利用声表面波射频标签（SAW-RFID）测量架空超高压输电线路的温度

    在架空输电线路输电过程中，专用线路的垂度关系到它的运行和安全性，这与导线运行温度有着直接的关系。导线运行温度会受到各种情况的影响，例如线路运行损耗、周围环境温度、风速和风向、太阳辐射强度以及导线材料的特性等。在高温环境、低风速和高电力系统负荷条件下，监测和分析输电网区域，可评价真实的导线运行温度。这对优化线路性能，并防止潜在导线垂度问题等方面起着至关重要的作用。

    声表面波技术
众所周知，声表面波元件在过去常常安装在窄带滤波器、无线射频识别技术（RFID）标签以及无线测量传感器等设备中，用于扭矩、压力、温度和拉力等方面的测量。因此，这些传感器可用于高压架空输电线路的温度测量，并可采用无线电将电流连接传感器与被测量单位连接。

图1 基于无线被动声表面波（SAW）温度传感器的高频测量系统的工作原理
图1显示了基于声表面波原理的高频测量系统的工作原理。使用测量系统的传输天线将2.45GHz ISM带上的高频电磁波传输到传感器，并通过使用与传感器芯片连接的转换器，将引入的高频信号传输到沿水晶表面传播的声表面波。在这些位置上，信号中的部分信息被反射到集成反射器上。反射器位置因水晶温度的延伸而发生改变。声表面波的传播速度同样取决于温度的变化。反射信号被转换器转换为高传输频率信号，并且被传回到系统的接收天线中。传感器的ID信息和温度信息可由使用各种算法的反射脉冲确定。其中，这些算法通过使用时间位置和反射脉冲的相位关系，以及数字信号处理器（DSP）的通用信号处理技术，对这些信息进行计算。计算得出的结果可以显示在个人电脑上。
经过长期的现场试验，声表面波传感器可用于高压工程领域。带有金属氧化电涌放电器的现场试验最早始于1997年。在这种测量技术取得积极结果之后，此系统也常被安装于各种架空输电线路和变电站设备中。


传感器天线
图4显示了传感器的固定位置。传感器能以椭圆曲线进行运动，该椭圆曲线原则上可以分成两个方向：一是沿导线的方向，该架空输电线路会受到垂度变化、风速及温度的影响（角度约为±15°）；二是垂直于导线的方向，该导线主要受到风速的影响（角度约为±45°）。
针对这种情况，开发出增益约为5dBi、以及接受角度约为60°×60°的简易坚固的天线，极化作用是垂直方向的。

图3 240kV下传感器夹钳（改变的颜色）的无线电干扰电压（RIV）测试
传感器夹钳
为了将带有天线的这种传感器应用在架空输电线路上，需要研制一种特殊的夹钳。这种夹钳的开发要求是：遮盖传感器标签、遮盖传感器天线、易于安装和长时间稳定连接。
根据以上几点要求，螺旋状固定夹钳被用于架空输电线路上传感器的简易安装和可靠连接中。多年来，这种固定技术多用于固定架空输电线路上的振动阻尼器和垫板阻尼器，从20世纪80年代至今，这种固定技术还一直用于光纤复合架空地线（OPGW）设备中。到目前为止，在世界范围内已经安装了5万多个振动阻尼器和垫板阻尼器。传感器和传感器天线由聚四氟乙烯（PTFE）外罩所覆盖，见图2。

图4 天线塔元件

此传感器经过了高压实验室的测试，并根据国际电工标准61284（IEC61284）来检验是否符合关于无线电干扰电压（RIV）测试的国家和国际标准。测试结果表明：传感器通过了单线线路123kV和245kV以及三芯导线400kV的测试。图3显示了单线导线上240kV下传感器夹钳，其中可以认出第一个流光放电。

系统说明
架空输电线路在线温度监测系统由天线塔上的测量单元，变电站数据库服务器以及数据交换服务器组成。

图5 变电站安装和报告软件的使用
天线塔元件
天线塔上安装了测量站，见图4。通过使用望远镜瞄准具，将两根塔天线（传输天线和接收天线）以传感器的最佳角度固定在导线上。传感器必须固定在距离悬垂绝缘子串设备约两米处的位置。雷达单元盒则安装于靠近塔天线处，以使电缆高频连接的损耗最小化。对于电力供应，则应将两块太阳能电池板固定于天线塔的顶部。控制单元安装于天线塔的底部或指定高度，以防止故意破坏。其中，控制单元由电池、控制器以及用于数据连接的通用分组无线业务（GPRS）调制解调器组成，并使用光纤连接电缆将控制单元与雷达单元连接起来。
变电站和报告软件的安装
在变电站里，个人电脑上安装一个通用分组无线业务调制解调器，其中个人电脑作为数据收集和数据服务器系统。测量站和个人电脑之间通过TCP/IP协议进行沟通，并且这种沟通是以加密和双向方式进行的。测量站可以完全由个人电脑上的软件来控制和配置，连接到数据服务器的每台个人电脑上的报告软件均可使用。见图5。

图6 系统安装实例
系统安装实例
该系统已完成首例安装，在各种环境条件下数据采集运行稳定，例如在大风、雨雪、大雾等天气条件下。图6显示了温度在线监测在400kV线路上的安装实例。
进一步研究
导线温度是电流热能所导致的结果。影响导线温度的环境条件包括电流、风速、导线和风向之间的角度，以及太阳辐射、流体冷却机制等。这些因素对导线和传感器有着不同的影响，但导线和传感器均会受到相同因素的影响。


一般来说，测得的传感器温度不等于导线温度，因为传感器是这种复杂热系统中的散热片。因此，导线温度必须在传感器测得的温度数据的基础上，再经过计算而得出。为此，必须在实验室中，对传感器和导线进行校准。