采用聲表面波技術(shù)的高壓開關(guān)柜實(shí)時測溫系統(tǒng)研究

季洪獻(xiàn)

（浙江雷鳥智能電網(wǎng)技術(shù)有限公司，浙江 杭州311121）

1 常用的溫度在線監(jiān)測方法

高壓開關(guān)柜是發(fā)電廠、變電站中確保電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要設(shè)備。隨著使用年限的增加，因制造、安裝不良或材料質(zhì)量等問題，常見的故障大部分都是隔離觸頭、母排連接部位發(fā)熱等，一旦發(fā)熱過度，就會造成開關(guān)柜爆炸，引發(fā)大面積的停電。但因高壓開關(guān)柜的封閉式結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中不能打開，而且目前許多變電站已實(shí)現(xiàn)無人值守，所以這幾年國內(nèi)很多單位都在嘗試?yán)迷诰€監(jiān)測的技術(shù)手段來實(shí)時監(jiān)測開關(guān)柜觸頭的溫度。

目前，常用的溫度在線監(jiān)測方法有以下幾種：

（1）紅外線測溫方式：采用一定溫度的物體都會發(fā)出紅外光的原理，通過光學(xué)鏡頭對不同功率的紅外光進(jìn)行收集，然后得出對象的溫度。由于一般要安裝在低壓柜體上，施工難度非常大。而且還要注意安全距離，并且要求溫度采集點(diǎn)和傳感器之間不能有遮掩，但大多數(shù)情況下隔離觸頭等發(fā)熱部件都會被絕緣罩包圍，故溫度測量非常不準(zhǔn)。

（2）分布式光纖測溫方式：光纖本身是良好的絕緣體，可以直接纏繞到隔離觸頭或母排連接部位。但是光纖測溫反映的是一段光纖內(nèi)的溫度。一般分辨率都是以米為單位，所以一個溫度采集點(diǎn)要繞很多圈，施工不方便。一般柜內(nèi)需要監(jiān)測多個位置的溫度，所以光纖數(shù)量會比較多，在柜內(nèi)布線難度較大。同時分布式光纖測溫系統(tǒng)價格昂貴，設(shè)備復(fù)雜，這使其實(shí)用性大大降低。

（3）有源無線測溫方式：采用一次性鋰亞電池或小CT取能給傳感器供電，再將傳感器數(shù)據(jù)通過RF技術(shù)發(fā)出，這也是筆者所在公司前幾年開關(guān)柜溫度監(jiān)測的主要方案。該方案實(shí)現(xiàn)了非接觸測量，但是由于使用了電池和電子元器件，都會遇到使用壽命的問題，所以后期更換維護(hù)工作非常大。小CT取能供電方式安裝非常不方便，而且不利于傳感器的小型化及安裝，因而缺乏普遍適應(yīng)性。

2 采用聲表面波技術(shù)的高壓開關(guān)柜實(shí)時測溫系統(tǒng)

上述監(jiān)測方法在高壓開關(guān)柜的測溫上存在一定的局限性，針對這些缺點(diǎn)，我們公司升級了原有的技術(shù)方案，采用全新的聲表面波（SAW）技術(shù)進(jìn)行高壓開關(guān)柜實(shí)時溫度監(jiān)測。該方案具有無線無源的特點(diǎn)，能夠很好地避免上述幾種測溫方式存在的局限性。

2．1 聲表面波溫度傳感器原理

聲表面波傳感器是一種將SAW技術(shù)與物理、材料、微電子、信號處理等多門學(xué)科技術(shù)交叉融合的新型傳感器，聲表面波傳感器的研究始于20世紀(jì)70年代。

首先，閱讀器發(fā)射無線詢問信號，壓電晶體基片上的換能器通過逆壓電效應(yīng)將接收到的無線詢問信號轉(zhuǎn)變成聲信號后，被左右2個周期性柵條反射形成諧振。該諧振器的諧振頻率與基片的溫度有關(guān)，而且諧振頻率隨溫度進(jìn)行的改變在一定溫度范圍內(nèi)呈非常線性的關(guān)系，當(dāng)同一個換能器通過壓電效應(yīng)將聲信號轉(zhuǎn)變成無線應(yīng)答信號輸出后，我們就可以通過測量頻率變化得到溫度值。

2．2 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

高壓開關(guān)柜實(shí)時測溫系統(tǒng)主要由SAW溫度傳感器、數(shù)據(jù)閱讀器、數(shù)據(jù)傳輸路由器、數(shù)據(jù)監(jiān)測主站4部分組成。隔離觸頭、母排連接部位等采集點(diǎn)的溫度信息通過前3部分組件實(shí)時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測主站，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的實(shí)時溫度監(jiān)測。

2．2．1 SAW 溫度傳感器

前端的SAW溫度傳感器以傳統(tǒng)接觸方式安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)隔離觸頭、母排連接部位等易發(fā)熱區(qū)域。測溫傳感器和數(shù)據(jù)閱讀器之間通過無線射頻方式進(jìn)行通信。采集點(diǎn)的溫度信息實(shí)時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)閱讀器上，實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測量。傳感器的外形如圖1所示。

圖1 SAW溫度傳感器

無源測溫傳感器的性能指標(biāo)：頻率范圍為428～439MHz；測溫范圍為－20～120℃；測量精度為±2．0℃；遙測距離約為2m。

2．2．2 數(shù)據(jù)閱讀器

數(shù)據(jù)閱讀器翻譯SAW溫度傳感器反射回來的溫度信號，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，通過內(nèi)置的ZigBee模塊發(fā)送溫度數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)傳輸路由器。一般一個數(shù)據(jù)閱讀器可以收集6個SAW溫度傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)閱讀器的外形如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)閱讀器

2．2．3 數(shù)據(jù)傳輸路由器

數(shù)據(jù)傳輸路由器主要是管理一個開關(guān)柜室內(nèi)所有開關(guān)柜內(nèi)的數(shù)據(jù)閱讀器上傳過來的溫度數(shù)據(jù)，它和多個數(shù)據(jù)閱讀器之間構(gòu)成一個ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)。通訊網(wǎng)絡(luò)采用Mesh拓?fù)?，具有自組網(wǎng)、自愈性、多跳等優(yōu)點(diǎn)。最后溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸路由器的10M／100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口接入變電站內(nèi)局域網(wǎng)，然后傳輸?shù)椒?wù)器上的數(shù)據(jù)監(jiān)測主站。

2．2．4 數(shù)據(jù)監(jiān)測主站

數(shù)據(jù)監(jiān)測主站系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以變電站、開關(guān)柜號、監(jiān)測點(diǎn)信息為節(jié)點(diǎn)的樹形結(jié)構(gòu)的溫度數(shù)據(jù)列表展現(xiàn)功能，采集的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時寫入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)多相溫度數(shù)據(jù)曲線對比展現(xiàn)功能及監(jiān)測點(diǎn)溫度實(shí)時分析功能。數(shù)據(jù)監(jiān)測主站是多個變電站開關(guān)柜匯總的集中處理單元。

2．3 數(shù)據(jù)監(jiān)測主站特點(diǎn)

系統(tǒng)分析模塊主要實(shí)現(xiàn)了溫度告警功能、溫度數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計功能等，實(shí)時記錄每個監(jiān)測點(diǎn)溫度變化過程，發(fā)出故障報警后能通過數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析處理。

溫度告警分三級告警模式：第一級告警，說明該監(jiān)測點(diǎn)需要注意，加強(qiáng)關(guān)注；第二級告警，說明監(jiān)測點(diǎn)有一定的潛在危險，提供相應(yīng)的預(yù)警；第三級告警，屬于故障報警，說明該故障必須立即處理。告警又分為超溫告警、溫升趨勢告警、三相不平衡告警、溫度躍遷告警。

溫度數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計部分對數(shù)據(jù)庫中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的溫度場分析、溫升趨勢分析、歷史資料分析和統(tǒng)計。溫度場分析列出了沿著開關(guān)柜電流走向的所有監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過曲線展現(xiàn)分析出設(shè)備過熱的部位。溫升趨勢分析針對采集的實(shí)時數(shù)據(jù)，根據(jù)溫升趨勢，確定可能出現(xiàn)過熱故障的部位，提供設(shè)備的維修依據(jù)。歷史資料分析和統(tǒng)計保存所有監(jiān)測點(diǎn)溫度的歷史數(shù)據(jù)、分析結(jié)果數(shù)據(jù)以及告警信息。

3 結(jié)語

采用聲表面波技術(shù)的高壓開關(guān)柜實(shí)時測溫系統(tǒng)是我們公司在線監(jiān)測產(chǎn)品中的一個升級產(chǎn)品，它繼承了原來我們采用RF有源方式的監(jiān)測技術(shù)積累，較好地解決了供電問題、體積問題、安裝維護(hù)問題，適用于各種類型的開關(guān)柜，已經(jīng)在多個省份的智能變電站改造中投入使用。系統(tǒng)可以免維護(hù)地實(shí)時在線監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)隔離觸頭、母排連接等重要部位的溫度狀況，并通過后臺系統(tǒng)內(nèi)建的分析模塊實(shí)現(xiàn)溫度告警和溫度數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計等功能，目前運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能較好地提高開關(guān)柜安全運(yùn)行的可靠性。

［1］王斌，李靖，季洪獻(xiàn)．采用無線RF技術(shù)的高壓開關(guān)柜實(shí)時測溫系統(tǒng)［J］．浙江電力，2009（3）

［2］龔貽文，譚冰，劉文．聲表面波無線無源溫度傳感系統(tǒng)［J］．電氣技術(shù)，2010（11）

［3］霍富強(qiáng)，雷振鋒，路進(jìn)升．環(huán)網(wǎng)柜無源無線測溫管理系統(tǒng)設(shè)計［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2013（25）