1．背景

对于电网的安全运营及电力系统资源的最优化利用方案实施，最有效的方法是对电力设备进行监测，温度则是需要监测的最重要数据之一。电力设备温升主要是由流过电缆的电流引起的。

当电力设备中有节点发生短路或者绝缘老化时，表现出来的就是该处局部发热，温度异常升高，继而使触电膨胀氧化使节点电阻增大，发热量进一步上升，温度继续升高，形成一个恶性循环。而对于电缆中正常电流，温度则会保持在一定的水平。

因此，通过对电力设备温度的监测，即可知晓电力系统运营的负荷情况。通过整合电网信息资源，可以实现电力信息和资源共享的最大化，在发生设备隐患的第一时间就能发现并处理隐患，且在保证电力系统安全运营的情况下，提高电力电网输送电力的效率。

2. 目前电力系统测温方案简介

高压电力设备由于其环境的特殊性，对其中节点的测温有如下难点：

1） 监测点数众多：初步统计一个220KV变电站的各种电缆接头达数千个；

2） 监测点的位置千差万别 ：有的在室内、有的在室外；有的在控制柜内、有的裸露在高空；

3） 要求传感器与外界彻底隔离：布线会带来新的安全隐患，传感器供电问题难以解决；

4） 电磁干扰强：电压高达数万乃至几十万伏，电流几十安培甚至上百安培，设备周围分布着极强的电磁场干扰；

5） 工作环境温度高：要求传感器能在120℃高温下工作。

目前用于电力系统的测温解决方案有如下几种：

(1) 红外测温

红外测温仪适合人工巡查测温，因为使用比较灵活，现在已经成为高压电力设备温度检测的一个主要手段。红外测温仪的缺点是体积较大,成本高,精度一般（与距离有关），特别是它无法实现在线实时监测。另外红外线无法绕射透过遮挡物、准确测量关键接点处温度，限制了它在一些场合的应用。[1]

(2) 光纤测温

光纤式温度测温仪采用光纤传递信号，其温度传感头安装在带电物体的表面，测温仪与温度传感器间用光纤连接。[2]光纤具有易折，易断的特性,安装比较复杂，设备造价较高，特别是积累灰尘后易使绝缘性降低，可能造成意外事故。

（3）无线测温

现有的无线测温方案，采用电池或者小CT取能给测温芯片供电，再将测温芯片得到的信号通过无线芯片无线发出。这种方案虽然实现了温度信号的无线传输，但是由于该方案属于有源方案，传感头需要电池供电或者小CT取能供电。

电池供电存在需要定时更换电池，而且电池在夏季抗高温能力较差，给电力部门的运营带来影响；而小CT取能则存在若接头电流较小，电能无法取出，传感头停止工作，若接头电流较大，则容易烧坏小CT直至烧坏传感头。

所谓小CT就是一个小变压器，它可以通过感应高压母线上的交变电流取得电能。采用CT取能，传感头体积较大，而且布放的位置对取能效率影响较大，缺乏普遍适应性。

3. 声表面波温原理

上述测温方式在电力系统的测温上有很大的局限性，针对这些缺点，我们在国内外率先提出将声表面波（SAW）技术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，能够很好的解决上述几种测温方式存在的困难。

声表面波技术是上世纪七、八十年代才逐渐成熟起来的一门新兴科学技术领域，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。在具有压电性的晶体上由于存在压电性，在电声之间存在耦合。压电晶体本身是换能介质，在传播声表面波的压电晶体表面可以制作电声换能器，使电能和声能互相转换。

目前利用声表面波测温的工作原理主要有两种，第一种利用基片左端的换能器通过逆压电效应将输入的无线转变成声信号，此声信号沿基片表面传播被位于基片右端的一个或数个周期性栅条反射，反射信号最终由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。如图1所示。

当基片的温度发生变化时，引起声表面波的传输速度与反射器的间距的改变，从而引起无线应答的相位（时间延迟）改变，这种改变随温度的改变而呈线性变化，因此容易得到测量的温度值。第二种如图2所示，当压电晶体基片上的换能器通过逆压电效应将输入的无线信号转变成声信号后，被左右两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，而且谐振频率的改变随温度的改变在一定温度范围内呈非常线性的关系，图3所示的是实际测量的谐振频率随温度变化的曲线。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，故声表面波测温器件为纯无源器件。

相比之下，谐振型在灵敏度、可靠性和无线检测距离等指标方面优于延迟型，故在测温系统中我们选择了谐振型声表面波传感器。

图1 延迟线型声表面波温度传感器结构

图2 谐振器型声表面波温度传感器结构

图3 SAW谐振频率随温度的变化关系

4. 无线无源温度传感系统组成及其特点

无源无线温度监控系统由测温传感头、信号读写器与无线中继、后台监控系统三部分组成。前端的传感头无需供电，可以方便安装在高压带电体被测点上，准确的跟踪发热点的温度变化。

测温传感头上的天线和与信号读写器相连的接收天线之间无线通信，纯绝缘系统，安全性能好，且每个信号读写装置可对应多个探测点，即插即用，便于扩大规模和系统升级；信号读写器将温度信号处理成数字信号通过光纤传输至后台监控系统，可实现长距离无中继传输。

后台监控器采用时分复用或频分复用等方式同时控制1-100个信号读写器，而每个信号读写器可同时对应多个声表面温度传感器，因此，整个系统可同时在线监测几百、上千个电体被测点的温度。以开关柜内的节点为例，测温系统示意图4。

图4 无源无线温度传感系统示意图

1） 传感头

无源无线传感头具有纯无源、免维护、体积小，安装灵活，可以方便的安装在被测点上，准确的跟踪发热点的温度变化，并以无线方式将数据传到采集器上，实现对被测点温度信息进行实时采集，实现非接触温度测量。传感头见图5。

图5 无线无源传感头

2） 信号读写器与无线中继

信号读写器器用来收集传感头的温度信号，将其重新打包，通过有线或无线方式发送至后台监控系统，安装在测温现场。信号读写器带有液晶显示屏，显示监测点的实时温度，方便用户在测温现场监测被测点的温度。

一个信号读写器对应有3个收发数据端口，每个数据收发端口连接一个收发天线用于与测温传感头通信。由于各个传感探头的谐振中心频率不同，每个收发天线可以同时和6个传感探头通信，即一个信号读写器可对应18个温度传感探头。

3）后台监控系统

后台监控系统将传感器采集的温度信息进行数字化分析处理。后台监控系统通过时分复用可同时监控多个信号读写器，每个信号读写器可与18个传感探头通信，即一个后台监控系统可同时监控成百上千个传感探头处的温度，实现实时在线多点测温，并可以存储历史数据。系统根据历史数据和实时数据可及时判断被测点温度是否正常，并对可能发生故障的被测点进行预测和提前报警。

5. 无线无源温度传感系统应用实例

图6 无源无线传感头在开关柜中的应用

图7 实时监测数据

无源无线传感头在开关柜中的应用实例见图6，图7为后台监控系统记录的测温传感头测得的实时温度数据。图6中，传感头用绝缘胶带固定在被测点处，通过右下方的收发天线与信号读写器通信并反馈实时的温度信号。

与收发天线相连的信号读写器将温度信号打包并发送至后台监控系统并显示，见图7。对所有的历史数据，我们的系统都会记录下来，方便用户随时查看。对发生异常的温度信号，系统会发出警报通知用户及时排除故障，以避免重大事故。

6. 小结及展望

过去几十年，声表面波器件主要应用于通信系统，各国的科学家对声表面波的特性和应用价值已经进行了大量深入细致的研究。利用声表面波测温早有学者提出，但因为基于声表面波原理的温度传感器在一般情况下传播距离较短，而且其他传统的测温方式的相对成熟。这方面的有关研究一直停留在理论探索上，工业应用开发很少。

刘文教授于2008年底首先提出了将声表面波温度传感器应用于高压电力设备测温，目前实用化成套设备已经开发成功，并且已经批量应用在 “广西供电公司河池供电局变电站开关柜测温项目”，“广西钦州果子山变电站开关柜测温项目” “广西钦州港口变电站开关柜测温项目”，“湖北黄石电力集团变电站开关柜测温项目”等。已经引起了国内外电力行业的广泛关注。

由于其无源无线的优点，该技术今后可能会成为智能电网温度监测的一个主流方案。关于无源无线温度传感方案的设计和改良仍然在持续进行中，针对基于SAW的无线无源温度传感系统的瓶颈在于无线传输距离不够远，我们已经制定了从SAW测温芯片到通信天线的进一步改进计划。

随着测温范围的提高和测温探头与收发器天线传输距离的提高，针对高压电力系统各种设备测温的应用会越来越多。目前可以应用的场景是开关柜组测温，电抗器组测温，以后将逐步应用在电容器组测温，地埋电缆节点测温以及架空电缆的测温等。可以预计，随着我们研究开发的深入，SAW无线无源温度传感系统功能会越来越完善，为智能电网建设的安全稳定运行提供有力的保障。

（编自《电气技术》，原文标题为“ 声表面波无线无源温度传感系统”，作者为龚贻文、谭冰 等。）