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    无源无线测温技术在电力行业应用的分析


    在长期运行过程中,高压开关柜的开关触头接触部位、导电排连接部位、电缆头连接等重要部位,都不可避免地会因表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动等原因,导致接触电阻增大而引起接触部发热、电蚀,严重者可烧熔连接部件并引起短路故障,造成大面积停电,从而降低了供电系统的可靠性,造成重大经济损失。所以,实施对诸如高压开关柜等电力设备在线温度检测,在设备故障发生之前及时发现和处理隐患,是保证电力安全运营、建设强壮智能电网的重要一环。

     

    传统测温方案介绍

    1.       热电偶、热电阻方式:

    热电偶测温是将两种不同成份的导体两端接合成回路,通过热电效应对被测点温度进行测量。热电阻测温是利用导体电阻随温度的变化规律来对被测点温度进行测量。这两种方式都属于有线测温方式,需要使用金属线传输温度信号。在实际安装应用中,会出现金属线走线不便、破坏被测设备绝缘性等问题

    2.       示温记录标签方式:

    示温记录标签采用温敏变色原理制成标签,贴到被测设备上,当被测点的温度高于标签的变色额定温度时,标签的颜色将发生变化,具有超温后永久变色的颜色记录功能。缺点是不能反映实时温度值,需要人工定期巡查

    3.       远红外测温方式:

    远红外测温是通过检测物体分子的热运动向外辐射的红外电磁波来测量温度。在温度测量时不需要和测温点直接接触,属于非接触式测温。这种测温方式易受测温环境因素的影响,尤其是在周围存在电磁场的环境下,红外测温极有可能会受到电磁场的干扰。用红外测温探头测温时,测温探头必须正对被测物体且中间不能有遮挡物等限制条件,而且红外测温也难以实现在线实时检测。

    4.       光纤测温方式:

    光纤测温是以光纤作为敏感元件,利用光导纤维传输信号的测温方式。光纤有优异的绝缘性能,可直接安装到高压触点上,测温精度也比较高。但是光纤在长期使用积累灰尘后会导致光纤沿面放电、绝缘性降低,容易造成意外事故。另外,光纤测温设备的造价成本高,具有易折、易断的特性,使用安装比较复杂。

    5.       有源无线测温方式:

    有源无线测温采用集成温度传感器或数字温度传感器采集被测点的温度,经处理的温度信号以无线通信的方式进行传输,是目前高压设备温度监测的主要方法。缺点是传感器探头及无线发射电路采用电池,电池存在使用寿命短和更换困难的问题。

    6.       无线感应取电测温方式:

    无线感应取电又称为 CT 取电,是利用电磁感应原理获取电源,具有两种模式:电流互感器取电和微型磁闭合回路取电。电流互感器取电装置很大,安装困难,存在电源引线。微型磁闭合回路取电体积小,可靠性较高。但 CT 原理取电存在弱电流取电困难的问题。感应取电方式传感器硬件复杂,硬件的可靠性和稳定性都难以得到保证。

             综上所述,现存的测温方式都或多或少存在一定问题,大多受到苛刻的环境条件及电磁干扰的影响,无法满足对电力行业中的高压设备温度进行准确测量、灵敏报警,并长期稳定运行的要求。

     

    无源无线测温技术介绍

    无源无线测温技术是根据温度变化引起声表面波器件固有谐振频率的变化而实现温度测量的。其核心部件是声表面波谐振器,分延迟线型和谐振型两类,单端口谐振型声表面波谐振器。在压电材料基片表面中央制备一对叉指换能器,在其两侧配置两组周期性排列的多条反射栅阵列,构成法布里—珀罗谐振腔,叉指换能器既作输入又作输出,当有射频电磁波入射到叉指换能器上,在压电基片的表面激励出声表面波,经反射栅反射到叉指换能器再转换为电磁波形成射频反射波。谐振器的固有谐振频率由叉指换能器的几何尺寸和声表面波的传播速度决定,当温度变化时,可引起固有谐振频率的变化。


    通过合理选择叉指换能器几何尺寸、基片晶体材料及切向,可以使温度系数的高阶项近似为零,实现固有谐振频率与温度的近似线性关系,只要获得固有谐振频率就可确定其温度。

    入射波采用间歇正弦波,在入射波消失后其反射波为幅度衰减的振荡信号,振荡的中心频率为谐振器的固有谐振频率,只须检测出反射波的频率就可确定温度。因此SAW谐振器可以构成无源无线测温技术中的温度传感器,实现无源无线测温。

     


    无源无线测温技术的优势

    1.         温度传感器采用新一代的无源无线测温技术,不用电池、无需接线、随意安置在温度待测点上。

    2.         每个温度采集器都有独立的微处理器,能够接收来自无源无线温度传感器的信号,执行事先预设的控制程序,而不依赖于总线控制。

    3.         具有强大的容错功能,任一温度采集器损坏,都不会影响其它控制器运行,系统维护方便。

    4.         具有强大的可扩展性,增加功能或测温点时,只需增加相应的温度传感器或采集器,系统内原有的硬件、接线无需改动。

    5.         提供集中管理及远程、移动控制功能。

    6.         建设期间可大幅减少铺设管线的数量和施工的费用,综合造价大幅降低。

    7.         系统投入使用后,如要改变其控制关系、数量和方式,只需通过软件重新定义即可实现。

    无源无线测温技术的应用

    1.      大型火力、水力、核能发电设备:

    大型火力、水力、核能发电设备的发电机组,它们长期、稳定、安全运行,离不开现场对系统的温度实时在线监测。发电设备中大部分设备处于高温、高湿、强电磁干扰等恶劣工作环境下,对这些电力设备的监控,光纤传感器或有源无线方案就显得力不从心了。而声表面波传感器无需供电,具有纯无源特性。高温、高湿、强电磁对于无电子线路结构的传感器没有任何影响,所以无源无线测温技术非常适合在大型火力、水力、核能发电设备中的应用。


     

    2.      高压输电线路:

    架空高压输电线路输电过程中,线路的垂度关系到它运行的稳定性和安全性,而线路垂度影响输电线路线运行温度,对线路温度的测量能很好监控输电线路状态。为了测量架空输电线路的导线温度,可以在架空高压铁塔的接头导线上安装温度传感器。由于架空输电线路周围区域的高电应力和强磁场,普通传感器无法满足要求,利用无源无线声表面波温度传感器,安装点上导线的温度就可以被实时获取。并且数据可以通过无线网络上传至监控中心。通过实时监控获得导线运行温度,监测和分析输电网,监测输电线路状态,这对优化线路性能,保障电力供应方面起着至关重要的作用。

     

    3.      电力开关柜和断路器:

    高压开关柜内空间狭小,母排、母排支架之间排列紧密,且高压条件下电气安全距离要求极其严格。针对空间狭小的开关柜和断路器的温度监控,性能较高的常用测温方式包括光纤测温、有源无线电子式测温和红外测温,光纤传感测温不易或无法安装,工程实现难度大,甚至可能因为有线的连接方式而无法满足电气安全距离要求,给系统带来安全隐患。对于有源无线电子式测温最大的安全风险在于构成测温的电子线路无法经受接头处的高电压大电流或是放电冲击,可靠性和安全性尚待验证。对于开关柜内设备和断路器,它们位于电气设备内部,位置复杂,红外测温巡检难以操作。


     

    与前面的测温方式相比,这些缺点正是声表面波无源无线测温技术的长处。目前无源无线测温系统已经有成熟的方案,一个完整的电力开关柜无源无线温度监控系统包括传感器、数据采集器和后台监控软件三部分。前端的传感器可以方便安装在被测点上,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,采集器将收集来温度信号重新打包,发送至后台监控软件,实现对高压带电体的运行温度的非接触温度测量。



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