淺談無(wú)源無(wú)線溫度傳感器在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫中的研究與應(yīng)用

王子鋒

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：針對(duì)聲波表面波無(wú)源無(wú)線溫度傳感器在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：聲波表面；傳感器；開(kāi)關(guān)柜

1 概述

溫度是表征電力一次設(shè)備運(yùn)行正常的一個(gè)重要參數(shù)。隨著用電量的急劇增長(zhǎng)，為了滿足用電需求，導(dǎo)致變電站的開(kāi)關(guān)柜等高壓設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在限狀態(tài)，過(guò)負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致一次設(shè)備的發(fā)熱及過(guò)熱，這一現(xiàn)象在負(fù)荷增長(zhǎng)較快的地區(qū)顯得尤為普遍。這些情況如不及時(shí)得到監(jiān)控，及時(shí)處理，都將發(fā)生不可預(yù)測(cè)的大事故。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即可知道開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行工況，通過(guò)電網(wǎng)信息資源整合，就可為狀態(tài)檢修提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

2 聲表面波技術(shù)基本原理

聲表面波（SAW）是指能量集中在物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?聲表面波叉指換能器是一個(gè)非常重要的聲表面波器件。自從出現(xiàn)了叉指換能器，才使聲表面波技術(shù)以及聲表面波傳感器得到了具有實(shí)用價(jià)值的飛速發(fā)展。到目前為止，叉指換能器是可實(shí)用的聲表面波換能器。如下圖所示為叉指換能器的基本結(jié)構(gòu)，它由許多金屬膜電極組成，這些電極淀積在壓電材料襯底上，它們互相交叉放置，兩端再經(jīng)過(guò)匯流條把它們連在一起，由于其形狀像交叉平放的兩排手指，故稱為均勻叉指換能器。叉指周期可以通過(guò)以下公式計(jì)算：T=2a+2b。當(dāng)兩相鄰電極構(gòu)成一個(gè)電極對(duì)，它們相互重疊的長(zhǎng)度為有效指長(zhǎng)，即換能器的孔徑，記為W。若換能器的各電極對(duì)重疊長(zhǎng)度相等，則叫等孔徑（或等指長(zhǎng)）叉指換能器。

（叉指換能器）

聲表面波傳感器采集原理是基于聲表面波諧振器的頻率可變特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即諧振器的頻率會(huì)隨著被測(cè)量的某些變化而改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)的。因此，聲表面波傳感器的關(guān)鍵器件就是聲表面波諧振器。聲表面波諧振器主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式。一種以聲表面波諧振子為核心，一種以聲表面波延遲線為核心，再配以適當(dāng)?shù)姆糯笃鹘M成。由SAWR構(gòu)成的聲表面波諧振是目前在甚高頻和超高頻段實(shí)現(xiàn)高Q值的器件。Q值代表通頻帶寬度，Q值越大，通頻帶越窄，選頻特性越好。

SAWR由一對(duì)叉指換能器及金屬柵條式反射器構(gòu)成。兩個(gè)叉指換能器一個(gè)用作發(fā)射聲表面波，一個(gè)用作接收聲表面波。叉指換能器和反射器采用半導(dǎo)體集成工藝，它將金屬鋁淀積在壓電基底材料上，然后再用光刻技術(shù)將金屬薄膜刻成一定尺寸及形狀的特殊結(jié)構(gòu)。叉指換能器的指寬、叉指間隔以及反射器柵條寬度、間隔都必須根據(jù)中心頻率、Q值的大小、對(duì)噪聲抑制的程度和損耗大小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作。

將聲表面波諧振子的輸出信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，反饋到它的輸入端。只要放大電路的增益能補(bǔ)償諧振子和其連接導(dǎo)線的部分損耗，同時(shí)能滿足相應(yīng)的相位條件，那么諧振子就可以起振、自激勵(lì)。起振后的聲表面波諧振子的諧振頻率會(huì)隨著溫度的變化、壓電基底材料的變形等因素影響而發(fā)生變化。因此，聲表波諧振器可用來(lái)做成測(cè)量各種物理量的傳感器。若用聲表面波延遲線為核心作成諧振器，并在兩叉指電極之間涂覆一層敏感的材料，就可制成SAW溫度傳感器。

3 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的基本構(gòu)成

無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫傳感器、采集主機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控軟件組成。采集傳感器不需要供電,可以方便的安裝在高壓設(shè)備上，精確的跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化，測(cè)溫傳感器于采集主機(jī)之間采用無(wú)線通訊純絕緣系統(tǒng)，安全性能好。

一個(gè)開(kāi)關(guān)柜安裝6個(gè)傳感器測(cè)量各動(dòng)靜觸點(diǎn)溫度，這6個(gè)傳感器的溫度采集信息的收發(fā)和管理由一個(gè)溫度采集器統(tǒng)一完成。溫度采集主機(jī)把傳感器采集到的溫度進(jìn)行重新打包封裝，通過(guò)有線或者無(wú)線的方式發(fā)個(gè)監(jiān)控主機(jī)。變電站內(nèi)多個(gè)開(kāi)關(guān)柜通過(guò)采集器之間組成CAN總線網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)本地傳輸，再由測(cè)溫主控終端統(tǒng)一進(jìn)行站內(nèi)所有開(kāi)關(guān)柜溫度運(yùn)行信息的采集、告警和管理。

測(cè)溫主控終端通常安裝在變電站主控室或者保護(hù)室，既可以通過(guò)LCD顯示終端屏進(jìn)行溫度信息的本地顯示，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口按照指定的標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約傳入SCADA系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線溫度監(jiān)控、分析以及預(yù)警。

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)可以是單獨(dú)的工作站，也可以是電網(wǎng)系統(tǒng)的SCAD平臺(tái)或者告警平臺(tái)，平臺(tái)獲取無(wú)源無(wú)線溫度測(cè)量裝置測(cè)量的溫度信息，放入數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一的管理；通過(guò)電力數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取其他相關(guān)數(shù)據(jù)，如：電力負(fù)荷、設(shè)備其他運(yùn)行狀態(tài)等；對(duì)各類(lèi)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理、轉(zhuǎn)換使之成為分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的重要依據(jù)。通過(guò)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)、歷史溫度數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)提供表格、圖形等多種形式的展現(xiàn)。可以很直觀的獲得電網(wǎng)各個(gè)位置上設(shè)備的運(yùn)行溫度狀況，便于運(yùn)行管理人員進(jìn)行全局掌握，同時(shí)對(duì)運(yùn)行溫度較高的設(shè)備進(jìn)行跟蹤觀察。

4 安科瑞無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)介紹與選型

安科瑞無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來(lái)的豐富經(jīng)驗(yàn)，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計(jì)思想，結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的一款無(wú)線測(cè)溫軟件。

4.1 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通信（如圖1），系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，可靠性和開(kāi)放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能。可以監(jiān)控?zé)o線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)是開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強(qiáng)，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機(jī)界面，方便的擴(kuò)充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)軟件工程的設(shè)計(jì)規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡(jiǎn)捷明了，主要包括主控模塊、人機(jī)界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

圖1 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)功能

■實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息

■溫度查詢

溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運(yùn)行報(bào)表

查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表.

■實(shí)時(shí)報(bào)警

壁掛式無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。

■設(shè)備提供以下凡種告警方式：

a.彈岀事件報(bào)驚窗口.

b.實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警.

C.短信吿警，可以向指定手機(jī)號(hào)碼發(fā)送吿警信息短信（需選配短信貓）.

■歷史告警査詢

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

■用戶權(quán)限管理

Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。

通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫(kù)修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的保障。

■定值設(shè)置

用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

展示頁(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁(yè)顯示場(chǎng)站的變壓器數(shù)量、回路個(gè)數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測(cè)各個(gè)回路的測(cè)點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁(yè)面通過(guò)一次圖實(shí)時(shí)反映電氣參數(shù)變化，包括測(cè)量量、信號(hào)量等信息（信號(hào)量 需要斷路器提供輔助觸點(diǎn)支持）。

能耗統(tǒng)計(jì)頁(yè)面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢(shì)曲線，電能環(huán)比，用電排名。

運(yùn)維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測(cè)接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。

■手機(jī)APP（可選）

設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。

4.3 安科瑞ARTM系列無(wú)線測(cè)溫終端產(chǎn)品選型

安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫方案由無(wú)線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn)，將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測(cè)溫終端或無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)（如圖2）。

圖2 電氣接點(diǎn)在線測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖

4.3.1 安科瑞無(wú)線溫度傳感器

無(wú)線溫度傳感器共有5種，分別對(duì)應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對(duì)不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

4.3.2 安科瑞無(wú)線收發(fā)器

無(wú)線測(cè)溫收發(fā)器共有3種，通過(guò)無(wú)線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號(hào)進(jìn)行匹配，同時(shí)傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

4.3.3 安科瑞顯示終端

顯示裝置通過(guò)RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開(kāi)孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)查看電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí)，也可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺(tái)系統(tǒng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

5 創(chuàng)新及應(yīng)用

基于聲表面波的傳感器是無(wú)源傳感器，后期維護(hù)方便，安裝簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)。該傳感器可廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)柜、電線電纜、變壓器等一次設(shè)備的發(fā)熱點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王玉田,趙一鳴,沈國(guó)偉.基于聲表面波的某無(wú)線原距識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2004-01-30.

[2] 曾強(qiáng).無(wú)源供電無(wú)線測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究應(yīng)用[J].科技傳播,2015-05-08.

[3] 王一博,張志剛,劉士峰,白樹(shù)蕓,妥生慧,王江城.聲波表面波無(wú)源無(wú)線溫度傳感器在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫中的研究與應(yīng)用.

[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.