聲表面波（SAW）技術起始于是60年代末期， 是聲學、電子學、光學、半導體材料和工藝相結合的一門學科。我國對于聲表面波技術的研究是從1970年前后開始，經過近四十年的研究和發展，已形成了從理論研究、材料開發到器件設計及制作、系統應用的完整體系。

聲表面波傳感器是近十幾來年發展起來的新型傳感器，其可以被開發成為測量機械應變、壓力、氣體、微小位移、以及溫度等參數的傳感器，用途廣泛。另一方面聲表面波傳感器體積小、重量輕，抗干擾能力強，檢測范圍線性度好，同時具有良好的熱性能和機械性，能適合遠距離傳輸和實現遙測遙控。這些特性使得SAW傳感器在復雜的電力系統狀態監控中的應用前景廣闊。

在電力系統中，發電廠的轉子定子、變電站的高壓開關柜、母線接頭、室外刀閘開關、電容器、電抗器、高壓電纜、變壓器等重要設備的異常、故障，最初都伴隨著局部或整體的過熱或溫度分布相對異常，一旦出現故障，就會影響整個區域的電力供應，造成巨大的經濟損失，成為重大的安全事故，所以對電力設備的溫度在線監控顯得十分必要。

目前，現有針對電力設備溫度監測的技術方案主要有：紅外熱成像技術、有源無線測溫、分布式光纖測溫、無源無線測溫等。使用紅外熱成像技術測溫要求技術人員定期對電力設備逐個掃描巡檢，定時周期長加上熱像儀分辨率、環境條件變化、人員技術水平及對設備結構了解程度等因素的影響，較難準確分析判斷，無法在線實時監控，使得難以發現和消除可能存在的隱患。

若采用有源無線測溫方案，使用電池或是CT取能給測溫芯片供電，傳感距離非常遠，可采用各種電路，控制和處理方便、靈活，方便分配設備ID便于實現傳感器陣列，但是其在惡劣環境下的穩定性尚待驗證。

同時，對于某些場合，如電容器組來說，面對電容器難以取能供電，傳感位置電池不易更換的情況，這種有源無線傳感方案顯然不實用。分布式光纖測溫的電網狀態監控中有一定的應用，但在高電壓，大電流、高濕度等惡劣的條件下存在嚴重的安全隱患，如粉塵、水霧在光纖線表面的積聚會使光纖的絕緣性降低，容易引發事故。同時光纖分布式光纖測溫系統價格昂貴，設備復雜，使其實用性大大降低。

SAW溫度傳感器在電力設備的狀態監控中優勢明顯。在電力系統中，電力設備出現發熱的原因可能如下：

• 1.大型火力、水力、核能發電機設備長期工作于潮濕、高溫的惡劣環境下，老化磨損厲害，設備發熱嚴重；
• 2.觸點通常要能承受高達到千安的正常工作電流，產生大量焦耳熱；
• 3.在長期運行過程中，開關的觸點和母線連接等連接點因老化或磨損導致接觸電阻過大而發熱；
• 4.接點例如高壓柜內有裸露高壓，空間封閉狹小，熱量積聚。
• 5.設備如電容器和電抗器頻繁動作，老化迅速，導致溫度分布異常；
• 6.電氣設備的絕緣性能因老化而降低，發熱明顯。

隨著SAW傳感器的開發應用，針對發電廠的轉子定子、變電站的高壓開關柜、母線接頭、室外刀閘開關、電容器、電抗器、高壓電纜、變壓器等電力設備的溫度監控需求，SAW傳感器在電力系統中的應用已全面展開：

一．大型火力、水力、核能發電設備

圖1 電廠設備和發電機定子轉子

大型火力、水力、核能發電設備的發電機組的長期、穩定、安全運行，離不開現場對系統的溫度實時在線監測。圖1所示發電設備中大部分設備處于高溫、高濕、強電磁干擾等惡劣工作環境下，另一些設備如電機轉子處于高速旋轉的狀態，對這些電力設備的監控，光纖傳感或有源無線方案就顯得力不從心，高濕度的環境使的絕緣光纖的絕緣性能大大降低，給發電設備帶來了巨大的潛在風險，有源方案在高濕的環境下電池或取能CT將無法使用。

而聲表面波傳感器傳感頭無需供電，具有純無源特性。高溫、高濕、強電磁對于無電子線路結構的SAW傳感器無任何影響。同時SAW芯片體積非常小，即使在高速旋轉的電機轉子上也安裝方便。所以SAW傳感器非常適合在大型火力、水力、核能發電設備中的應用。

二．高壓輸電線路

圖2 架空高壓線路

圖2中架空高壓輸電線路輸電過程中，線路的垂度關系到它運行的穩定性和安全性，線路垂度影響輸電線路線運行溫度，對線路溫度的測量能很好監控輸電線路狀態。為了測量架空輸電線路的導線溫度，可以在架空高壓鐵塔的接頭導線上安裝溫度傳感器。

由于架空輸電線路周圍區域的高電應力和強磁場，普通傳感器無法滿足要求，利用無源聲表面波溫度傳感器，安裝點上導線的溫度就可以被實時獲取。并且數據可以通過無線網絡上傳至監控中心。通過實時監控獲得導線運行溫度，監測和分析輸電網，監測輸電線路狀態，這對優化線路性能，保障電力供應方面起著至關重要的作用。

三．變電站電容器，電抗器組

圖3 電力電抗器和電容器

變電站處于輸電線路和用戶設備之間，關系到電能質量和電網的穩定性，作用十分關鍵。在變電站里安裝有大量的電力電容器、電抗器組，實物參考見圖3。電力電容器是一種無功補償裝置。電力系統的負荷和供電設備如電動機、變壓器、互感器等，除了消耗有功功率以外，還要“吸收”無功功率。如果這些無功電力都由發電機供給，必將影響它的有功輸出，不但不經濟，而且會造成電壓質量低劣，影響用戶使用。變電站的電容器能有效的無功補償，改善電能質量。電容器工作過程中，溫度對電容器的運行影響很大。

有試驗表明，當溫度升高10℃，電容器的電容量下降速度將加快一倍，電容器長期處于高場強和高溫下運行將引起絕緣介質老化和介質損耗角的增大，使電容器內部溫升超過允許值而發熱，縮短電容器的使用壽命，嚴重時在高電場強度作用下導致電容器熱擊穿而損壞。針對電容器的狀態監控，先前多數技術側重于對電容器內的絕緣油在過熱、放電作用下產生的故障特征氣體的成分、含量等進行在線監測來監測電容器的性能。隨著技術的進步，這種監測手段顯得不夠簡潔，設備安裝復雜，使用不夠靈活。需要更先進的技術替代。

電抗器是用來吸收電纜線路的充電容性無功的。可以通過調整電抗器的數量和級聯方式來調整運行電壓、改善電能質量。電抗器在運行過程中,往往會因為一些外部環境、自身結構等原因，導致電抗器在運行過程中會產生局部溫升過高、過熱,并最終導致電抗器的局部燒壞,甚至報廢。所以對電抗器溫度的監控十分重要。目前針對電容器和電抗器的溫度監測已經有多種技術手段，它們大多有或多或少的局限性。新型的SAW溫度傳感器在電容器、電抗器狀態監控的應用中，優點突出。

無源的特點使探頭幾乎不受外界環境的影響，無線式溫度信息讀取方式使得工程應用擺脫了走線的苦惱。多個測溫無源探頭可以安裝在任何需要監控的測溫點，多點組合監控設備的溫度變化。使得用戶能實時迅速監測電容器和電抗器的狀態變化，盡快的發現問題，排除故障，保證電網的可靠運作。

四．電力開關柜和斷路器

圖4 斷路器觸頭和電力開關柜

高壓開關設備母線室內空間狹小，母排、母排支架之間排列緊密，且高壓條件下電氣安全距離要求極其嚴格。

針對圖4所示空間狹小的開關柜和斷路器的溫度監控，性能較高的常用測溫方式包括光纖測溫、有源無線電子式測溫和紅外測溫，光纖傳感測溫不易或無法安裝，工程實現難度大，甚至可能因為有線的連接方式而無法滿足電氣安全距離要求，給系統帶來安全隱患。對于有源無線電子式測溫最大的安全風險在于構成測溫的電子線路無法經受接頭處的高電壓大電流或是放電沖擊，可靠性和安全性尚待驗證。

對于開關柜內設備和斷路器，它們位于電氣設備內部，位置復雜，紅外測溫巡檢難以操作。與前面的測溫方式相比，這些缺點正是聲表面波無源無線測溫的長處。目前聲表面波無源無線測溫系統已經有成熟的方案，一個完整的電力開關柜SAW無源無線溫度監控系統由傳感頭、采集器與無線中繼、后臺監控系統三部分組成。

前端的傳感頭由小體積的無源的SAW傳感器組成，可以方便安裝在被測點上，準確的跟蹤發熱點的溫度變化，并以無線方式將數據傳到采集器上，采集器將收集來溫度信號重新打包，發送至后臺監控系統，實現對高壓帶電體的運行溫度的非接觸溫度測量和實時監控。系統可運用于單個變電站中從后臺實時監測該變電站所有監測點的溫度變化；也可運用在多個變電站中，由后臺監控所有被監控變電站中監測點的溫度變化。下圖為烽火富華電氣有限公司完整的SAW無源無線溫度監控系統方案圖。

圖5 SAW無源無線溫度監控系統和SAW傳感器

上文列舉了聲表面波溫度傳感器在電力設備狀態中的典型應用。其還可以應用于變壓器、繞組、壓力釋放閥等的狀態監測中。根據應用需求，基于聲表面波技術的加速度、壓力、振動、位移、化學氣體的傳感器也可以被開發出來用于電力設備的狀態監控。

總結

伴隨物聯網和智能電網的建設，傳感器技術得到了迅速的發展。面對電網智能化要求，各種新型傳感器被用來監控電力設備的狀態，以聲表面波技術發展起來新型的傳感器，可以靈活被用來檢測溫度、壓力、位移、加速度、化學氣體等。憑借其自身優點必將在物聯網和智能電網的建設中得到大規模的應用。

（本文選編自《電氣技術》，作者為陳金、覃奇 等。）