王赛一 袁秋实

（1.国网上海市电力公司浦东供电公司，上海201202；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

随着科学技术水平进一步提升，电力系统进入新的发展阶段，系统电压进一步提高，工作电流进一步加大，相关设备所产生的热量也大幅提高，极易对设备产生损害并使系统发生故障。在此背景下，测温系统对电力系统的重要性大幅提升，如何更有效、更准确、更实时地监测设备温度成为保障电力系统安全运行的重要一环。

SAW传感器采用非动感应的原理，不需要额外配备电池，减少了维护成本，进而不会因换电源对环境造成污染。其温度采样方式无需在被测点上进行连线，传感器与采集装置间不需要连线，从而实现了隔离并提升了设备运行的安全性。无源无线温度传感器体积小，数据传输采用无线方式，安装方便，不受空间及结构的影响。

基于SAW的无线无源测温技术能实现温度在线监测，通过对温度的分析，能对设备的异常状态进行预先判断。由于数据传输的无线化，提升了数据采集的准确程度，也减少了运维成本，对数据的预先判断提升了电网运行可靠性，对设备“按需检修”的实现具有重要意义。

1 测温系统的比较分析

随着电气设备电压等级的不断提升及工作电流的不断加大，设备发热现象越发显著，超温成为导致电力系统出现设备故障的重要外界因素，当设备运行过程中的温度超过其所规定的固定温度时，会使设备的正常运行受到一定影响，严重时甚至会造成设备毁坏等严重事故[1]。为完成对设备温度的检测任务，目前电力系统中有多种不同原理的测温系统，最为常见的温度测量系统包括测量蜡片、测温光纤、测温红外、无线测温系统等[2]，其比较如表1所示。

表1 各类型测温系统优缺点比较

1.1 测温蜡片

测温蜡片是一种使用便捷的测温产品，其贴在被测物体上后，能够随自身温度的变化而改变颜色，以此显示被测物体温度。测温蜡片经常应用于变电室内母线连接部位、变压器、电机、电容器等电气部件的温度测量，一旦被测温度超过该测温贴片的变色温度，其颜色就会发生改变，巡检人员可在巡视中发现这一异常，进行故障或隐患的处置，避免事故的发生。

优点：

（1）原理简单，易于操作，无需额外的辅助设备，使用时直接贴在被测物体上即可；

（2）安全可靠，不会对电气回路产生影响，可用于普通温度计无法测量或难以测量的部件、场合；

（3）超过变色温度后，变化明显，巡检人员极易发现，能够进行及时干预，避免事故发生[3]；

（4）成本低廉，经济性好，费用明显低于其他测温方式。缺点：

（1）无法精确显示被测温度；

（2）无法记录被测物体温度的变化趋势；

（3）一个测温蜡片只可测量一个被测点，不可重复利用；

（4）必须停电后才可进行测温蜡片的安装，不停电无法新增测点。

1.2 分布式光纤测温系统

分布式光纤测温是通过测量空间温度场分布来实现温度测量的，近年来发展较为迅速。光纤温度传感器是连续、分布式的[4]，其主要依据后向的喇曼散射温度所产生的效应，其中喇曼散射是由分子的热振动发生能量交换而产生的，具体地说，如果光能转换成为热振动，则会发出一个比光源波长长的光，为Stokes光；如果热振动转换成为光能，则发出一个比光源波长短的光，为Anti_Stokes光[5]。喇曼散射光就是由这两种不同波长的光组成的。

分布式光纤测温系统将光纤既用作传输媒体也用作传感媒体，进行温度场内的温度测量，具有较强的实时性，同时利用光时域反射技术精确定位测量点。该方法具有防爆、抗干扰、抗燃、耐腐蚀、耐高压、快速多点测温并定位等优点，适用范围十分广，广泛适用于特高压和有强电磁干扰的场所[6]。

1.3 红外测温系统

通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能根据黑体辐射定律通过计算得到它的表面温度，这是红外测温实现的客观基础[7]。

红外测温系统可将温度这一物理量转变成为电信号来进行测量，一般由信号处理器、信号放大器、光电探测器和红外光学系统这几个重要部分组合而成。而放大微弱的电信号需要信号放大器[8]。

红外测温系统具有寿命长、响应快、非消耗性等优点，并可进行实时连续测量。但受限于其测温原理及外围因素，抗干扰能力差，受辐射光、烟雾、蒸气、尘埃影响大，同时也会受到被测物体发射率的影响，可能导致测量误差增大。为改善红外测温系统，可使用比色法测量温度，因为不同气体对红外辐射的吸收具有选择性，可选用合适的波段，以降低外界的影响，被测物体光谱发射率也不会对测量结果产生明显影响，但工艺较为复杂，造价高昂。

1.4 无线无源测温系统

无线传感器分为两种：无线有源式传感器和无线无源式传感器。无线有源式由于有电源供电，传感距离可以非常远，可选择的电路也较多，处理和控制灵活、方便，目前已得到广泛应用。但对于不能提供电源、不易更换电池的位置及易爆易燃等危险场合，有源传感器则不再适用。随着现代化的物联网的发展，尤其在智能电网等领域，对无线传感器技术的需求显得极为迫切，要求传感器无源、无线、长寿命、测程长、环境适应性良好且可进行多点测量[9]。因此，为满足日益增长的量测需求，无源无线传感器在现有技术中成为了较为合适的选择。由SAW器件所构成的无源无线温度传感器除无源、无需供电的特点外，还具备使用寿命长、抗恶劣环境、使用安装方便、成本低等特点，可在较宽的温度量测范围内工作，如采用谐振型传感器还可实现多点测量，可作为智能电网及相关领域无线测温技术的理想选择。因此，研究SAW传感系统对电力设备状态温度量测等特殊应用场合具有显著意义。

2 基于SAW的无源无线测温技术原理

SAW（Surface Acoustic Wave）温度传感器采用声表面波技术，与传统传感器相比，它具有精度高、灵敏度高、易集成、功耗低等优点，最突出的是其可在高电压、大电流的恶劣环境中连续工作。

系统的整体设计图如图1所示。SAW谐振型传感器主要由天线和附有反射栅、叉指转换器的压电基片组成，如图1虚框所示。

声表面波（SAW）是沿物体表面传播的一种弹性波。通过逆压电效应将电磁波转换为一定频率的声表面波，声表面波被转换为特定谐振频率的电磁波，然后通过天线输出；温度变化使得声表面波（SAW）的传播速度发生变化，进而引起谐振频率的变化；在一定频率范围内温度和谐振频率成线性关系，因此，通过电磁波频率可进一步转换为温度。每个传感器具有唯一的谐振频带；传感器的谐振频带和测温终端的频带必须匹配。

3 基于SAW传感器的无线无源测温系统适用场景分析

根据上述比较分析，基于SAW传感器的无线无源测温系统各项性能均较为出色，如不考虑价格因素，其具有十分巨大的应用潜力。但考虑成本因素，基于SAW的无线无源测温系统仅在观测具有局限性、安全要求较高、测量精度要求较高等情况下才具有实际应用价值，因此分析其实际适用场景，在合理的应用场景进行推广显得十分重要。

图1 SAW谐振型测温传感器

发电厂、变电站高压开关柜及大电流柜在工作运行过程中要承受极大的工作电流，设备在长期的运行过程中，母线和开关触点、电缆连接处因为老化或接触电阻过大而产生热量，当温度升高超过规定值时，会加快动触头以及静触头的触点氧化，而氧化结果又会导致接触电阻值增大，使得发热现象更加严重，从而整体形成恶性循环。近年来，在电厂以及变电站已经发生了多起开关过热事故，从而造成火灾和大面积停电事故。为防止开关过热问题再次导致事故发生，实现温度在线监测成为保证高压设备安全运行的重要手段[10]。由于开关柜空间封闭狭小且带电，工作人员无法对柜内进行温度检查。常见的温度测量系统如分布式光纤测温系统，虽然也可以直接测量高压设备温度，并且具备较高的精确度，但在配电装置进行安装以及后期维护时，复杂程度较高，与此同时，高压设备长期处于高温高压的运行状态，会使无线光纤的稳定性有所降低。而红外测温系统在进行温度监测的过程中，极易受到外界环境中光照、气流以及灰尘的影响，从而导致系统所测温度精确度较低。无线无源测温系统在此应用场景内，不仅体积小，还能直接与被测点接触，在长期高温环境下其监测温度稳定性高、施工简单、免维护等优点[11]，既能够满足温度监测精确性要求，还能够保证测温系统的稳定性，因而在该领域具有广泛的应用前景。

图2为华东某电厂使用的基于SAW传感器的无线无源测温系统的使用情况，可以看到，该测温系统的测温具有实时性，相关测量结果可以生成曲线帮助运行或检修人员监视设备情况，及时发现故障隐患。

图2 指定时间内的温度曲线

同时，由于该测温系统具有连续性，通过对一定时间内的温度曲线进行分析，可以准确判断出设备的实际运行状态，图3和图4分别是载流量过大时的实测温度曲线和设备老化时的实测温度曲线，可以看到，两条曲线有着显著区别，可以简单地进行分辨。

图3 载流量过大温度曲线

图4 设备老化温度曲线

4 结语

综上所述，无源无线声表面波传感器是适应市场和技术发展趋势的一种新型传感器，其弥补了传统温度传感器所存在的各种缺陷，在电力系统设备测温中具有广泛的应用前景。而基于SAW传感器的无线无源测温系统在发电厂、变电站高压开关柜及大电流柜的测温中具有十分强的适用性，对于实现电力系统的安全生产和隐患排查有着显著作用。