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浅谈无源无线温度传感器在开关柜测温中的研究与应用

2021-06-24 20:38:18 来源：安科瑞王蒙蒙

王蒙蒙

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801

摘要：针对声波表面波无源无线温度传感器在开关柜测温中的应用进行了分析。
关键词：声波表面；传感器；开关柜

1 概述
温度是表征电力一次设备运行正常的一个重要参数。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限状态，过负荷运行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。

2 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）
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。

3 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。

4 安科瑞无线测温系统介绍与选型
安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款无线测温软件。
4.1 Acrel-2000T无线测温系统结构
Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图1），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，可靠性和开放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

图1 Acrel-2000T无线测温系统结构图
4.2 Acrel-2000T无线测温系统功能
■实时监测
Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息
■温度查询
温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）
■运行报表
查询各回路设备运行溫度报表.
■实时报警
壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。
■设备提供以下凡种告警方式：
a.弹岀事件报驚窗口.
b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.
C.短信吿警，可以向指定手机号码发送吿警信息短信（需选配短信猫）.
■历史告警査询
Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
■用户权限管理
Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统稳定运行，设置了用户权限管理功能。
通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。
■定值设置
用于修改高温定值、超温定值。
■WEB（可选）
展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。
实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。
接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量需要断路器提供辅助触点支持）。
能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。
运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。
■手机APP（可选）
设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。
4.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型
安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图2）。

图2 电气接点在线测温结构图
4.3.1 安科瑞无线温度传感器
无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

物料名称	型号	参数说明
电池型无线测温传感器	ATE100	电池供电，寿命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空旷距离10米； 102.3747.9323mm，φ13.5mm(长宽高，孔径)。
	ATE200	电池供电，寿命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空旷距离10米； 44.173018.5mm，L=325.40mm(长宽高，三色表带)。
	ATE300B	电池供电，寿命≥5年；-10℃~+125℃； 470MHz，空旷距离150米； 49.9535.9522mm(长宽高)。
CT取电型无线测温传感器	ATE300	CT感应取电，启动电流≥5a；-10℃~+125℃； 470MHz，空旷距离150米；扎带固定，合金片取电；7333.516mm(长宽高)。
CT取电型无线测温传感器	ATE400	CT感应取电，启动电流≥5a；-50℃~125℃； 433MHz，空旷距离150米；合金片固定、取电；三色外壳；25.8220.4212.8mm(长宽高)。

4.3.2 安科瑞无线收发器
无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

物料名称	型号	参数说明
无线收发器	ATC200	可接收12个ATE100/200
	ATC400	可接收240个ATE300/ATE300B
	ATC450-C	可接收240个ATE400

4.3.3 安科瑞显示终端
显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。

物料名称	型号	参数说明
显示终端	ARTM-Pn	面框969617mm，深度65mm；开孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供电；一路上行RS485接口，Modbus协议；可接收60个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
显示终端	ASD320 ASD300	面框237.5177.515.3mm，深度67mm；开孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供电；一路上行RS485接口，Modbus协议；可接收12个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
显示终端	ATP007 ATP010	面框226.51636mm，深度70mm；开孔215*152mm； DC24V供电；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口；可接收20个ATC200/1个ATC400/1个ATC450-C。
智能温度巡检仪	ARTM-8	开孔88*88mm 嵌入式按照； AC85-265V或DC100-300V供电；一路上行RS485接口，Modbus协议；可接入8路PT100传感器，适用于低压开关柜电气接点、变压器绕组、点击绕组等场合的测温；
智能温度巡检仪	ARTM-24	35MM导轨安装； AC85-265V或DC100-300V供电；一路上行RS485接口，Modbus协议； 24路NTC或PT100、1路温湿度测温、2路继电器告警输出，用于低压电气接点、变压器绕组、点击绕组等场所测温；
无线测温集中集中采集设备	Acrel-2000T/A	壁挂式安装标配一路485接口、一路以太网口自带蜂鸣器告警柜体尺寸480420200 （单位mm）
无线测温监控设备	Acrel-2000T/B	硬件：内存4G，硬盘128G，以太网口显示器：12寸，分辨率800600 操作系统：Windows7 数据库系统：Microsoft SQL Server 2008 R2 可选Web平台/APP服务器柜体尺寸为480420*200（单位mm)

5 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。

【参考文献】
[1] 王玉田,赵一鸣,沈国伟.基于声表面波的某无线原距识别系统的实现[J].电子技术应用,2004-01-30.
[2] 曾强.无源供电无线测温在线监测系统研究应用[J].科技传播,2015-05-08.
[3] 王一博,张志刚,刘士峰,白树芸,妥生慧,王江城.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.
[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.

作者简介：王蒙蒙，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用

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