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摘要：长期运行过程中，高压开关柜开关的触点和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致事故发生，解决开关过热问题是杜绝此类事故发生的关键，本文着重讨论用表面波测温技术来解决开关过热问题。
关键词：表面波；测温；高压电力设备
中图分类号：TP212.11
0 引子
目前大部分地區对开关柜内设备触点的监测依然采用人工定期现场测量，不能实时监测设备的温度状态，存在极大的安全隐患；少数地区采用有源无线的方式对设备触点进行测量，这种方式在一定程度上解决了以往的定期监测带来的盲目性，但是由于该类传感器需要电池供电，而电池在高温环境下及电池馈电状态下极易发生误报警，大大影响监测精度，使得该种监测方式的可靠性大大降低；另外目前的大部分无线传感器采用的天线均为普通的吸盘天线，这种天线由于其外形，如果用于开关柜内的温度监测，极易在高温、高压环境下产生尖端放电现象，引起事故，因此需要一种适用于高压开关柜、刀闸等的温度监测技术。
目前大多数温度监测系统主要分为以下几种：
1. 常规测温方式
常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式的缺点在于无法无线无源，需要金属导线传输信号，无法独立无线工作，绝缘性能不能保证。即使采用无线发送模块，在电网的磁场、电场和热场复杂情况下，抗干扰能力弱而无法正常工作。
2. 光纤测温
光纤温度传感器采用光导纤维传输温度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此光纤温度传感器能够直接安装到开关柜内的高压触点上，准确测量高压触点的运行温度，实现开关柜触点运行温度的在线监测。然而，光纤具有易折，易断、不耐高温等特性。积累灰尘后易导致光纤沿面放电从而使绝缘性降低，光纤属于有线方式，会破坏既有设备构架，受开关柜结构影响，在柜内布线难度较大。另外，光纤测温的成本也相对较高。
3. 红外测温
红外测温为非接触式测温，在变电站套管、避雷器、母线等设备的温度监测中应用较多，但由于高压开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，开关柜内的空间非常狭小，无法安装红外测温探头（因为探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面），要求被测量点能够在视野内并无遮掩，并且表面干净以确保准确性。因此使用红外成像仪对其进行温度测量时有死角出现，无法全部监测到；通过红外图谱间接获取温度数据其准确性不能满足要求，同时红外热像仪的成本较高，不利于推广使用。
4. 有源无线测温
有源的无线温度传感器尺寸通常相对较大且需经常更换电池，系统维护成本较高。同时，电池不适于在高温状态下工作，温度过高会影响电池正常工作，最终影响测量精度，甚至会出现误报警；另外当电池电量不足时，会出现误报警的现象，影响监测精度。
1 表面波测温原理
表面波测温采用无源无线采集技术实现高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要设备的温度在线监测，并实现远程报警、分析等功能。
一个开关柜安装一组传感器测量各触点温度，这组传感器的温度监测信息的收发和管理由一个采集器统一完成。
一个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本区域内所有开关柜温度监控信息的采集、存储和管理。
测温主控终端既可以通过LCD显示屏进行温度信息的本地显示，也可以通过485或其他数据接口按照指定的标准规约传入监控中心，实现远程在线温度监控、分析以及预警。
1.1温度传感器
温度传感器是直接安装在被测物体表面的测温元件，它负责接收探询射频信号，并返回带温度信息的射频信号到采集器。
工作原理
传感器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原理被自动转化成了电信号。传感器的工作原理是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反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。
标准的温度采集过程包括如下步骤：
1） 无线采集器通过它的天线发射射频脉冲。
2） 脉冲信号被传感器上的天线收到后，通过叉指换能器 （IDT） 在压电感应器的表面激活一个表面波。
3） 传感器表面波的频率由于受到传感器本身温度的影响发生了变化。正是由于频率受温度变化的机制， 使得温度数据测量得以实现。
4） IDT再将表面波的频率振荡转化成射频信号。此射频信号由采集器上的天线收到后进行处理。
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。
6） 反射回来的射频频率变化与温度的变化成比例关系。
1.2温度采集器
采集器负责与一组传感器通信，发射测温探询射频信号到传感器，接收温度传感器的返回信号，并解析成温度信息发送回温度监测主站软件系统。
读取器天线通过与柜体的间隙穿过隔板吸附在柜壁。采集器放置在顶部，此柜门无需停电即可开启，方便管理人员进行操作。
工作原理
采集器的天线嵌在开关柜内壁，这样以来可以屏蔽外部的电波干扰。而采集器的其他部分（接收箱）则安装在开关柜的外面。
采集器由单独的电源供电，并向开关柜内发射短射频信号。如果射频脉冲的频率与温度传感器预设的频率相同，传感器就能收到该射频信号，并且改变和被动地反射脉冲信号。返回的脉冲信号由于受到了传感器自身温度的影响因而携带了传感器的温度信息。
1.3测温主控终端
温度监测终端主要完成传感器、采集器档案管理、参数设定、温度数据的存储以及提供与自动化系统的数据接口。
1.4监控软件
开关柜温度监测系统的应用软件主要功能包括各温度传感器设备、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。
根据实际情况，这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在（将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统），也可以单独作为一套开关柜温度监测的主站系统。各类运行管理人员通过远程访问及时准确的监控开关柜温度情况
2 创新点
1） 防水、防静电和防高压；
2） 声学芯片结构采用压电基片沉积金属的方式制作，耐温范围可以达300℃以上。
3） 可以实现不同复杂环境情况下的读写系统精度、距离、测温速度等要求；
4） 通过有线、无线等方式可以自由满足用户组网要求，局域组网、广域组网灵活实现；
5） 能够与其他变电站监测设备一起为变电站设备状态监测提供更加准确全面的监测数据，保证变电站设备运行安全及电网生产安全，提高供电可靠性，保证电力用户用电安全。
6） 无需电池供电，传感器采用被动感应方式，无需电池驱动，减少了电池更换带来的维护成本，同时不会对生态环境造成影响。
7） 采用平板天线，安全可靠，无线的温度采样方式无需在被测点或相关支撑结构上连线，传感器与接收设备之间无电气联系，从而实现了高压隔离，保障设备安全运行。采用了平板式贴壁天线，有效的杜绝了普通吸盘天线容易产生尖端放电的问题。
8） 安装方便灵活，无源无线温度传感器体积小且与采集器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受开关柜结构和空间影响。
9） 环境适应性好，传感器可在任何工作温度范围内的温度进行调试，不会受季节因素影响。
关键词：表面波；测温；高压电力设备
中图分类号：TP212.11
0 引子
目前大部分地區对开关柜内设备触点的监测依然采用人工定期现场测量，不能实时监测设备的温度状态，存在极大的安全隐患；少数地区采用有源无线的方式对设备触点进行测量，这种方式在一定程度上解决了以往的定期监测带来的盲目性，但是由于该类传感器需要电池供电，而电池在高温环境下及电池馈电状态下极易发生误报警，大大影响监测精度，使得该种监测方式的可靠性大大降低；另外目前的大部分无线传感器采用的天线均为普通的吸盘天线，这种天线由于其外形，如果用于开关柜内的温度监测，极易在高温、高压环境下产生尖端放电现象，引起事故，因此需要一种适用于高压开关柜、刀闸等的温度监测技术。
目前大多数温度监测系统主要分为以下几种：
1. 常规测温方式
常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式的缺点在于无法无线无源，需要金属导线传输信号，无法独立无线工作，绝缘性能不能保证。即使采用无线发送模块，在电网的磁场、电场和热场复杂情况下，抗干扰能力弱而无法正常工作。
2. 光纤测温
光纤温度传感器采用光导纤维传输温度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此光纤温度传感器能够直接安装到开关柜内的高压触点上，准确测量高压触点的运行温度，实现开关柜触点运行温度的在线监测。然而，光纤具有易折，易断、不耐高温等特性。积累灰尘后易导致光纤沿面放电从而使绝缘性降低，光纤属于有线方式，会破坏既有设备构架，受开关柜结构影响，在柜内布线难度较大。另外，光纤测温的成本也相对较高。
3. 红外测温
红外测温为非接触式测温，在变电站套管、避雷器、母线等设备的温度监测中应用较多，但由于高压开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，开关柜内的空间非常狭小，无法安装红外测温探头（因为探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面），要求被测量点能够在视野内并无遮掩，并且表面干净以确保准确性。因此使用红外成像仪对其进行温度测量时有死角出现，无法全部监测到；通过红外图谱间接获取温度数据其准确性不能满足要求，同时红外热像仪的成本较高，不利于推广使用。
4. 有源无线测温
有源的无线温度传感器尺寸通常相对较大且需经常更换电池，系统维护成本较高。同时，电池不适于在高温状态下工作，温度过高会影响电池正常工作，最终影响测量精度，甚至会出现误报警；另外当电池电量不足时，会出现误报警的现象，影响监测精度。
1 表面波测温原理
表面波测温采用无源无线采集技术实现高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要设备的温度在线监测，并实现远程报警、分析等功能。
一个开关柜安装一组传感器测量各触点温度，这组传感器的温度监测信息的收发和管理由一个采集器统一完成。
一个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本区域内所有开关柜温度监控信息的采集、存储和管理。
测温主控终端既可以通过LCD显示屏进行温度信息的本地显示，也可以通过485或其他数据接口按照指定的标准规约传入监控中心，实现远程在线温度监控、分析以及预警。
1.1温度传感器
温度传感器是直接安装在被测物体表面的测温元件，它负责接收探询射频信号，并返回带温度信息的射频信号到采集器。
工作原理
传感器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原理被自动转化成了电信号。传感器的工作原理是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反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。
标准的温度采集过程包括如下步骤：
1） 无线采集器通过它的天线发射射频脉冲。
2） 脉冲信号被传感器上的天线收到后，通过叉指换能器 （IDT） 在压电感应器的表面激活一个表面波。
3） 传感器表面波的频率由于受到传感器本身温度的影响发生了变化。正是由于频率受温度变化的机制， 使得温度数据测量得以实现。
4） IDT再将表面波的频率振荡转化成射频信号。此射频信号由采集器上的天线收到后进行处理。
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。
6） 反射回来的射频频率变化与温度的变化成比例关系。
1.2温度采集器
采集器负责与一组传感器通信，发射测温探询射频信号到传感器，接收温度传感器的返回信号，并解析成温度信息发送回温度监测主站软件系统。
读取器天线通过与柜体的间隙穿过隔板吸附在柜壁。采集器放置在顶部，此柜门无需停电即可开启，方便管理人员进行操作。
工作原理
采集器的天线嵌在开关柜内壁，这样以来可以屏蔽外部的电波干扰。而采集器的其他部分（接收箱）则安装在开关柜的外面。
采集器由单独的电源供电，并向开关柜内发射短射频信号。如果射频脉冲的频率与温度传感器预设的频率相同，传感器就能收到该射频信号，并且改变和被动地反射脉冲信号。返回的脉冲信号由于受到了传感器自身温度的影响因而携带了传感器的温度信息。
1.3测温主控终端
温度监测终端主要完成传感器、采集器档案管理、参数设定、温度数据的存储以及提供与自动化系统的数据接口。
1.4监控软件
开关柜温度监测系统的应用软件主要功能包括各温度传感器设备、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。
根据实际情况，这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在（将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统），也可以单独作为一套开关柜温度监测的主站系统。各类运行管理人员通过远程访问及时准确的监控开关柜温度情况
2 创新点
1） 防水、防静电和防高压；
2） 声学芯片结构采用压电基片沉积金属的方式制作，耐温范围可以达300℃以上。
3） 可以实现不同复杂环境情况下的读写系统精度、距离、测温速度等要求；
4） 通过有线、无线等方式可以自由满足用户组网要求，局域组网、广域组网灵活实现；
5） 能够与其他变电站监测设备一起为变电站设备状态监测提供更加准确全面的监测数据，保证变电站设备运行安全及电网生产安全，提高供电可靠性，保证电力用户用电安全。
6） 无需电池供电，传感器采用被动感应方式，无需电池驱动，减少了电池更换带来的维护成本，同时不会对生态环境造成影响。
7） 采用平板天线，安全可靠，无线的温度采样方式无需在被测点或相关支撑结构上连线，传感器与接收设备之间无电气联系，从而实现了高压隔离，保障设备安全运行。采用了平板式贴壁天线，有效的杜绝了普通吸盘天线容易产生尖端放电的问题。
8） 安装方便灵活，无源无线温度传感器体积小且与采集器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受开关柜结构和空间影响。
9） 环境适应性好，传感器可在任何工作温度范围内的温度进行调试，不会受季节因素影响。