高敏，高金明

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015）

聲表面波測(cè)溫技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

高敏，高金明

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015）

為了避免高壓電器設(shè)備的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生火災(zāi)事故，提出了一種基于聲表面波的測(cè)溫技術(shù)，分析了該測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)的不同點(diǎn)，介紹了聲表面波的測(cè)溫原理并形成了完整的無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用于某風(fēng)電場(chǎng)變頻器柜內(nèi)溫度的測(cè)量，運(yùn)行情況良好，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量柜內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度。

聲表面波；無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)；風(fēng)機(jī)變頻器；抗電磁干擾

0 引言

風(fēng)電場(chǎng)中，溫度是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，變頻器和開(kāi)關(guān)柜的母排連接處、高壓出線處、電纜接頭等開(kāi)斷接觸點(diǎn)由于老化、表面氧化、連接不緊密、接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，這些發(fā)熱無(wú)法在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生，因此，在線測(cè)溫非常有助于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行。目前常用的高壓設(shè)備在線測(cè)溫方式包含紅外測(cè)溫、光纖測(cè)溫和有源無(wú)線測(cè)溫3種，這些測(cè)溫方式在安全性、實(shí)用性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性等方面均存在一定缺陷。最常用的有源無(wú)線溫度傳感技術(shù)是將溫度數(shù)字化，然后通過(guò)無(wú)線的方式傳輸信號(hào)［1］，該技術(shù)使用的傳感器尺寸較大，需要經(jīng)常更換電池，系統(tǒng)維護(hù)成本高且存在一定的安全隱患。本文提出了一種基于聲表面波（SAW）技術(shù)［2］的無(wú)線無(wú)源測(cè)溫技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)變頻器的溫度在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，能夠安全、穩(wěn)定地測(cè)量變頻器關(guān)鍵部件的精確溫度，并有效解決了傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性等方面的問(wèn)題。

1 目前風(fēng)機(jī)變頻器測(cè)溫方案

由于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)地域分布廣以及環(huán)境特殊等原因，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)變頻器測(cè)溫存在以下幾個(gè)難點(diǎn)［3］。

（1）電磁干擾強(qiáng)。電場(chǎng)電壓高達(dá)幾萬(wàn)伏，變頻器內(nèi)高次諧波較多，存在較強(qiáng)的電磁干擾。

（2）數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)備分布區(qū)域較廣，風(fēng)機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要遠(yuǎn)程傳輸至集控中心，最遠(yuǎn)的風(fēng)機(jī)距離集控中心達(dá)10 km左右。

（3）傳感器與外界完全隔離。變頻器內(nèi)布線、用電存在安全隱患，使用有源無(wú)線傳感器時(shí)供電問(wèn)題難以解決。

（4）安裝空間小。變頻器內(nèi)元器件排布緊密，在不改動(dòng)變頻器原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可安裝第三方元器件的空間很小。

目前，用于風(fēng)機(jī)變頻器的測(cè)溫方法包括紅外測(cè)溫以及無(wú)線測(cè)溫。

（1）紅外測(cè)溫。紅外測(cè)溫［4］為非接觸式測(cè)溫方式，常用紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度，適用于人工巡檢，由于紅外測(cè)溫使用靈活，現(xiàn)已成為檢測(cè)風(fēng)電場(chǎng)各高壓設(shè)備溫度的重要手段。紅外測(cè)溫儀的缺點(diǎn)是體積大，成本高，抗電磁干擾能力弱，測(cè)量精度與距離有關(guān)，不能準(zhǔn)確把握測(cè)量精度，并且紅外測(cè)溫不能繞過(guò)遮擋物，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量變頻器內(nèi)關(guān)鍵部位的溫度。

（2）無(wú)線測(cè)溫。目前，風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)線測(cè)溫大多采用有源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)［5］，該系統(tǒng)傳感器需要電池供電或小型電流互感器（CT）取能供電。電池供電壽命有限，需經(jīng)常更換電池，并且設(shè)備運(yùn)行溫度過(guò)高時(shí)，電池存在爆炸隱患；而小CT供電是通過(guò)感應(yīng)高壓母線上的交變電流取得電能，接頭較小時(shí)傳感器供電不足，接頭較大時(shí)小CT易被燒壞?？傊壳俺Ｓ玫挠性礋o(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)安裝在變頻器內(nèi)，給變頻器的正常工作帶來(lái)了較大的安全隱患。

2 聲表面波測(cè)溫技術(shù)概述

2.1 聲表面波技術(shù)簡(jiǎn)介

聲表面波是一種能量集中于固體表面的彈性波，沿著固體半空間表面?zhèn)鬏?，又稱為表面聲波。聲表面波技術(shù)特點(diǎn)如下［6］。

（1）波長(zhǎng)極短，器件尺寸小。在電磁波領(lǐng)域內(nèi)，采用電磁波原理的器件尺寸與電磁波的波長(zhǎng)成正比，而聲表面波的波長(zhǎng)僅為普通電磁波波長(zhǎng)的十萬(wàn)分之一，所以應(yīng)用聲表面波技術(shù)所生產(chǎn)器件的尺寸較小，應(yīng)用安裝方式較多。

（2）易于生產(chǎn)。聲表面波器件是在單晶材料上用半導(dǎo)體平面工藝制作而成的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)、生產(chǎn)工藝可重復(fù)性強(qiáng)，便于大量生產(chǎn)。

（3）靈活性大。由于聲表面波波長(zhǎng)較短，在固體表面?zhèn)鬏斔俣容^慢，具有良好的瞬時(shí)性，易于聲表面波信號(hào)的取樣和變換，可操作性強(qiáng)，能夠完成許多普通器件無(wú)法完成的工作。

（4）抗干擾能力強(qiáng)。聲表面波的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)100 dB，對(duì)外界信號(hào)的干擾具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，抗干擾能力較強(qiáng)。

2.2 聲表面波測(cè)溫原理

聲表面波測(cè)溫原理如圖1所示，無(wú)線射頻信號(hào)在無(wú)線采集器的天線與傳感器之間傳輸，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送與讀取，具體步驟如下。

圖1 聲表面波測(cè)溫原理

（1）采集器通過(guò)天線將無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)送至傳感器作為觸發(fā)信號(hào)。

（2）聲表面波傳感器接收到觸發(fā)信號(hào)后在表面產(chǎn)生聲表面波，波形以3 km／s的速度沿固體表面?zhèn)鞑?，最終由叉指換能器（IDT）轉(zhuǎn)換為無(wú)線射頻信號(hào)反饋給采集器。

（3）采集器接收到傳感器反饋的無(wú)線射頻信號(hào)后，通過(guò)測(cè)量射頻信號(hào)的頻率變化計(jì)算出固體表面的溫度。

聲表面波無(wú)源傳感器（如圖2所示）由壓電基片、IDT和左右反射柵組成［7］。當(dāng)激勵(lì)頻率f等于傳感器固有頻率f0時(shí)，傳感器發(fā)生諧振。溫度與固有頻率的關(guān)系為［8］

圖2 聲表面波測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu)示意［7］

式中：t為測(cè)量溫度；t0為參考溫度；a（i）f為參考溫度下i階溫度系數(shù)，通常忽略3階以上項(xiàng)。

經(jīng)合理設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)線性的溫度和固有頻率關(guān)系。

3 無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)解決方案

3.1 無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)組成

無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器獲取觸點(diǎn)溫度，將溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)綔囟炔杉鬟M(jìn)行相應(yīng)的處理，進(jìn)而傳輸?shù)奖O(jiān)控終端及保護(hù)回路，系統(tǒng)整體框架如圖3所示。

圖3 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)框架

為了更好地測(cè)量變頻器內(nèi)關(guān)鍵位置的溫度，系統(tǒng)采用2個(gè)讀取器和4個(gè)天線，每個(gè)天線接收3個(gè)傳感器的溫度信號(hào)，在高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)每相安裝1個(gè)讀取器，讀取器接收的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸至中控室，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)包括前端采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊以及監(jiān)控模塊，由溫度傳感器、天線、溫度采集器、電源適配器及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。前端采集模塊為溫度傳感器，直接安裝在被測(cè)物體表面，負(fù)責(zé)接收、探詢射頻信號(hào)，并返回帶溫度信息的射頻信號(hào)到采集器。數(shù)據(jù)讀取模塊完成射頻信號(hào)的放大、濾波及A／D轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊（無(wú)線傳輸、串口通信以及光纖傳輸）將溫度數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)監(jiān)控模塊進(jìn)行顯示、報(bào)警提示。

3.2 無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)安裝方案

無(wú)源無(wú)線傳感器的發(fā)射信號(hào)很弱，所以讀取器和天線的安裝位置尤為關(guān)鍵。用于測(cè)量變頻器內(nèi)元器件溫度時(shí)，天線應(yīng)放置在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，通過(guò)強(qiáng)力磁鐵吸附在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)壁上；為了能夠更好地接收信號(hào)，傳感器之間的距離應(yīng)盡量大于20 cm，天線與傳感器豎直方向盡可能平行，傳感器信號(hào)通過(guò)天線的反射角度約為30°；由于傳感器為無(wú)源無(wú)線溫度傳感器，所以柜內(nèi)無(wú)任何取電線路。無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)理論安裝方案如圖5所示。

圖5 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)理論安裝方案

根據(jù)理論安裝方案，在某風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)變頻器內(nèi)共安裝4組傳感器和4個(gè)天線，每組傳感器為3個(gè)，系統(tǒng)安裝分布如圖6所示。

圖6 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)變頻器內(nèi)安裝位置

4 無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用

基于聲表面波技術(shù)的無(wú)線無(wú)源測(cè)溫系統(tǒng)在某風(fēng)電場(chǎng)安裝后，運(yùn)行情況良好，無(wú)任何故障和安全事故，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量風(fēng)機(jī)變頻器的溫度，用戶可通過(guò)設(shè)置溫度報(bào)警閾值給出變頻器的危險(xiǎn)溫度，溫度超過(guò)閾值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，用戶采取相應(yīng)措施，防止事故的發(fā)生。無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖7所示。

系統(tǒng)自動(dòng)記錄歷史溫度值并形成溫度曲線，每個(gè)傳感器用不同顏色區(qū)分，用戶需要了解歷史溫度值時(shí)，可通過(guò)查詢溫度曲線查看對(duì)應(yīng)時(shí)間的溫度值。當(dāng)某一時(shí)間溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并且自動(dòng)記錄報(bào)警時(shí)間和溫度，為用戶提供直觀的數(shù)據(jù)支持。

圖7 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行情況

5 結(jié)論

無(wú)源無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)采用聲表面波傳感技術(shù)進(jìn)行測(cè)溫，實(shí)現(xiàn)了高壓隔離，無(wú)需電池，安全性極高，傳感器尺寸小，安裝方便靈活；同時(shí)，無(wú)線射頻信號(hào)具有一定的穿透繞射能力，能夠測(cè)量存在障礙物的關(guān)鍵部位的溫度；系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，運(yùn)行穩(wěn)定性較高。該系統(tǒng)應(yīng)用于某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)變頻器柜內(nèi)溫度的測(cè)量，運(yùn)行情況良好，能夠準(zhǔn)確、可靠地測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的溫度并上傳至監(jiān)控終端，系統(tǒng)根據(jù)記錄的溫度形成溫度曲線及報(bào)表，可供用戶隨時(shí)查詢。

［1］黃智偉，朱榮輝，朱衛(wèi)華.無(wú)線數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感器技術(shù)，2002（9）：31-33.

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（本文責(zé)編：劉芳）

TM 83

B

1674-1951（2015）07-0068-03

高敏（1989—），男，江西九江人，助理工程師，工學(xué)碩士，從事電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)等方面的工作（E-mail：gaom＠hdmdi.com）。

2014-11-18；

2015-05-25