淺談無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫中的研究與應(yīng)用

    李茫茫

    安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

     摘要:針對(duì)聲波表面波無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

    關(guān)鍵詞:聲波表面;傳感器;開(kāi)關(guān)柜

     

    1 概述

    溫度是表征電力一次設(shè)備運(yùn)行正常的一個(gè)重要參數(shù)。隨著用電量的急劇增長(zhǎng),為了滿(mǎn)足用電需求,導(dǎo)致變電站的開(kāi)關(guān)柜等高壓設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在限狀態(tài),過(guò)負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致一次設(shè)備的發(fā)熱及過(guò)熱,這一現(xiàn)象在負(fù)荷增長(zhǎng)較快的地區(qū)顯得尤為普遍。這些情況如不及時(shí)得到監(jiān)控,及時(shí)處理,都將發(fā)生不可預(yù)測(cè)的大事故。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),即可知道開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行工況,通過(guò)電網(wǎng)信息資源整合,就可為狀態(tài)檢修提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

     

    2 聲表面波技術(shù)基本原理

    聲表面波(SAW)是指能量集中在物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?聲表面波叉指換能器是一個(gè)非常重要的聲表面波器件。自從出現(xiàn)了叉指換能器,才使聲表面波技術(shù)以及聲表面波傳感器得到了具有實(shí)用**的飛速發(fā)展。到目前為止,叉指換能器是可實(shí)用的聲表面波換能器。如下圖所示為叉指換能器的基本結(jié)構(gòu),它由許多金屬膜電組成,這些電淀積在壓電材料襯底上,它們互相交叉放置,兩端再經(jīng)過(guò)匯流條把它們連在一起,由于其形狀像交叉平放的兩排手指,故稱(chēng)為均勻叉指換能器。叉指周期可以通過(guò)以下公式計(jì)算:T=2a+2b。當(dāng)兩相鄰電構(gòu)成一個(gè)電對(duì),它們相互重疊的長(zhǎng)度為有效指長(zhǎng),即換能器的孔徑,記為W。若換能器的各電對(duì)重疊長(zhǎng)度相等,則叫等孔徑(或等指長(zhǎng))叉指換能器。

    (叉指換能器)

    聲表面波傳感器采集原理是基于聲表面波諧振器的頻率可變特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的,即諧振器的頻率會(huì)隨著被測(cè)量的某些變化而改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)的。因此,聲表面波傳感器的關(guān)鍵器件就是聲表面波諧振器。聲表面波諧振器主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式。一種以聲表面波諧振子為,一種以聲表面波延遲線(xiàn)為,再配以適當(dāng)?shù)姆糯笃鹘M成。由SAWR構(gòu)成的聲表面波諧振是目前在甚高頻和高頻段實(shí)現(xiàn)高Q值的器件。Q值代表通頻帶寬度,Q值越大,通頻帶越窄,選頻特性越好。

    SAWR由一對(duì)叉指換能器及金屬柵條式反射器構(gòu)成。兩個(gè)叉指換能器一個(gè)用作**聲表面波,一個(gè)用作接收聲表面波。叉指換能器和反射器采用半導(dǎo)體集成工藝,它將金屬鋁淀積在壓電基底材料上,然后再用光刻技術(shù)將金屬薄膜刻成一定尺寸及形狀的特殊結(jié)構(gòu)。叉指換能器的指寬、叉指間隔以及反射器柵條寬度、間隔都必須根據(jù)中心頻率、Q值的大小、對(duì)噪聲抑制的程度和損耗大小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作。

    將聲表面波諧振子的輸出信號(hào)經(jīng)放大電路放大后,反饋到它的輸入端。只要放大電路的增益能補(bǔ)償諧振子和其連接導(dǎo)線(xiàn)的部分損耗,同時(shí)能滿(mǎn)足相應(yīng)的相位條件,那么諧振子就可以起振、自激勵(lì)。起振后的聲表面波諧振子的諧振頻率會(huì)隨著溫度的變化、壓電基底材料的變形等因素影響而發(fā)生變化。因此,聲表波諧振器可用來(lái)做成測(cè)量各種物理量的傳感器。若用聲表面波延遲線(xiàn)為作成諧振器,并在兩叉指電之間涂覆一層敏感的材料,就可制成SAW溫度傳感器。

     

    3 無(wú)源無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的基本構(gòu)成

    無(wú)源無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫傳感器、采集主機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控軟件組成。采集傳感器不需要供電,可以方便的安裝在高壓設(shè)備上,的跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化,測(cè)溫傳感器于采集主機(jī)之間采用無(wú)線(xiàn)通訊純絕緣系統(tǒng),安全性能好。

    一個(gè)開(kāi)關(guān)柜安裝6個(gè)傳感器測(cè)量各動(dòng)靜觸點(diǎn)溫度,這6個(gè)傳感器的溫度采集信息的收發(fā)和管理由一個(gè)溫度采集器統(tǒng)一完成。溫度采集主機(jī)把傳感器采集到的溫度進(jìn)行重新打包封裝,通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)個(gè)監(jiān)控主機(jī)。變電站內(nèi)多個(gè)開(kāi)關(guān)柜通過(guò)采集器之間組成CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)本地傳輸,再由測(cè)溫主控終端統(tǒng)一進(jìn)行站內(nèi)所有開(kāi)關(guān)柜溫度運(yùn)行信息的采集、告警和管理。

    測(cè)溫主控終端通常安裝在變電站主控室或者保護(hù)室,既可以通過(guò)LCD顯示終端屏進(jìn)行溫度信息的本地顯示,也可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口按照*的標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約傳入SCADA系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線(xiàn)溫度監(jiān)控、分析以及預(yù)警。

    后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)可以是單獨(dú)的工作站,也可以是電網(wǎng)系統(tǒng)的SCAD平臺(tái)或者告警平臺(tái),平臺(tái)獲取無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度測(cè)量裝置測(cè)量的溫度信息,放入數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一的管理;通過(guò)電力數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取其他相關(guān)數(shù)據(jù),如:電力負(fù)荷、設(shè)備其他運(yùn)行狀態(tài)等;對(duì)各類(lèi)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理、轉(zhuǎn)換使之成為分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的重要依據(jù)。通過(guò)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)、歷史溫度數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)提供表格、圖形等多種形式的展現(xiàn)??梢院苤庇^(guān)的獲得電網(wǎng)各個(gè)位置上設(shè)備的運(yùn)行溫度狀況,便于運(yùn)行管理人員進(jìn)行全局掌握,同時(shí)對(duì)運(yùn)行溫度較高的設(shè)備進(jìn)行跟蹤觀(guān)察。

     

    4 安科瑞無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)介紹與選型

    安科瑞無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的要求,在廣泛征求用戶(hù)和家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家的成功案例,并結(jié)合安科瑞多年來(lái)的豐富經(jīng)驗(yàn),采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計(jì)思想,結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的一款無(wú)線(xiàn)測(cè)溫軟件。

    4.1 Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS485總線(xiàn)或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進(jìn)行通信(如圖1),系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循**標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約,可靠性和開(kāi)放性都得到了很大地提高。

    Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線(xiàn)、棒圖、報(bào)表和用戶(hù)管理功能??梢员O(jiān)控?zé)o線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況,實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng),預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

    Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)是開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),硬件兼容性強(qiáng),軟件移植性好,應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力,快速的事件響應(yīng),友好的人機(jī)界面,方便的擴(kuò)充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)軟件工程的設(shè)計(jì)規(guī)范,模塊劃分合理,接口簡(jiǎn)捷明了,主要包括主控模塊、人機(jī)界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

     

    圖1 Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    4.2 Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)功能

    ■實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

    Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好,能夠以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息

    ■溫度查詢(xún)

    溫度歷史曲線(xiàn)(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選)

    ■運(yùn)行報(bào)表

    查詢(xún)各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表.

    ■實(shí)時(shí)報(bào)警

    壁掛式無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能,設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。

    ■設(shè)備提供以下凡種告警方式:

    a.彈岀事件報(bào)驚窗口.

    b.實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警.

    C.短信吿警,可以向*手機(jī)號(hào)碼發(fā)送吿警信息短信(需選配短信貓).

    ■歷史告警査詢(xún)

    Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯,查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、事故分析。

    ■用戶(hù)權(quán)限管理

    Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)為**系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶(hù)權(quán)限管理功能。

    通過(guò)用戶(hù)權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如數(shù)據(jù)庫(kù)修改等)??梢远x不同級(jí)別用戶(hù)的 登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的**。

    ■定值設(shè)置

    用于修改高溫定值、溫定值。

    ■WEB(可選)

    展示頁(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量等概況信息, 設(shè)備溫度、通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。首頁(yè)顯示場(chǎng)站的變壓器數(shù)量、回路個(gè)數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、用電量、事件記錄等概況信息,可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可監(jiān)測(cè)各個(gè)回路的測(cè)點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線(xiàn)信息。

    接線(xiàn)圖頁(yè)面通過(guò)一次圖實(shí)時(shí)反映電氣參數(shù)變化,包括測(cè)量量、信號(hào)量等信息(信號(hào)量 需要斷路器提供輔助觸點(diǎn)支持)。

    能耗統(tǒng)計(jì)頁(yè)面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值,功率、電能趨勢(shì)曲線(xiàn),電能環(huán)比,用電排名。

    運(yùn)維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測(cè)接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。

    ■手機(jī)APP(可選)

    設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線(xiàn)。

    4.3 安科瑞ARTM系列無(wú)線(xiàn)測(cè)溫終端產(chǎn)品選型

    安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫方案由無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn),將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)傳至接收裝置,再由接收器485通訊至測(cè)溫終端或無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)(如圖2)。

     

    圖2 電氣接點(diǎn)在線(xiàn)測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖

    4.3.1 安科瑞無(wú)線(xiàn)溫度傳感器

    無(wú)線(xiàn)溫度傳感器共有5種,分別對(duì)應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對(duì)不同的變電站要求,可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同,考慮安裝方便的因素,選擇相匹配的傳感器。

    物料名稱(chēng)

    型號(hào)

    參數(shù)說(shuō)明

     

     

     

     

    電池型無(wú)線(xiàn)測(cè)溫傳感器

     

    ATE100

    電池供電,壽命≥5年;-40℃~+125℃;

    2.4GHz,空曠距離10米;

    102.37*47.93*23mm,φ13.5mm(長(zhǎng)*寬*高,孔徑)。

     

    ATE200

    電池供電,壽命≥5年;-40℃~+125℃;

    2.4GHz,空曠距離10米;

    44.17*30*18.5mm,L=325.40mm(長(zhǎng)*寬*高,三色表帶)。

     

    ATE300B

    電池供電,壽命≥5年;-10℃~+125℃;

    470MHz,空曠距離150米;

    49.95*35.95*22mm(長(zhǎng)*寬*高)。

     

     

    CT取電型無(wú)線(xiàn)測(cè)溫傳感器

     

    ATE300

    CT感應(yīng)取電,啟動(dòng)電流≥5a;-10℃~+125℃;

    470MHz,空曠距離150米;

    扎帶固定,合金片取電;73*33.5*16mm(長(zhǎng)*寬*高)。

     

    ATE400

    CT感應(yīng)取電,啟動(dòng)電流≥5a;-50℃~125℃;

    433MHz,空曠距離150米;

    合金片固定、取電;三色外殼;25.82*20.42*12.8mm(長(zhǎng)*寬*高)。

    4.3.2 安科瑞無(wú)線(xiàn)收發(fā)器

    無(wú)線(xiàn)測(cè)溫收發(fā)器共有3種,通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號(hào)進(jìn)行匹配,同時(shí)傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

    物料名稱(chēng)

    型號(hào)

    參數(shù)說(shuō)明

     

     

    無(wú)線(xiàn)收發(fā)器

    ATC200

    可接收12個(gè)ATE100/200

    ATC400

    可接收240個(gè)ATE300/ATE300B

    ATC450-C

    可接收240個(gè)ATE400

    4.3.3 安科瑞顯示終端

    顯示裝置通過(guò)RS485連接收發(fā)器,可嵌入式安裝于柜體上,若柜體開(kāi)孔不便,也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)查看電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí),也可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺(tái)系統(tǒng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

    物料名稱(chēng)

    型號(hào)

    參數(shù)說(shuō)明

    顯示終端

    ARTM-Pn

    面框96*96*17mm,深度65mm;開(kāi)孔92*92mm;

    AC85-265V或DC100-300V供電;

    一路上行RS485接口,Modbus協(xié)議;

    可接收60個(gè)ATE100/200/300/400;配套ATC200/300/450。

    顯示終端

    ASD320

    ASD300

    面框237.5*177.5*15.3mm,深度67mm;開(kāi)孔220*165mm;

    AC85-265V或DC100-300V供電;

    一路上行RS485接口,Modbus協(xié)議;

    可接收12個(gè)ATE100/200/300/400;配套ATC200/300/450。

    顯示終端

    ATP007

    ATP010

    面框226.5*163*6mm,深度70mm;開(kāi)孔215*152mm;

    DC24V供電;一路上行RS485接口;一路下行RS485接口;

    可接收20個(gè)ATC200/1個(gè)ATC400/1個(gè)ATC450-C。

    智能溫度巡檢儀

    ARTM-8

    開(kāi)孔88*88mm 嵌入式按照;

    AC85-265V或DC100-300V供電;

    一路上行RS485接口,Modbus協(xié)議;

    可接入8路PT100傳感器,適用于低壓開(kāi)關(guān)柜電氣接點(diǎn)、變壓器繞組、點(diǎn)擊繞組等場(chǎng)合的測(cè)溫;

    智能溫度巡檢儀

    ARTM-24

    35MM導(dǎo)軌安裝;

    AC85-265V或DC100-300V供電;

    一路上行RS485接口,Modbus協(xié)議;

    24路NTC或PT100、1路溫濕度測(cè)溫、2路繼電器告警輸出,用于低壓電氣接點(diǎn)、變壓器繞組、點(diǎn)擊繞組等場(chǎng)所測(cè)溫;

    無(wú)線(xiàn)測(cè)溫集中集中采集設(shè)備

    Acrel-2000T/A

    壁掛式安裝

    標(biāo)配一路485接口、一路以太網(wǎng)口

    自帶蜂鳴器告警

    柜體尺寸480*420*200 (單位mm)

    無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備

    Acrel-2000T/B

    硬件:內(nèi)存4G,硬盤(pán)128G,以太網(wǎng)口

    顯示器:12寸,分辨率800*600

    操作系統(tǒng):Windows7

    數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng):Microsoft SQL Server 2008 R2

    可選Web平臺(tái)/APP服務(wù)器

    柜體尺寸為480*420*200(單位mm)

     

    5 創(chuàng)新及應(yīng)用

    基于聲表面波的傳感器是無(wú)源傳感器,后期維護(hù)方便,安裝簡(jiǎn)單,測(cè)量精度高,抗干擾能力強(qiáng)。該傳感器可廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)柜、電線(xiàn)電纜、變壓器等一次設(shè)備的發(fā)熱點(diǎn)。

     

    【參考文獻(xiàn)】

    [1] 王玉田,趙一鳴,沈國(guó)偉.基于聲表面波的某無(wú)線(xiàn)原距識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2004-01-30.

    [2] 曾強(qiáng).無(wú)源供電無(wú)線(xiàn)測(cè)溫在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究應(yīng)用[J].科技傳播,2015-05-08.

    [3] 王一博,張志剛,劉士峰,白樹(shù)蕓,妥生慧,王江城.聲波表面波無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫中的研究與應(yīng)用.

    [4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.

     

    作者簡(jiǎn)介:李茫茫,女。任職單位:現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司




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  • 詞條

    詞條說(shuō)明

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