采用声表面波技术的高压开关柜实时测温系统研究

季洪献

（浙江雷鸟智能电网技术有限公司，浙江 杭州311121）

1 常用的温度在线监测方法

高压开关柜是发电厂、变电站中确保电力系统安全可靠运行的重要设备。随着使用年限的增加，因制造、安装不良或材料质量等问题，常见的故障大部分都是隔离触头、母排连接部位发热等，一旦发热过度，就会造成开关柜爆炸，引发大面积的停电。但因高压开关柜的封闭式结构在运行中不能打开，而且目前许多变电站已实现无人值守，所以这几年国内很多单位都在尝试利用在线监测的技术手段来实时监测开关柜触头的温度。

目前，常用的温度在线监测方法有以下几种：

（1）红外线测温方式：采用一定温度的物体都会发出红外光的原理，通过光学镜头对不同功率的红外光进行收集，然后得出对象的温度。由于一般要安装在低压柜体上，施工难度非常大。而且还要注意安全距离，并且要求温度采集点和传感器之间不能有遮掩，但大多数情况下隔离触头等发热部件都会被绝缘罩包围，故温度测量非常不准。

（2）分布式光纤测温方式：光纤本身是良好的绝缘体，可以直接缠绕到隔离触头或母排连接部位。但是光纤测温反映的是一段光纤内的温度。一般分辨率都是以米为单位，所以一个温度采集点要绕很多圈，施工不方便。一般柜内需要监测多个位置的温度，所以光纤数量会比较多，在柜内布线难度较大。同时分布式光纤测温系统价格昂贵，设备复杂，这使其实用性大大降低。

（3）有源无线测温方式：采用一次性锂亚电池或小CT取能给传感器供电，再将传感器数据通过RF技术发出，这也是笔者所在公司前几年开关柜温度监测的主要方案。该方案实现了非接触测量，但是由于使用了电池和电子元器件，都会遇到使用寿命的问题，所以后期更换维护工作非常大。小CT取能供电方式安装非常不方便，而且不利于传感器的小型化及安装，因而缺乏普遍适应性。

2 采用声表面波技术的高压开关柜实时测温系统

上述监测方法在高压开关柜的测温上存在一定的局限性，针对这些缺点，我们公司升级了原有的技术方案，采用全新的声表面波（SAW）技术进行高压开关柜实时温度监测。该方案具有无线无源的特点，能够很好地避免上述几种测温方式存在的局限性。

2．1 声表面波温度传感器原理

声表面波传感器是一种将SAW技术与物理、材料、微电子、信号处理等多门学科技术交叉融合的新型传感器，声表面波传感器的研究始于20世纪70年代。

首先，阅读器发射无线询问信号，压电晶体基片上的换能器通过逆压电效应将接收到的无线询问信号转变成声信号后，被左右2个周期性栅条反射形成谐振。该谐振器的谐振频率与基片的温度有关，而且谐振频率随温度进行的改变在一定温度范围内呈非常线性的关系，当同一个换能器通过压电效应将声信号转变成无线应答信号输出后，我们就可以通过测量频率变化得到温度值。

2．2 系统组成及特点

高压开关柜实时测温系统主要由SAW温度传感器、数据阅读器、数据传输路由器、数据监测主站4部分组成。隔离触头、母排连接部位等采集点的温度信息通过前3部分组件实时传输到数据监测主站，实现高压开关柜的实时温度监测。

2．2．1 SAW 温度传感器

前端的SAW温度传感器以传统接触方式安装在高压开关柜内隔离触头、母排连接部位等易发热区域。测温传感器和数据阅读器之间通过无线射频方式进行通信。采集点的温度信息实时传输到数据阅读器上，实现非接触温度测量。传感器的外形如图1所示。

图1 SAW温度传感器

无源测温传感器的性能指标：频率范围为428～439MHz；测温范围为－20～120℃；测量精度为±2．0℃；遥测距离约为2m。

2．2．2 数据阅读器

数据阅读器翻译SAW温度传感器反射回来的温度信号，将数据进行分析处理后，通过内置的ZigBee模块发送温度数据给数据传输路由器。一般一个数据阅读器可以收集6个SAW温度传感器的数据。数据阅读器的外形如图2所示。

图2 数据阅读器

2．2．3 数据传输路由器

数据传输路由器主要是管理一个开关柜室内所有开关柜内的数据阅读器上传过来的温度数据，它和多个数据阅读器之间构成一个ZigBee通讯网络。通讯网络采用Mesh拓扑，具有自组网、自愈性、多跳等优点。最后温度数据通过数据传输路由器的10M／100M自适应网络接口接入变电站内局域网，然后传输到服务器上的数据监测主站。

2．2．4 数据监测主站

数据监测主站系统软件主要实现以变电站、开关柜号、监测点信息为节点的树形结构的温度数据列表展现功能，采集的温度数据实时写入数据库，实现多相温度数据曲线对比展现功能及监测点温度实时分析功能。数据监测主站是多个变电站开关柜汇总的集中处理单元。

2．3 数据监测主站特点

系统分析模块主要实现了温度告警功能、温度数据分析与统计功能等，实时记录每个监测点温度变化过程，发出故障报警后能通过数据进行故障分析处理。

温度告警分三级告警模式：第一级告警，说明该监测点需要注意，加强关注；第二级告警，说明监测点有一定的潜在危险，提供相应的预警；第三级告警，属于故障报警，说明该故障必须立即处理。告警又分为超温告警、温升趋势告警、三相不平衡告警、温度跃迁告警。

温度数据分析与统计部分对数据库中的温度数据进行详细的温度场分析、温升趋势分析、历史资料分析和统计。温度场分析列出了沿着开关柜电流走向的所有监测点数据，通过曲线展现分析出设备过热的部位。温升趋势分析针对采集的实时数据，根据温升趋势，确定可能出现过热故障的部位，提供设备的维修依据。历史资料分析和统计保存所有监测点温度的历史数据、分析结果数据以及告警信息。

3 结语

采用声表面波技术的高压开关柜实时测温系统是我们公司在线监测产品中的一个升级产品，它继承了原来我们采用RF有源方式的监测技术积累，较好地解决了供电问题、体积问题、安装维护问题，适用于各种类型的开关柜，已经在多个省份的智能变电站改造中投入使用。系统可以免维护地实时在线监测开关柜内隔离触头、母排连接等重要部位的温度状况，并通过后台系统内建的分析模块实现温度告警和温度数据分析及统计等功能，目前运行稳定可靠，能较好地提高开关柜安全运行的可靠性。

［1］王斌，李靖，季洪献．采用无线RF技术的高压开关柜实时测温系统［J］．浙江电力，2009（3）

［2］龚贻文，谭冰，刘文．声表面波无线无源温度传感系统［J］．电气技术，2010（11）

［3］霍富强，雷振锋，路进升．环网柜无源无线测温管理系统设计［J］．科学技术与工程，2013（25）