声表面波温度传感器在户外电力设备的应用研究

张亚飞 史 阳 程 波 范 俊

江苏省电力公司检修分公司，江苏 常州 213176

摘要：声表面波温度传感器在开关柜已经开始了广泛的应用，但是户外配电变压器、隔离开关及柱上开关等户外电力设

备目前还没有声表面波传感器的应用案例。主要原因是在开关柜等封闭金属柜中，无线信号有折射、反射作用，但是在开放环境下，则声表面波传感器无线传输的环境比较复杂，需要对声表面波温度传感器的应用进行进一步的研究。主要介绍了声表面波温度传感器的原理及其在户外电力设备应用的特点和技术难点，比较了各种发射接收天线的特点，最终采用选择合适的天线构成系统，最终达到声表面波户外应用的效果，并通过试点应用表明声表面波传感器能够在户外设备上稳定的应用。 关键词：声表面波温度传感器；户外电力设备；在线监测 中图分类号：TN828

文献标识码：A

文章编号：1002-1388（2016）01-0274-02

由于没有金属封闭空间的折反射，一般信号较弱；

（2）传感器采集器发射天线在户外空间不再受安装空间和自身体积的影响，可以有多种选择；

（3）发射天线和声表面波传感器的距离比开关柜内的距离要远，开关柜内约1～2m，但是户外设备220kV电气安全距离也达到3m，低压设备由于安装点的关系，最远的传感器也会达到3m。这就要求实验室必须完成超过4m的验证，才能给工程和生产留有一定的冗余，减少调试的工作量；

（4）空旷区间对无线电的屏蔽较弱，则空间的干扰信号变多，则多台采集器同时工作时，需要考虑空间干扰的因素。

综合上述分析，声表面波传感器在户外要获得应用，现有声表面波温度测量系统需要改进的性能主要包括：提高声表面波传感器芯片性能、挑选合适的声表面波传感器发射天线、改进声表面波传感器采集装置的抗干扰性。

本文对采用声表面传感器的原理及在户外应用的技术难点进行分析和研究，提出对应的技术要点，满足声表面波传感器在户外应用的技术要求，并根据实验结论进行了电力行业户外电力设备测温的试点，证明了声表面波温度传感器在电力行业户外电气设备中应用的可行性及可靠性。

1 声表面波传感器的工作原理简介

声表面波传感器按原理可分为延迟线型和谐振型两类传感器，由于延迟型声表面波传感器的传感距离非常近，而户外电力设备一般会要求距离更远，则不适合户外应用，考虑采用谐振型声表面温度传感器作为户外电力设备在线监测的首选应用。

谐振型声表面波温度传感器的谐振频率与温度呈线性关系，其表达式为：（1）其温度变化量；为对应的传感器的谐振频率变化量；为传感器每度步进频率和传感器的材料及谐振器设计有关，目前石英材料大多取8kHz/℃。

在声表面波传感器安装完成应用之前，要利用其他的标准传感器对该传感器进行标定，从而确定这个传感器对应当前频率F1和温度T1。

则传感器采集获得测温点的实际温度为： T = T1+ =T1+（F-F1）K （2） 式中，为传感器测量温度；为标定时传感器的温度；F1 为标定时传感器测到的频率；F 传感器测到的谐振频率；为相对于初始温度的变化率；为斜率，目前石英材料取8kHz/℃。

3 提高声表面波传感器的性能

由于传感器的天线和体积大小一般出厂后不方便改变，要在短时间要提高声表面波传感器的性能，可以考虑从制作完成的传感器芯片中挑选Q较高的芯片进行设计，目前芯片出厂Q值设计一般为10000～15000，针对户外应用，可以缩小了挑选范围，主要挑选Q值在14000～15000的芯片制作传感器，可以有效的增强传感器信号的回波强度和传输距离。

3.1 选择合适的户外发射天线

根据在通信领域的应用情况，在户外应用的发射天线主要有八木天线、板状天线和杆状天线。其中杆状天线属于全向天线，其他八木天线和板状天线都是属于定向天线。我们从市面上收集了各种特点的433MHz的天线样品。根据天线的种类及应用，目前在市面上挑选了多种不同类型不同性能参数的天线，分别进行角度和距离的试验，主要选取如下：（1）八木天线（16dBi）；（2）八木天线（12dBi）；（3）平板天线（16dBi）；（4）平板天线（ 6dBi）；（5） 玻璃钢天线（5dB）。

2 声表面波传感器在户外的应用分析

在开关柜内，由于金属壁对无线电有折反射的作用，而开关柜内空间狭小，导致声表面波传感器的应用对发射天线主要是有体积上的要求。而对户外电气设备，天线处于空旷环境，无线电的路径比较单一，导致声表面波传感器在户外应用。

我们总结了声表面波传感器在户外应用的主要的几个技术特点：

（1）传感器在户外应用一般需要预留一定的角度，

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3.2 改进采集装置的抗干扰性

由于采集装置的发射天线都处于户外空旷区域，没有封闭金属区域屏蔽采集装置的发射信号，而采集装置发射的信号的强度远远大于传感器的回波强度，导致采集装置在测量时会将其他采集装置的发射信号也同时采集过来，我们在实际中，将回波信号进行了离散傅立叶变换，可以获得对应的频域内的信号。由于传感器回波信号特征比较明显，通过对背景信号进行分析，采取一些经典的滤波算法进行过滤，可以获得对应的回波信号。将采集装置获得的采集数据在MATLAB上进行画图，可以获得对应的信号功率图（如下图）。对比经过改进算法后的采集信号图，可以发现干扰信号让采集器的采集的回波的信号强度处于跳动的状态，无法获得对应的谐振频率。

图１ 受干扰的SAW传感器回波信号图（过滤前）

图2 经过过滤后的回波信号（过滤后）

4 现场应用

根据前面的试验结论，定义了对应的声表面波测温系统，能够同时测量对应开关柜柜内和户外电气设备的接点温度。

技术交流 图3 系统拓扑图

通过在电力公司进行农网配电变压器及其配电柜的电气接点进行温度测量的试点应用，在户外配电变压器进行安装，目前测温稳定，能够达到预期的要求。

图4 户外配电变压器应用场景

5 结语

通过改进声表面波温度传感器测量系统，提高传感器

芯片的Q值，挑选合适的传感器采集器发射接收天线，改进传感器采集器的抗干扰性能，就可以满足声表面波温度传感器在户外电气设备上应用的目的。

参考文献

[1]黄瑜珑，关永刚，徐国政，等.高压开关柜智能化状态

监测装置的研制[J].电工技术杂志，2000（7）：7-9.

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