淺談無源無線溫度傳感器在開關(guān)柜測溫中的研究與應(yīng)用

孟洋

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：針對聲波表面波無源無線溫度傳感器在開關(guān)柜測溫中的應(yīng)用進行了分析。

關(guān)鍵詞：聲波表面；傳感器；開關(guān)柜

1 概述

溫度是表征電力一次設(shè)備運行正常的一個重要參數(shù)。隨著用電量的急劇增長，為了滿足用電需求，導(dǎo)致變電站的開關(guān)柜等高壓設(shè)備長期運行在限狀態(tài)，過負(fù)荷運行會導(dǎo)致一次設(shè)備的發(fā)熱及過熱，這一現(xiàn)象在負(fù)荷增長較快的地區(qū)顯得尤為普遍。這些情況如不及時得到監(jiān)控，及時處理，都將發(fā)生不可預(yù)測的大事故。通過對開關(guān)柜溫度的實時監(jiān)測，即可知道開關(guān)柜運行工況，通過電網(wǎng)信息資源整合，就可為狀態(tài)檢修提供強有力的依據(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用價值的飛速發(fā)展。到目前為止，叉指換能器是可實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。叉指周期可以通過以下公式計算：T=2a+2b。當(dāng)兩相鄰電極構(gòu)成一個電極對，它們相互重疊的長度為有效指長，即換能器的孔徑，記為W。若換能器的各電極對重疊長度相等，則叫等孔徑（或等指長）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實現(xiàn)的，即諧振器的頻率會隨著被測量的某些變化而改變來實現(xiàn)對被測量的檢測的。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由一對叉指換能器及金屬柵條式反射器構(gòu)成。兩個叉指換能器一個用作發(fā)射聲表面波，一個用作接收聲表面波。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、對噪聲抑制的程度和損耗大小來進行設(shè)計、制作。

將聲表面波諧振子的輸出信號經(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償諧振子和其連接導(dǎo)線的部分損耗，同時能滿足相應(yīng)的相位條件，那么諧振子就可以起振、自激勵。起振后的聲表面波諧振子的諧振頻率會隨著溫度的變化、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做成測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 無源無線測溫系統(tǒng)的基本構(gòu)成

無源無線測溫系統(tǒng)由測溫傳感器、采集主機、監(jiān)控主機、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)熱點的溫度變化，測溫傳感器于采集主機之間采用無線通訊純絕緣系統(tǒng)，安全性能好。

一個開關(guān)柜安裝6個傳感器測量各動靜觸點溫度，這6個傳感器的溫度采集信息的收發(fā)和管理由一個溫度采集器統(tǒng)一完成。溫度采集主機把傳感器采集到的溫度進行重新打包封裝，通過有線或者無線的方式發(fā)個監(jiān)控主機。變電站內(nèi)多個開關(guān)柜通過采集器之間組成CAN總線網(wǎng)絡(luò)或無線自組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)本地傳輸，再由測溫主控終端統(tǒng)一進行站內(nèi)所有開關(guān)柜溫度運行信息的采集、告警和管理。

測溫主控終端通常安裝在變電站主控室或者保護室，既可以通過LCD顯示終端屏進行溫度信息的本地顯示，也可以通過數(shù)據(jù)接口按照標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約傳入SCADA系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠程在線溫度監(jiān)控、分析以及預(yù)警。

后臺監(jiān)控系統(tǒng)可以是單獨的工作站，也可以是電網(wǎng)系統(tǒng)的SCAD平臺或者告警平臺，平臺獲取無源無線溫度測量裝置測量的溫度信息，放入數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一的管理；通過電力數(shù)據(jù)平臺獲取其他相關(guān)數(shù)據(jù)，如：電力負(fù)荷、設(shè)備其他運行狀態(tài)等；對各類采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、轉(zhuǎn)換使之成為分析電網(wǎng)運行狀態(tài)的重要依據(jù)。通過對電力設(shè)備運行實時的溫度數(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)各個位置上設(shè)備的運行溫度狀況，便于運行管理人員進行全局掌握，同時對運行溫度較高的設(shè)備進行跟蹤觀察。

4 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型

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

4.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信（如圖1），系統(tǒng)設(shè)計遵循國際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，可靠性和開放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

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

圖1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(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）

■運行報表

查詢各回路設(shè)備運行溫度報表.

■實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，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.彈岀事件報驚窗口.

b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.

C.短信吿警，可以發(fā)送吿警信息短信.

■歷史告警査詢

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

■用戶權(quán)限管理

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。

通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、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）

展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(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。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。

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

運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。

■手機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系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

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

圖2 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)圖

4.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

無線溫度傳感器共有5種，分別對應(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 安科瑞無線收發(fā)器

無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時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RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

5 創(chuàng)新及應(yīng)用

基于聲表面波的傳感器是無源傳感器，后期維護方便，安裝簡單，測量精度高，抗干擾能力強。該傳感器可廣泛應(yīng)用于開關(guān)柜、電線電纜、變壓器等一次設(shè)備的發(fā)熱點。

【參考文獻】

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

[2] 曾強.無源供電無線測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)研究應(yīng)用[J].科技傳播,2015-05-08.

[3] 王一博,張志剛,劉士峰,白樹蕓,妥生慧,王江城.聲波表面波無源無線溫度傳感器在開關(guān)柜測溫中的研究與應(yīng)用.

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