結合聲表面波無源無線傳感器的技術原理和特點，針對無源無線溫度傳感器早期試用或測試時暴露的問題，提出無源無線傳感器的設備一體化設計原則，以中壓開關柜動靜觸頭溫度、終端電纜頭溫度以及配電變壓器頂層油溫/油位在線監測為主要應用，探討用于配電設備的內置型、設備一體化融合設計解決方案，為智能化配網中本體狀態感知和主動預測預警的設備選型提供建議和參考，也為無源無線傳感器在電力一次設備上的應用奠定了基礎。

[關鍵詞]聲表面波;無源無線;設備一體化;一二次融合

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.14.085

[中圖分類號]F273;TP212.9[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）14-0-04

0? ? ?引 言

配網是電網的重要組成部分，確保配網安全可靠供電，促進經濟社會快速協調發展是電網企業義不容辭的社會責任。到2020年，國家電網公司配電智能化領域將實現智能感知、數據融合、智能決策三大領域。“十二五”規劃期間，國家電網公司全面開展電網設備狀態檢修，很多新型傳感器或監測裝置被應用于監測配網設備的運行狀態，而配網設備和通道數量大、分布廣且運行環境復雜。部分監測裝置運行可靠性較低、故障率高、壽命短，監測裝置甚至在投運1～2年內就需要更換電池或發生故障;還有部分在線監測裝置的有效性差、性價比不高、安裝維護工作量大。在確保本體設備性能和可靠性基礎上，進一步提升設備本質狀態自感知、自診斷和自控制能力，國網總部智能運檢體系建設方案中提出設備本體與狀態感知傳感器一體化融合設計制造的建議，給配網自動化中傳感器的小型化、無源化、長壽命化提出了要求。

溫度是體現電力設備運行狀態的重要參量。實時采集溫度監測點的溫度變化，實現實時預警功能，及時通知相關人員，能有效提高配網設備的運行可靠性和經濟性。除了紅外和光纖溫度傳感器外，各類新型無線傳感器層出不窮，例如：自取電式紅外點陣測溫、半導體測溫以及無線射頻供電半導體測溫等。近年來涌現出的聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）式溫度傳感器在配網設備（包括開關柜、環網柜、電纜接頭等）溫度實時、智能監測方面逐漸受到關注。中國電機工程學會、國家電網公司、南方電網公司在2016年電力新技術目錄（電網部分）將其列為設備監測新技術，并同時在國網和南網系統內部小批量試用。本文結合聲表面波無源無線傳感器的技術原理和特點，針對無源無線溫度傳感器早期試用或測試時暴露的問題，以中壓開關柜動靜觸頭溫度、終端電纜頭溫度以及配電變壓器頂層油溫/油位在線監測為主要應用，探討用于配電設備的內置型、設備一體化融合設計解決方案，以期為智能化配網中本體狀態感知和主動預測預警的設備選型提供建議和參考。

1? ? ?聲表面波無源無線傳感器的原理和特點

閱讀器發射機利用天線，將SAW無線傳感系統中的窄帶電磁波發射激勵無源單端口聲表面波諧振器（SAWR）后，在能夠產生逆壓電效應的壓電材料作用下，電磁波被傳感器天線接收，叉指換能器（IDT）將此電磁波轉換成窄帶聲表面波，如圖1所示。諧振腔結構以及基片環境溫度決定SAWR的實際諧振頻率。帶內各頻率分量的SAW會在窄帶電磁激勵消失后，在不同的時間內出現衰減振蕩，天線將IDT通過壓電作用SAW轉化出的電磁波再次輻射出來。電磁波處于能量最大的狀態時，電磁波頻率持續時間是最長的，且等于SAWR諧振頻率。回波頻率會在電磁波被閱讀器接收后被提取，此時就可以實現無線測量溫度。所以，想要SAWR獲得最大的能量，要保持激勵信號的中心頻率與SAWR諧振頻率一致。

每臺閱讀器可以訪問多個SAW傳感器，傳感器之間通過頻分復用機制區分。基于上述工作原理，SAW無線無源傳感器具有以下技術特點。①SAW器件本身工作在射頻頻段，采用數/能同傳方式工作，確保高低壓絕對分離，抗電壓絕緣安全性高。②SAW器件采用在壓電材料（非半導體）制作，能夠直接實現電磁波與SAW相互轉換且無須電源供能。這種本質無源使其工作時無須電池或取電，也無須無線供電。③SAW的優勢在于使用年限比較長、具有較強的抗電磁場干擾能力等。SAW的電子元器件不與傳感側的位置，在電子遷移時，SAW不參與其中，非常適合在電力系統中使用。

2? ? ?傳感器的一體化設計原則和關鍵技術

從SAW傳感器的原理和特點可以看出，其在傳感器端沒有電池，一方面，無須頻繁維護;另一方面，即使傳感器損壞也不會對設備造成損害，是一種非常適合與設備長期共生的傳感技術。但目前在實際應用中，由于沒有充分考慮與設備的一體化設計，導致安裝、實施、維護過程中出現一系列問題。而一體化設計傳感器則正是為了解決上述問題提出的一種創新的設計概念，宗旨是傳感器的安裝既不能影響電氣設備原有的機械性能、電氣性能，同時還需要將電氣設備對傳感器無線性能和高壓可靠性的影響降到最低。

傳感器的一體化設計必然會涉及如下的關鍵技術。①傳感器的安裝結構設計：需要充分考慮一次電氣設備的原有結構，設計合理的傳感器安裝結構，從而在不影響電氣設備的機械性能和電氣性能的同時，使傳感器易于安裝。②傳感器的天線設計：需要在結構設計的基礎上，依據具體的設備特點設計傳感器的天線，使傳感器在特定安裝結構下具有最高的無線傳輸性能。③高電壓適應性設計：由于傳感器長期工作于高電壓環境，因此需要同時評估傳感器對高電壓設備電氣性能的影響和高電壓沖擊對傳感器的影響，以等電位為設計原則，以電壓沖擊、雷擊等為假想失效原因，對傳感器的高電壓適應性進行針對性設計。后文將結合這些設計原則和關鍵技術，介紹一體化傳感器在配網設備監測中的應用。

3? ? ?開關柜動靜觸頭內置型測溫傳感器應用

配網開關柜正朝著不停電綜合監測的方向發展，相對斷路器機構在線監測和局部在線監測，溫度在線監測技術更加成熟可靠。一方面，溫度在線監測可以及早發現因長期運行導致的連接部位接觸電阻變大以及過負荷等因素引起的溫度過高;另一方面，斷路器合閘放入具體情況還可以用動/靜觸頭進行檢查，特別是接觸不良的情況，不平衡的三相溫度值可以直接將表示詳細的情況。目前，僅有ABB公司出售預置安裝光纖測溫傳感器的開關柜。改造后安裝的無線溫度傳感器通常被安裝在母排上，由于離開動靜觸頭接觸點的真實發熱點具有一定距離，該安裝方式總體能夠反映負荷大小，溫升值能表現突發故障，但所測溫度絕對值低于真實發熱點的溫度。雖然安裝在動靜觸頭的絕緣盒內能測量到真實的觸點溫度，但凸起的傳感器占用了絕緣空間，如何避免局部放電，解決傳感器在反復操作、震動幅度較大的情況下不被破壞，并加強其安裝的牢固度等是重要的施工過程。所以傳感器的封裝以及尺寸等應該是安裝的起點，并要在高壓以及復雜施工的情況下對傳感器內裝置的可靠性進行研究分析，讓生產廠家優化一體化設計制造技術。傳感器使用這兩種方式安裝時，必須保證整段母線都處于停電狀態。

如圖2所示，在動觸臂內提前放置傳感器（圖2a），再進行澆筑或者安裝絕緣套，這種內置型一體化裝置完全避免了既有開關柜加裝傳感器時需要停電的缺點;同時，溫度傳感器可以盡可能地靠近動觸頭的梅花插頭，可以更準確地測量真實發熱點的溫度。圖2b是內置無線SAW溫度傳感器的動觸臂的X光照片。相比采用扎帶的安裝方式，該一體化預置方案的抗振動能力強，完全避免了材料長期老化造成扎帶斷裂等問題。同時，一體化預置方案的天線設計充分考慮了放電影響，局部放電測試的結果顯示加裝傳感器未對觸臂的局部放電性能造成任何影響。

4? ? ?終端電纜頭一體化溫度傳感器應用

在配網中，電纜頭受施工工藝、部件質量以及運行條件等因素影響，接觸不良或者絕緣被破壞時可能產生故障，尤其是終端電纜頭在高強度工作的運作下，由于運行環境封閉狹小，高溫和絕緣破壞交替作用加大了故障的可能性，因此，室外終端電纜頭是電力巡檢時必須重點檢查的部件。終端電纜頭運行溫度能很好地反映電纜頭的絕緣情況，同時和運行負荷數據相結合，還能有效地輔助故障預判和負荷動態調整。然而由于終端電纜頭處于封閉鎧裝設備內部且接觸點包裹于絕緣護套內部，通常的檢測手段如紅外或捆綁線纜處的故障指示器等無法獲得準確的溫度數據，因此發展一種可內置于絕緣護套，直接與發熱部位接觸的長期有效的在線監測手段十分必要。

SAW傳感技術在此應用中適用的主要原因是不存在電源以及電線，且使用年限比較長，將內置型傳感器預置于環網柜出廠時的出線套管上，能實現新配網終端設備的功能。只有研制出一體化的傳感器，才能滿足大量存量環網設備的需要。在設計傳感器時，由于電纜終端頭內部的空間較小，所以要盡量減小傳感器的體積，滿足機械以及電氣性能的要求。所以，SAW傳感器技術應發揮需要能量小以及有較強穿透力的作用，用墊片式的一體化傳感器滿足存量設備改造的需要，這樣可以不改變原有的安裝技術。其中，圖3a表示了這種傳感器的示意圖，金屬墊片以及絕緣材料PIFA是傳感器重要的組成部分，在外觀上表現為處于原始終端電纜頭部墊片的形狀，在對其進行改造時，可以直接替代原始墊片，剩余的安裝技術應該與原本的安裝流程相同，傳感器安裝現場的示意圖如圖3b所示。

5? ? ?配電變壓器油溫油位一體化監測傳感器

對于使用量較大的油浸式配電變壓器，一般利用油浮式機械油位指示器以及機械溫度計，不能對油溫以及油位進行嚴格在線監視以及數據監測，只能依靠人力對其進行檢查，這種巡視檢查的難度比較大，經常出現檢查遺漏的情況。所以，研制一種配電變壓器油位和油溫的自動監測系統，一旦發生溫升超過上限或漏油故障時能夠及時報警，在保證農網變壓器設備安全的同時降低電力行業員工的巡檢強度，對整個設備具有重要意義。在傳感信號的作用下，利用在配電變壓器安裝的JP柜查詢SAW傳感器的狀態，并解析相關信息，接入智能配電終端，將數據遠傳至監測平臺。

系統設計難點在于通過合理的設計使傳統的油位計具備油位和油溫監測功能，同時不影響油位計原有的指示功能和機械特性。設計的傳感器結構和實物分別如圖4a和圖4b所示，包括用于產生油位報警的傳感器、用于測量變壓器油溫的傳感器、磁感應開關、磁體、油位標識，裝置殼體、傳感器天線、采集器天線及采集器等部分。油溫SAW傳感器內嵌于變壓器油位計的浮筒底部，用于測量頂層油溫;油位SAW傳感器固定在裝置外殼上，用于測量環境溫度和產生油位報警，磁感應開關安裝在裝置外殼的內壁上并串聯在油位SAW傳感器和傳感器天線，可耐受高溫的磁體內置于油位計的油位標識中間，并由連接桿帶動隨浮筒上下移動。

在實際使用的過程中，相關工作人員比較關注的問題是變壓器在處于油位較低的狀態時能否發出警報，為了在花費最低成本的狀態下能夠實現對最低油位的監測工作，筆者所在團隊選擇磁感應開關連接傳感器天線和油位SAW傳感器之間的裝置。在傳感器與傳感天線處于聯通狀態時，表示油位正常，此時磁感應開關處于閉合狀態;跟隨復通的位置產生浮動的磁鐵與磁感應開關的位置比較遠，表示油位過低，此時磁感應開關處于斷開狀態，采集器在很長時間內不能對環境溫度進行測量，這也是判斷油位低的重要標準。在油位處于正常的狀態時，傳感器可以提供環境溫度，準確算出油溫溫升。

6? ? ?結 語

本文結合聲表面波無源無線傳感器的技術原理和特點，針對無源無線溫度傳感器早期試用或測試時暴露的問題，探討了用于配電設備的內置型、設備一體化融合設計原則，并以中壓開關柜動靜觸頭溫度、終端電纜頭溫度以及配電變壓器頂層油溫/油位在線監測為主要應用對象，提出了對應的解決方案，為智能化配網中本體狀態感知和主動預測預警的設備選型提供建議，也為無源無線傳感器在電力一次設備上的應用奠定基礎。

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