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聲表面波測溫技術(shù)在高壓開關(guān)柜中的應(yīng)用

                                    

摘要：高壓開關(guān)柜的溫度監(jiān)測點處于高電壓、大電流、強磁場的環(huán)境中，由于電磁噪聲、高壓絕緣和空間限制等問題，傳統(tǒng)測溫方式存在局限性。本文介紹了SAW傳感器的原理，無源無線測溫系統(tǒng)的組成。結(jié)合高壓開關(guān)柜運行環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對比分析現(xiàn)有電力系統(tǒng)測溫技術(shù)的特點，總結(jié)無源無線測溫技術(shù)的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：聲表面波傳感器；高壓開關(guān)柜；無源無線；測溫；SAW                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展和我國城鎮(zhèn)化的推進，智能電網(wǎng)已進入全面建設(shè)的重要階段。堅強智能電網(wǎng)作為中國電網(wǎng)的發(fā)展方向，最主要的特征就是信息化和自動化，即實現(xiàn)電力系統(tǒng)狀態(tài)信息的精確采集與高效傳輸。高壓開關(guān)柜具有全封閉、空間狹小，裸露高壓等特點，為了有效避免事故發(fā)生，通常監(jiān)測其內(nèi)部觸點的溫度，來分析設(shè)備運行情況并及時采取措施。在新興測溫技術(shù)中，聲表面波傳感技術(shù)逐漸被人們所熟知，其傳播速度慢，信號可以完全呈現(xiàn)在晶體表面上，有利于信號的取樣和變換。而且聲表面波器件抗電磁干擾能力強，高溫適應(yīng)性強，在電力生產(chǎn)和輸電設(shè)施向無人值守方向發(fā)展過程中，具有廣闊應(yīng)用前景。

1聲表面波傳感器

1.1 SAW傳感技術(shù)簡介

Surface Acoustic Wave（聲表面波，簡稱SAW），泛指沿著介質(zhì)表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，最早于1885年被英國物理學(xué)家瑞麗發(fā)現(xiàn)?；?/span>SAW的傳感技術(shù)，綜合了聲學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、壓電材料和半導(dǎo)體工藝，具備高精度、低成本、低功耗等特點。它能夠?qū)崿F(xiàn)多種信號的處理功能，時間帶寬大，動態(tài)范圍大，體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠，易于批量生產(chǎn)，填補了集中參數(shù)電子元件與微波回路工作頻段的空隙。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，SAW傳感技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用在氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。

1.2 SAW傳感器結(jié)構(gòu)

SAW傳感器以壓電材料為基底，用半導(dǎo)體集成電路工藝，淀積和光刻特定形狀和尺寸的金屬膜（IDT）制成。IDT上的電極條交叉配置，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)工作。IDT 和反射柵的指寬、叉指間隔決定了 SAW 傳感器件的工作頻率、寄生抑制、插入損耗和敏感系數(shù)等參數(shù)。基底材料決定了SAW的均勻性、溫度穩(wěn)定性、傳播損耗。半導(dǎo)體工藝的好壞直接影響了SAW傳感器的品質(zhì)。

 

   

1.2 SAW傳感器工作原理

聲表面波傳感器必須配合特殊的讀取器使用，因此完整意義上的聲表面波無線傳感器是一個包括聲表面波無線傳感器和讀取器在內(nèi)的系統(tǒng)，二者之間通過電磁波進行信息交換。

聲表面波傳感器接收射頻脈沖查詢信號（RF），通過IDT實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，利用信號中所攜帶的能量進行工作。

其工作原理如圖3、圖4所示：傳感器天線接收電信號，經(jīng) IDT 的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成聲表面波，聲表面波沿基片傳播并被反射柵反射回 IDT，再經(jīng) IDT 的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號，由天線發(fā)射出去。整個工作過程完全是被動的，無需電源提供能量。

 

1.3 SAW傳感器的分類

根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)和信號特征的不同，SAW 傳感器件可以分為延遲線型和諧振型兩種，延遲線型 SAW 器件的反射柵分布在距離 IDT 不同距離的位置上，不同的位置會使得聲波信號的反射延遲時間不同。反射延遲時間還會受到環(huán)境因素的影響，依靠檢測時間延時的變化就能夠獲得環(huán)境量的變化，實現(xiàn)溫度傳感功能。

諧振型 SAW 器件的反射柵密布在IDT兩側(cè)，聲表面波信號構(gòu)成一個諧振腔，因此其返回信號是一個諧振信號，而諧振頻率除了與設(shè)計尺寸有關(guān)外，也受到環(huán)境因素的影響，依靠檢測諧振頻率的變化就能夠獲得環(huán)境量的變化。由于延遲線型的設(shè)計加工難度低，延遲線型使用多于諧振器。

2. 電力設(shè)備測溫技術(shù)

2.1測溫技術(shù)簡介

1. 熱敏電阻：利用熱敏電阻的溫度特性，將由溫度變化引起的阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓值的變化。連續(xù)的電壓信號為模擬量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進行數(shù)據(jù)上傳和顯示。電力系統(tǒng)常用的熱敏電阻有銅電阻和鉑電阻等，電阻探頭安裝在待測點的觸頭上，需要線路連接，對設(shè)備的絕緣性能會有一定影響。
2. 半導(dǎo)體：采用PN結(jié)作為測溫元件的無線溫度傳感器，其原理是PN結(jié)的壓降隨溫度的變化而改變，施加恒定電流，通過輸出電壓的大小來反映溫度。其壓降與溫度的關(guān)系幾乎為線性，精度高，但靈敏度相對熱敏電阻要低，反應(yīng)時間比熱敏電阻長。半導(dǎo)體元件不易老化，使用壽命較長，可靠性高，采用無線通信方式。
3. 紅外測溫：紅外傳感器采用紅外技術(shù)的無線溫度傳感器，測溫原理與常見的紅外點溫槍基本類似，任何高于零度的物體都在發(fā)射出輻射能，輻射能的強度與物體溫度有著密切關(guān)系，傳感器探測物體發(fā)出的紅外輻射，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過校準(zhǔn)運算最終得到被測物體表面的溫度。

（4）光纖測溫：光纖測溫的基本原理是將感溫光纖緊貼于待測物體上，由光源向光纖中發(fā)射一束激光脈沖，光纖中的每一點均向后散射一小部分光。這種后向反射光的強度與反射點的溫度相關(guān)聯(lián)，反射點的溫度越高，反射光的強度也越大。后向散射光通過波分復(fù)用器后，分別進入到光電檢測器和放大器中進行光電轉(zhuǎn)換，信號放大至數(shù)據(jù)采集器能夠采集的范圍上，由數(shù)據(jù)采集器進行存儲，用于溫度的計算。

（5）集成電路測溫：新型集成電路溫度傳感器可直接輸出與熱力學(xué)溫度成比例的電流信號，在輸出端串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳感器通過感應(yīng)取電，采用無線通信方式，根據(jù)觸頭壁或母排上感應(yīng)電流的大小自動調(diào)整發(fā)送周期。內(nèi)部硬件上增加了屏蔽罩和保護電路，可降低脈沖和浪涌帶來的干擾。

（6）聲表面波測溫：基于聲表面波的無線溫度傳感器最大的特點就是傳感器本身不需要電源；其無線并不是僅僅體現(xiàn)在通訊方式上，同時也體現(xiàn)在測溫原理上。測溫的原理是，傳播在壓電基片表面的聲表面波，其波長和波速會隨基片表面或內(nèi)部溫度的改變而變化。由對應(yīng)的接收器發(fā)出無線激勵信號，信號輸入傳感器的壓電基片激起聲表面波，不同溫度下，傳感器輸出不同的信號，信號再由接收器接收，經(jīng)過調(diào)解獲取溫度值。聲表面波傳感器體積小，不需要電源，傳感器成本低是其主要的優(yōu)勢。由于無源，傳感器需要接收采集器發(fā)出的激勵信號，這種激勵信號的有效無線傳輸距離很短；另一方面，由于被測設(shè)備的震動產(chǎn)生位移，導(dǎo)致聲表面波的相位等發(fā)生變化，測溫的精度有所下降。

2.2測溫技術(shù)對比分析

對比人工、熱敏電阻、半導(dǎo)體、光纖測溫、紅外測溫、集成電路、聲表面波測溫的優(yōu)缺點，如表1所示。

名稱	優(yōu)點	缺點
熱敏電阻	（1）靈敏度高；（2）價格便宜	（1）布線復(fù)雜；（2）破壞絕緣；（3）易老化，壽命短
半導(dǎo)體	無線傳輸；（2）傳輸距離遠	（1）需要電池供電；（2）高溫易損壞；（3）測溫不連續(xù)
紅外測溫	（1）靈敏度高；（2）測溫范圍遠；（3）使用壽命長	（1）受光照、灰塵等環(huán)境影響；（2）誤差大；
光纖測溫	（1）測溫范圍廣；（2）精度高；（3）抗磁場干擾	（1）安裝困難，布線復(fù)雜；（2）易損壞；（3）成本高
集成電路	無線傳輸；（2）感應(yīng)取電；（3）傳輸距離遠 （4）安裝方便	（1）對被測設(shè)備工作電流有范圍限制
聲表面波	無線傳輸；（2）無源，不需要電池，維護周期長；（3）測溫范圍廣，可達幾百度；（4）實時性好，數(shù)據(jù)連續(xù)；（5）耐高壓，抗干擾性強	（1）無線傳輸距離在十幾米以內(nèi)；（2）受設(shè)備震動影響

智能電網(wǎng)要求高壓開關(guān)柜的測溫不能破壞絕緣，要具備維護周期長，實時性高的特點。通過對比分析可以看到，聲表面波測溫技術(shù)不需要電池供電，雖然傳輸距離不如有源傳感器，但十幾米的傳輸距離已經(jīng)足夠，且具備耐高溫，抗高電壓和強電磁干擾的特點，擁有壽命長，免維護，安全可靠，數(shù)據(jù)實時等優(yōu)勢，是電力開關(guān)設(shè)備在線測溫的優(yōu)良選擇。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

3聲表面波測溫系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)簡介

    SAW無線溫度傳感器對溫度監(jiān)測點進行溫度測量后，將數(shù)據(jù)通過無線方式傳遞給通訊中斷，經(jīng)總線連接，監(jiān)測計算機從通訊終端采集各監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中保存。Web界面可實時顯示溫度變化曲線，并進行分析，一旦發(fā)現(xiàn)過熱或急劇升溫事故超過設(shè)定報警溫度時立即報警。

    開關(guān)柜溫度可靠性分析系統(tǒng)主要完成實時數(shù)據(jù)的采集、判斷和處理，將處理結(jié)果由通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送帶本地監(jiān)控中心，將分析結(jié)果作為設(shè)備的檢測依據(jù)，結(jié)合自身的運行環(huán)境，形成測溫系統(tǒng)運行規(guī)范，實現(xiàn)變電站的五人值守管理。

 

3.2 SAW傳感器的安裝

聲表面波傳感器安裝的位置，主要針對開關(guān)柜內(nèi)電氣接點，如母排、斷路器動/靜觸頭、變壓器進出線接點、電纜接頭，戶外如刀閘、斷路器、變壓器進出線接點等。檢測開關(guān)設(shè)備因老化、接觸不良、電流過載等因素引起溫升過高等問題，當(dāng)溫度過高超過預(yù)設(shè)報警值時能及時報警，并通知運維人員處理，減少設(shè)備的損失。

傳感器通過螺栓固定在斷路器手車的觸頭上的示例，見圖6；讀取天線安裝在開關(guān)柜內(nèi)壁上的示例，見圖7。讀取天線和讀取器采取分離形式，之間通過射頻電纜相連。無線傳輸距離在一般在十米以內(nèi)，讀取器安裝在開關(guān)柜儀表室的導(dǎo)軌上。對于已投運的變電站加裝測溫系統(tǒng)，需停電后操作，往往停電時間短，但是測溫點很多，安裝難度較大。

4結(jié)束語

相對于其他在線測溫方式，聲表面波無線測溫方式不會對高壓電氣設(shè)備的絕緣造成影響，避免了有線測溫“爬電”等安全隱患；SAW傳感器完全無源，不帶電池，避免了電池高溫爆炸和化學(xué)泄露，使用壽命長；體積小，積安裝方便靈活，不受電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)和空間影響；測溫實時性好，可隨時監(jiān)測設(shè)備溫度變化。

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，SAW傳感器正逐步改進升級，聲表面波測溫技術(shù)將在電氣設(shè)備測溫領(lǐng)域得到應(yīng)用。

參考文獻

[1] 李平.無源無線聲表面波傳感器及儀器系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué)2003

[2] 李天立,徐剛,房立存.無線無源延遲型SAW傳感器查詢信號研究[J].深圳大學(xué)學(xué)報理工版,2013

[3] 葉學(xué)松,王學(xué)俊,梁波,等.植入式無源無線聲表面波溫度傳感檢測系統(tǒng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報工學(xué)版,2011,45(11):2068-2072

[4] 陳金,覃奇,彭光妮,等.聲表面波溫度傳感器在電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2011,(12):93-95

[5] 肖鳴山,宋道仁 編.聲表面波器件基礎(chǔ)[M].山東科技技術(shù)出版社,1980

[6] 游冠軍,胡益華,陸申龍,趙天相.集成溫度傳感器AD590的電路原理及其在測溫和溫控中的應(yīng)用[J].復(fù)旦大學(xué),大學(xué)物理實驗2000

[7] 葉鶴林,陳國鋒,陳霞,陳琳,葉國軍.基于聲表面波特性的無源無線測溫技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].電工技術(shù)·理論與研究

[8] 彭庶修,吳漢水,占俐琳.半導(dǎo)體PN結(jié)測溫實驗的設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理2007