声波表面波无源无线温度传感器在开关柜测温中的研究与应用

声波表面波无源无线温度传感器在开关柜测温中的研究与应用

郭煜1李超1严文1荣依群1陈禄1王江城2

（1.国家电网西宁供电公司810003；2.四川成瑞科技有限公司610041）

摘要：本文介绍了一种基于压电原理的无源无线温度传感器，该传感器具有体积小、安装方便、测量精度高、后期维护成本小、能通过电力监控系统实时进行监测等特点，已经受到电力系统的广大关注。并成功应用于变电站开关柜触点测温中，对变电站实行状态检修具有重大意义。

关键词：传感器；压电效应；监测

Abstract：Thisarticleintroducesapassivewirelesstemperaturesensorbasedonthepiezoelectriceffect.Featuringaseriesofadvantagesincludingasmallsize，easyinstallation，highmeasurementaccuracy，lowlater-stagemaintenancecosts，real-timesurveillancethroughthepowermonitoringsystem，etc.，thissensorhasattractedextensiveattentioninthepowersector.Ithasalreadybeensuccessfullyappliedincontacttemperaturemeasurementintheswitchcabinetsoftransformersubstations，whichisofgreatsignificanceinstate-basedmaintenanceoftransformersubstations.

Keyword：sensorPiezoelectriceffectMonitor

一、前言

随着我国国民经济水平的持续快速发展，对电力需求也急剧增长，电网系统朝着大容量、高电压的方向迅猛发展，电力系统的安全稳定运行关乎着整个国民经济的发展。

温度是表征电力一次设备运行正常的一个重要参数。尤其是开关柜的动静触头，由于设备在制造过程中的原因、设备在使用中受环境污染的原因、触点在平常使用中的氧化、电弧冲击等原因造成接触面电阻增大，因此电力设备在运行时往往持续发热，温度缓慢上升，给设备的运行埋下安全隐患，如果不及时发现，容易导致起火或爆炸，导致大面积停电造成，大量财产损失。随着用电量的急剧增长，为了满足用电需求，导致变电站的开关柜等高压设备长期运行在极限状态，过负荷运行也会导致一次设备的发热及过热，这一现象在负荷增长较快的地区显得尤为普遍。这些情况如不及时得到监控，及时处理，都将发生不可预测的大事故。通过对开关柜温度的实时监测，即可知道开关柜运行工况，通过电网信息资源整合，就可为状态检修提供强有力的依据。

二、声表面波技术基本原理

声表面波（SAW）是指能量集中在物体表面传播的弹性波。声表面波由英国物理学家瑞利在19世纪80年代发现。1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器（IDT），叉指换能器的发明使得声表面波技术有了飞跃性的发展，叉指换能器的出现让人们发明了许多不能功能的声表面波器件，使得这门技术成为了一门集声学、力学、光学、电学为一体的高科技学科。

（声表面波波形）

（系统拓扑图）

声表面波叉指换能器是一个非常重要的声表面波器件。自从出现了叉指换能器，才使声表面波技术以及声表面波传感器得到了具有实用价值的飞速发展。到目前为止，叉指换能器是唯一可实用的声表面波换能器。如下图所示为叉指换能器的基本结构，它由许多金属膜电极组成，这些电极淀积在压电材料衬底上，它们互相交叉放置，两端再经过汇流条把它们连在一起，由于其形状像交叉平放的两排手指，故称为均匀叉指换能器。叉指周期可以通过以下公式计算：T=2a+2b。当两相邻电极构成一个电极对，它们相互重叠的长度为有效指长，即换能器的孔径，记为W。若换能器的各电极对重叠长度相等，则叫等孔径（或等指长）叉指换能器。

（叉指换能器）

叉指换能器的横截面电场分布模型可以近似的如下图所示。该模型近似的认为只有垂直于叉指换能器表面的电场才能激励产生SAW，那么可将模型电场的分布简化为b的形式。此时，认为电场仅存在于叉指换能器电极的正下方，而整个电极间没有电场分量的作用，且每个电极的电场均为正负交替出现的，那么沿x传播方向的电场模型分布如图c所示。电场梯度最大的地方是在电极边缘处为一系列脉冲，且两两同号相间，如d。这就是说，将每条叉指的每个边缘看成互相独立的δ函数声源输出的叠加。

一个叉指换能器IDT，各叉指重叠长度相等，对有N对指的换能器（2N+1根指，2N个间隔），当考虑到Δω/ω0<<1时，其转移函数为：

声表面波传感器采集原理是基于声表面波谐振器的频率可变特性来实现的，即谐振器的频率会随着被测量的某些变化而改变来实现对被测量的检测的。因此，声表面波传感器的最关键器件就是声表面波谐振器。声表面波谐振器主要有两种实现方式。一种以声表面波谐振子（SAWR——surfaceacousticwaveresonar）为核心，一种以声表面波延迟线为核心，再配以适当的放大器组成。由SAWR构成的声表面波谐振是目前在甚高频和超高频段实现高Q值的唯一器件。Q值代表通频带宽度，Q值越大，通频带越窄，选频特性越好。

SAWR由一对叉指换能器及金属栅条式反射器构成。两个叉指换能器一个用作发射声表面波，一个用作接收声表面波。叉指换能器和反射器采用半导体集成工艺，它将金属铝淀积在压电基底材料上，然后再用光刻技术将金属薄膜刻成一定尺寸及形状的特殊结构。叉指换能器的指宽、叉指间隔以及反射器栅条宽度、间隔都必须根据中心频率、Q值的大小、对噪声抑制的程度和损耗大小来进行设计、制作。

将声表面波谐振子的输出信号经放大电路放大后，反馈到它的输入端。只要放大电路的增益能补偿谐振子和其连接导线的部分损耗，同时能满足相应的相位条件，那么谐振子就可以起振、自激励。起振后的声表面波谐振子的谐振频率会随着温度的变化、压电基底材料的变形等因素影响而发生变化。因此，声表波谐振器可用来做成测量各种物理量的传感器。若用声表面波延迟线为核心作成谐振器，并在两叉指电极之间涂覆一层敏感的材料，就可制成SAW温度传感器。

三、无源无线测温系统的基本构成

无源无线测温系统由测温传感器、采集主机、监控主机、监控软件组成。采集传感器不需要供电可以方便的安装在高压设备上，精确的跟踪发热点的温度变化，测温传感器于采集主机之间采用无线通讯纯绝缘系统，安全性能好。

一个开关柜安装6个传感器测量各动静触点温度，这6个传感器的温度采集信息的收发和管理由一个温度采集器统一完成。温度采集主机把传感器采集到的温度进行重新打包封装，通过有线或者无线的方式发个监控主机。变电站内多个开关柜通过采集器之间组成CAN总线网络或无线自组网进行数据本地传输，再由测温主控终端统一进行站内所有开关柜温度运行信息的采集、告警和管理。

测温主控终端通常安装在变电站主控室或者保护室，既可以通过LCD显示终端屏进行温度信息的本地显示，也可以通过数据接口按照指定的标准通信规约传入SCADA系统，从而实现远程在线温度监控、分析以及预警。

后台监控系统可以是单独的工作站，也可以是电网系统的SCAD平台或者告警平台，平台获取无源无线温度测量装置测量的温度信息，放入数据库的统一的管理；通过电力数据平台获取其他相关数据，如：电力负荷、设备其他运行状态等；对各类采集的数据经过处理、转换使之成为分析电网运行状态的重要依据。通过对电力设备运行实时的温度数据、历史温度数据等相关数据提供表格、图形等多种形式的展现。可以很直观的获得电网各个位置上设备的运行温度状况，便于运行管理人员进行全局掌握，同时对运行温度较高的设备进行跟踪观察。

四、创新及应用

基于声表面波的传感器是无源传感器，后期维护方便，安装简单，测量精度高，抗干扰能力强。该传感器可广泛应用于开关柜、电线电缆、变压器等一次设备的发热点。应用案例，下面图片是传感器安装于开关柜母排上，能很好的体现母排的个点温度。

参考文献：

[1]声表面波谐振式力学量传感器的发展与现状陈明《2000全国力学量传感器测试、计量学术交流会论文集》2000-07-01

[2]光纤M-Z干涉仪用于声发射探测的理论与实践研究张森《哈尔滨工程大学硕士论文》2005-06-01

[3]高频无线无源声表面波传感器的仿真与测试研究吴佚卓《天津理工大学硕士论文》2006-12-01

[4]基于声表面波的某无线原距识别系统的实现王玉田，赵一鸣，沈国伟《电子技术应用》2004-01-30

[5]无源供电无线测温在线监测系统研究应用曾强《科技传播》2015-05-08