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摘 要：开关柜、环网柜和箱变等设备作为配电、变电工程中常见的电气设备，其运行的安全和稳定程度关系到整个电网的运行稳定。研究得知，传统的人工检测不仅费时费力，而且还面临较高的人力资源成本。因此，智能化在线监测技术成为当前电力系统的一种重要任务。本文基于声表面波的无源无线测温技术，研究变电设备在线监测领域展现的技术优势和实用性。
关键词：声表面波；变电设备；在线监测；平台
中图分类号：TM732 文献标识码：J 文章编号：2095-8595 （2017） 05-077-004
电子科学技术 URL： http//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.05.020
Abstract： Switchgear， ring cabinet and box change equipment as power distribution， substation in the common electrical equipment， the operation of the safety and stability of the relationship between the operation of the entire grid is stable. Studies have learned that traditional manual testing is not only time consuming and laborious， but also faces large human resource costs. Therefore， intelligent online monitoring technology has become an important task of the current power system. Based on the passive surface wireless wave temperature measurement technology， this paper studies the technical superiority and practicability of on-line monitoring of substation equipment.
Key words： Surface Acoustic Wave； Substation Equipment； On-line Monitoring； Platform
引言
在城市的電力供应工作中，火灾的防护是安全防护的重中之重。尤其是配电网中的变电设备，由于长期工作，运行和维护成本较高，使得电网工作人员在维护时难度较大。当前的配电设备都是固定式的安置。在城市建筑群中，箱变等设备使用数量较大，延续传统的人工监控无论是在技术上还是在经济成本上都难以为继。同时，所发生的火灾，大部分都是由于温度过高或过热引起的，如不及时发现和处理，会导致重大的火灾事故发生。但是现有的温度探测设备仅能对已发生的火灾进行探测，在火灾发生之前，温度是逐渐积累上升的，这个积累过程持续时间较长。而目前大多数的在线监测技术都难以对变电设备内部元器件的长期温度进行有效的检测。因此，一旦系统出现警报，技术人员难以迅速反应并采取针对性的措施。以声表面波技术为基础的无源无线检测技术，可以利用声表面波对变电设备中易发生热故障的电气设备的温度变化进行跟踪检测并及时发出警报，而且成本相对较低，推广难度较小，极大地促进了变电设备安全防护能力。
1 电气设备的温度问题的评价
1.1 电气设备温度问题的产生及原因
电气设备的温度问题在本质上是属于电气设备内部的热缺陷。封闭在电气设备内部的固体绝缘、设备壳体内部的各种元器件故障、回路设计缺陷引起的温升异常现象，导致电气设备内部温度异常增高。如果这种问题长期得不到有效的改善，就会导致电气设备出现运行故障，严重的甚至引发火灾等重大事故[1]。
电气设备的温度问题经常发生在变电设备中，如箱变、高低压开关柜、环网柜、封闭母线等。出现温度问题的原因可以分为两种，内部原因和外部原因。内部原因包括内部元器件连接不良、受潮导致的介质耗损，绝缘材料破坏，过流电压不稳、泄露电流超负荷，电缆终端和中间头质量不过关等；外部原因包括接头连接不紧密，外部元器件长期氧化腐蚀和电化学腐蚀，机械振动损伤，设备安装调试不到位等。
1.2 电气设备的温度故障分类
电气设备的过热故障分为两类，外部温升异常和内部温升异常。前者由于电气设备的中间接头压接不良，设备过流后形成电阻，设备温度异常升高，如此循环下来最终超过警戒温度。后者是绝缘材料出现问题，热量在内部循环散发不出去导致的局部温升异常，因此可以通过检测其内部元器件周围材料的温升来诊断高压电气设备的内部故障。
1.3 传统的温度检测方式
1.3.1 人工检测
当前，人工检测主要是对电力一次设备的重要部位如刀闸触点、母线接头等的温度监测，主要方式是人工去测量，如定期派人到现场用红外线或激光测温仪远距离测量等。虽然有着机动灵活的优点，但是也有监测周期长，监测范围受限制，监测和分析结果受人为因素影响较大，红外线或激光测温仪等设备成本较高，推广难度较大等弱势。
1.3.2 在线检测
当前我国市场上的某些大型电气设备生产厂家如中山ABB、施耐德电气等都已经开发出了相应的电气设备在线监测系统。但是由于技术和成本等问题，依旧存在较大的推广难度。像对高压柜等设备的温度检测依靠金属导线和传感器，由于材质和环境的不同都会影响设备温度的监控精确度，最终影响温度的在线监测效果。 2 声表面波测温技术在电气设备中的应用
2.1 声表面波测温技术
声表面波（SAW）是存在物体表层的以特殊媒介为介质的弹性物质波。在存在压电性的物体表层的晶体上有压电性，使得电声耦合。由于压电晶体属于换能介质，在不同温差下的频率范围不同，因此，在测定传声波的特殊频率下实现声、换能之间的数字转换。通过对声表面波技术研究发现，该技术适用于电力系统设备的测温解决方案，该方案具有无线无源的特点，能够有效的化解测温方式存在的困难[2]。
2.2 声表面波技术的测温方式
2.2.1 温度的采集
（1）无线读入器通过它的天线完成射频脉冲的转移。
（2）射频脉冲转移后，借助换能器的吸收测定功能，对设备检测表面的声表面波激化并检测具体范围。
（3）传感器表面波出现波动，波动的峰值之间形成短暂的区间估计，成为温度的敏感数据测定。
（4）IDT再将表面波的频率振荡转化成射频信号。此射频信号由读入器上的天线收到后进行处理[3]。
（5）由于谐振器的高质量特性，即使访问波具有50Hz的带宽，也确保了反射回来的信号包含了精确的射频信息。反射回来的射频频率变化与温度的變化成比例关系。
本技术的无源无线温度传感装置设计由如下部件构成（如图1）：一组传感器、一个读入采集器（射频发射/接收器），读入采集器与一个或多个声表面波振荡器的传感器无线连接。
2.2.2 温度数据的传输——传感器
声表面波对电气设备温度的测量数据传输主要是依靠传感器完成，传感器的声表面波技术应用了晶体材料的物理特性。晶体的物理特性的改变通过压电感应远离被自动转化成了电信号。传感器的工作原理，将射频信号发射到压电材料的表面，然后将受到温度影响了的发射波再转回电信号而获取温度数据。表面波技术的最大好处是利用了传感器的被动工作原理，即在非常规的运行环境下（高电压，高电流）实现无线温度数据采集。
声表面波的温度采集和测定原理有以下两种。第一种（如图2）在逆电压效应的影响下，换能可以实现对无线传输的声音信号和数字之间的转换，经过位于基片附近周期性的栅条的来回传递，使得声音信号借助换能器测定具体数值并输出。第二种如图3所示，借助谐振器的原理对输入的无线信号进行温度测定。主要是基片左右两端的栅条之间的谐振频率范围的检测。通过实验发现，谐振频率与温度之间存在一定的对应关系（线性对应）。
2.2 声表面波技术的数据读入技术——时域型
时域型数据读入技术，采用在采样流和正交基带上下变频读入方式。在时域情形下，饱和度通常使振荡器变小的速度更慢，更均匀，因此，准确度提高。然而饱和度应有所限制，以防止恶化的杂散信号抑制比。由于频率信息在趋近饱和时没有丢失，在时域方法的采样中接收器的饱和是预期的。如图4所示，接收器上的频域饱和效应与调幅（AM）/调频（FM）中的效应是相同的[4]。
通过上述三个流程的工作，可以基本完成电气设备在无源无线环境下的温度在线监控。与传统的传感测温技术相比，基于声表面波的温度检测传感技术具有抗电磁干扰、损耗低等显著特点。为了能够更好地进行运用，还需要设计一套符合技术指标的软件系统进行工作。
3 配套软件系统
配套的软件系统，称之为声表面波在线监测管理平台，下文简称“平台”。平台使用数字化模拟演示技术，能够对设备的各种温度变化进行自动化的信号收集和预警提示；电子显示系统的动态集成功能完善，对电气设备的各种温度参数对比明显，并进行统计分析，在此基础上设计预警功能，以及时发现缺陷点防止产生故障，实现双重监控功能。从传感器到控制室感温测量及信号传输全部采用无线信号，实现无电检测，本质安全防爆。管理模块可实时显示各传感器的位置、温度信息，用户能够直观地了解设备的运行情况[5]。
平台在Windows操作系统下，采用SQL server 2008和Access2010后台数据库等开发软件进行研究和开发。运行环境为Windows XP/7/10，对硬件环境无特别要求，采用通用的工作站或笔记本电脑即可方便灵活。在对电气设备的监测和管理中，该系统可以分为多窗口操作界面，在功能上实现了对设备的多路开关接点、预警温度、工作记录储存、通信地址转移、波特率设置、终端的基础温度补偿操作、设备开关控制以及数据的模型分析等功能。具体监测路径如图5所示，在温度监测点处安装DTU通信设备，平台服务器端按照设定向DTU发送测温命令，DTU实现数据转移接收并开始分配工作。测温点采集到相关数据后，通过DTU返回到公网服务器。管理人员通过平台显示器或者终端设备查看具体数值。
至此，对于电气设备的无源无线温度在线监控系统建立完成，能够实现对电气设备的24小时温度检测，确保机器运行的稳定和安全[6]。
4 结论
基于声表面波的无源无线温度测温技术，监测数据及时准确，能第一时间发现电气设备温度异常状况，有助于解决封闭开关柜内不能测温的问题。提高设备运行的可用性，提高停电、高温检修的针对性。当然，我们还需要进一步完善电气设备的信息及故障数据库，根据采集的温度实时数据，分析温度特性，结合开关柜不同结构，分析故障原因，针对故障发生原因建立完善的检修方案，实现电气设备监测、分析、维修一体的综合智能管理。
参考文献
[1] 张晓娜.基于ZigBee技术的无线温度传感器网络节点的设计[D].西安电子科技大学，2011.
[2] 徐文学.基于无人机红外视频的输电线路发热缺陷智能诊断技术[J].电网技术，2014（05）.
[3] 赵恒.分布式光纤测温系统在冶金电气工程中的应用[A].全国冶金自动化信息网2010年年会论文集，2010.
[4] 陆原，宋杰，王永青，张锁良.一种用于供电系统的无线测温网络[J].仪表技术与传感器，2015（01）.
[5] 韩耀振，周风余，温龙旺.基于ATmega16的变电站高压开关柜无线温度采集器设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2014（08）.
[6] 黎璇，王文，黄杨青，刘鑫璐，梁勇.声表面波梁式加速度传感器的优化设计[J].应用声学，2012（11）.
关键词：声表面波；变电设备；在线监测；平台
中图分类号：TM732 文献标识码：J 文章编号：2095-8595 （2017） 05-077-004
电子科学技术 URL： http//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.05.020
Abstract： Switchgear， ring cabinet and box change equipment as power distribution， substation in the common electrical equipment， the operation of the safety and stability of the relationship between the operation of the entire grid is stable. Studies have learned that traditional manual testing is not only time consuming and laborious， but also faces large human resource costs. Therefore， intelligent online monitoring technology has become an important task of the current power system. Based on the passive surface wireless wave temperature measurement technology， this paper studies the technical superiority and practicability of on-line monitoring of substation equipment.
Key words： Surface Acoustic Wave； Substation Equipment； On-line Monitoring； Platform
引言
在城市的電力供应工作中，火灾的防护是安全防护的重中之重。尤其是配电网中的变电设备，由于长期工作，运行和维护成本较高，使得电网工作人员在维护时难度较大。当前的配电设备都是固定式的安置。在城市建筑群中，箱变等设备使用数量较大，延续传统的人工监控无论是在技术上还是在经济成本上都难以为继。同时，所发生的火灾，大部分都是由于温度过高或过热引起的，如不及时发现和处理，会导致重大的火灾事故发生。但是现有的温度探测设备仅能对已发生的火灾进行探测，在火灾发生之前，温度是逐渐积累上升的，这个积累过程持续时间较长。而目前大多数的在线监测技术都难以对变电设备内部元器件的长期温度进行有效的检测。因此，一旦系统出现警报，技术人员难以迅速反应并采取针对性的措施。以声表面波技术为基础的无源无线检测技术，可以利用声表面波对变电设备中易发生热故障的电气设备的温度变化进行跟踪检测并及时发出警报，而且成本相对较低，推广难度较小，极大地促进了变电设备安全防护能力。
1 电气设备的温度问题的评价
1.1 电气设备温度问题的产生及原因
电气设备的温度问题在本质上是属于电气设备内部的热缺陷。封闭在电气设备内部的固体绝缘、设备壳体内部的各种元器件故障、回路设计缺陷引起的温升异常现象，导致电气设备内部温度异常增高。如果这种问题长期得不到有效的改善，就会导致电气设备出现运行故障，严重的甚至引发火灾等重大事故[1]。
电气设备的温度问题经常发生在变电设备中，如箱变、高低压开关柜、环网柜、封闭母线等。出现温度问题的原因可以分为两种，内部原因和外部原因。内部原因包括内部元器件连接不良、受潮导致的介质耗损，绝缘材料破坏，过流电压不稳、泄露电流超负荷，电缆终端和中间头质量不过关等；外部原因包括接头连接不紧密，外部元器件长期氧化腐蚀和电化学腐蚀，机械振动损伤，设备安装调试不到位等。
1.2 电气设备的温度故障分类
电气设备的过热故障分为两类，外部温升异常和内部温升异常。前者由于电气设备的中间接头压接不良，设备过流后形成电阻，设备温度异常升高，如此循环下来最终超过警戒温度。后者是绝缘材料出现问题，热量在内部循环散发不出去导致的局部温升异常，因此可以通过检测其内部元器件周围材料的温升来诊断高压电气设备的内部故障。
1.3 传统的温度检测方式
1.3.1 人工检测
当前，人工检测主要是对电力一次设备的重要部位如刀闸触点、母线接头等的温度监测，主要方式是人工去测量，如定期派人到现场用红外线或激光测温仪远距离测量等。虽然有着机动灵活的优点，但是也有监测周期长，监测范围受限制，监测和分析结果受人为因素影响较大，红外线或激光测温仪等设备成本较高，推广难度较大等弱势。
1.3.2 在线检测
当前我国市场上的某些大型电气设备生产厂家如中山ABB、施耐德电气等都已经开发出了相应的电气设备在线监测系统。但是由于技术和成本等问题，依旧存在较大的推广难度。像对高压柜等设备的温度检测依靠金属导线和传感器，由于材质和环境的不同都会影响设备温度的监控精确度，最终影响温度的在线监测效果。 2 声表面波测温技术在电气设备中的应用
2.1 声表面波测温技术
声表面波（SAW）是存在物体表层的以特殊媒介为介质的弹性物质波。在存在压电性的物体表层的晶体上有压电性，使得电声耦合。由于压电晶体属于换能介质，在不同温差下的频率范围不同，因此，在测定传声波的特殊频率下实现声、换能之间的数字转换。通过对声表面波技术研究发现，该技术适用于电力系统设备的测温解决方案，该方案具有无线无源的特点，能够有效的化解测温方式存在的困难[2]。
2.2 声表面波技术的测温方式
2.2.1 温度的采集
（1）无线读入器通过它的天线完成射频脉冲的转移。
（2）射频脉冲转移后，借助换能器的吸收测定功能，对设备检测表面的声表面波激化并检测具体范围。
（3）传感器表面波出现波动，波动的峰值之间形成短暂的区间估计，成为温度的敏感数据测定。
（4）IDT再将表面波的频率振荡转化成射频信号。此射频信号由读入器上的天线收到后进行处理[3]。
（5）由于谐振器的高质量特性，即使访问波具有50Hz的带宽，也确保了反射回来的信号包含了精确的射频信息。反射回来的射频频率变化与温度的變化成比例关系。
本技术的无源无线温度传感装置设计由如下部件构成（如图1）：一组传感器、一个读入采集器（射频发射/接收器），读入采集器与一个或多个声表面波振荡器的传感器无线连接。
2.2.2 温度数据的传输——传感器
声表面波对电气设备温度的测量数据传输主要是依靠传感器完成，传感器的声表面波技术应用了晶体材料的物理特性。晶体的物理特性的改变通过压电感应远离被自动转化成了电信号。传感器的工作原理，将射频信号发射到压电材料的表面，然后将受到温度影响了的发射波再转回电信号而获取温度数据。表面波技术的最大好处是利用了传感器的被动工作原理，即在非常规的运行环境下（高电压，高电流）实现无线温度数据采集。
声表面波的温度采集和测定原理有以下两种。第一种（如图2）在逆电压效应的影响下，换能可以实现对无线传输的声音信号和数字之间的转换，经过位于基片附近周期性的栅条的来回传递，使得声音信号借助换能器测定具体数值并输出。第二种如图3所示，借助谐振器的原理对输入的无线信号进行温度测定。主要是基片左右两端的栅条之间的谐振频率范围的检测。通过实验发现，谐振频率与温度之间存在一定的对应关系（线性对应）。
2.2 声表面波技术的数据读入技术——时域型
时域型数据读入技术，采用在采样流和正交基带上下变频读入方式。在时域情形下，饱和度通常使振荡器变小的速度更慢，更均匀，因此，准确度提高。然而饱和度应有所限制，以防止恶化的杂散信号抑制比。由于频率信息在趋近饱和时没有丢失，在时域方法的采样中接收器的饱和是预期的。如图4所示，接收器上的频域饱和效应与调幅（AM）/调频（FM）中的效应是相同的[4]。
通过上述三个流程的工作，可以基本完成电气设备在无源无线环境下的温度在线监控。与传统的传感测温技术相比，基于声表面波的温度检测传感技术具有抗电磁干扰、损耗低等显著特点。为了能够更好地进行运用，还需要设计一套符合技术指标的软件系统进行工作。
3 配套软件系统
配套的软件系统，称之为声表面波在线监测管理平台，下文简称“平台”。平台使用数字化模拟演示技术，能够对设备的各种温度变化进行自动化的信号收集和预警提示；电子显示系统的动态集成功能完善，对电气设备的各种温度参数对比明显，并进行统计分析，在此基础上设计预警功能，以及时发现缺陷点防止产生故障，实现双重监控功能。从传感器到控制室感温测量及信号传输全部采用无线信号，实现无电检测，本质安全防爆。管理模块可实时显示各传感器的位置、温度信息，用户能够直观地了解设备的运行情况[5]。
平台在Windows操作系统下，采用SQL server 2008和Access2010后台数据库等开发软件进行研究和开发。运行环境为Windows XP/7/10，对硬件环境无特别要求，采用通用的工作站或笔记本电脑即可方便灵活。在对电气设备的监测和管理中，该系统可以分为多窗口操作界面，在功能上实现了对设备的多路开关接点、预警温度、工作记录储存、通信地址转移、波特率设置、终端的基础温度补偿操作、设备开关控制以及数据的模型分析等功能。具体监测路径如图5所示，在温度监测点处安装DTU通信设备，平台服务器端按照设定向DTU发送测温命令，DTU实现数据转移接收并开始分配工作。测温点采集到相关数据后，通过DTU返回到公网服务器。管理人员通过平台显示器或者终端设备查看具体数值。
至此，对于电气设备的无源无线温度在线监控系统建立完成，能够实现对电气设备的24小时温度检测，确保机器运行的稳定和安全[6]。
4 结论
基于声表面波的无源无线温度测温技术，监测数据及时准确，能第一时间发现电气设备温度异常状况，有助于解决封闭开关柜内不能测温的问题。提高设备运行的可用性，提高停电、高温检修的针对性。当然，我们还需要进一步完善电气设备的信息及故障数据库，根据采集的温度实时数据，分析温度特性，结合开关柜不同结构，分析故障原因，针对故障发生原因建立完善的检修方案，实现电气设备监测、分析、维修一体的综合智能管理。
参考文献
[1] 张晓娜.基于ZigBee技术的无线温度传感器网络节点的设计[D].西安电子科技大学，2011.
[2] 徐文学.基于无人机红外视频的输电线路发热缺陷智能诊断技术[J].电网技术，2014（05）.
[3] 赵恒.分布式光纤测温系统在冶金电气工程中的应用[A].全国冶金自动化信息网2010年年会论文集，2010.
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[5] 韩耀振，周风余，温龙旺.基于ATmega16的变电站高压开关柜无线温度采集器设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2014（08）.
[6] 黎璇，王文，黄杨青，刘鑫璐，梁勇.声表面波梁式加速度传感器的优化设计[J].应用声学，2012（11）.