SAW傳感器在電纜測溫中的應(yīng)用研究

李佳誠,榮俊杰,胡冠華,鄭 格,胡慧悅（華北電力大學(xué),北京 102206）

SAW傳感器在電纜測溫中的應(yīng)用研究

李佳誠,榮俊杰,胡冠華,鄭 格,胡慧悅
（華北電力大學(xué),北京 102206）

摘 要：實(shí)時(shí)在線監(jiān)測電力電纜中間接頭的溫度不但可以及時(shí)確定電纜接頭局部的過熱，判斷接頭絕緣的老化，發(fā)現(xiàn)接頭的安全隱患，而且可以為電力電纜的負(fù)荷調(diào)控和動態(tài)增容提供重要的依據(jù)。SAW溫度傳感器具有無線無源測量、體積小、成本低、精度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了聲表面波電纜測溫技術(shù)，通過研究電纜中間接頭內(nèi)無銅屏蔽層且銅網(wǎng)屏蔽對100MHz以上的電磁波信號傳輸影響較弱的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)環(huán)式SAW溫度傳感器形狀。并根據(jù)阻抗匹配原理設(shè)計(jì)出環(huán)形天線的相關(guān)參數(shù)，作為其信號傳輸裝置。通過對改良后的環(huán)繞式SAW溫度傳感器的測溫精度實(shí)驗(yàn)，論證了其測溫精度≤2℃。并對35kV單芯XLPE電纜模擬出中間接頭環(huán)境，在大電流環(huán)境下進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對電纜中間接頭內(nèi)部線芯溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：SAW技術(shù)；電纜中間接頭；環(huán)形天線；阻抗匹配

1　前言

1.1 研究背景及目的

隨著城市電網(wǎng)的迅速發(fā)展,電纜使用量的增加、輸電容量的提高,一旦發(fā)生故障會造成嚴(yán)重危害,因此電力電纜的運(yùn)行可靠性顯得格外重要。

作為一個非電氣量，溫度是電力電纜在線監(jiān)測的重要項(xiàng)目。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測中間接頭溫度,結(jié)合歷史數(shù)據(jù)即可確定缺陷位置,獲取中間接頭絕緣狀況。此外,電力電纜有其容許持續(xù)工作最高溫度,若載流量過大,纜芯溫度超過容許值,電纜的絕緣壽命就會縮短;若載流量偏小,則線芯導(dǎo)體就不能得到充分的利用,造成浪費(fèi)[6]。

由上所述,通過電力電纜中間接頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測值及歷史溫度值確定局部過熱點(diǎn)、判斷絕緣老化狀況;通過計(jì)算得到線芯溫度,在允許范圍內(nèi)合理利用電力電纜容量調(diào)控負(fù)荷、動態(tài)增容,對于保障電力系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等均具有重要意義。

1.2 電纜接頭的溫度測量方法現(xiàn)狀

由于高壓電力設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，在測量其中節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)有如下難點(diǎn)：

（1）監(jiān)測點(diǎn)數(shù)眾多。

（2）監(jiān)測點(diǎn)的位置不盡相同。

（3）傳感器難以與外界徹底隔離。（4）電磁干擾強(qiáng)。

（5）工作環(huán)境溫度高。

當(dāng)前用于電力系統(tǒng)的測溫方案有點(diǎn)式測溫、線式測溫紅外探頭測溫、光纖測溫。而現(xiàn)有電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在精度低、成本高、抗電磁干擾能力弱等缺點(diǎn)，不利于大范圍推廣使用。

1.3 聲表面波原理及SAW溫度監(jiān)測技術(shù)

針對上述測溫方式的局限性，我們提出將聲表面波（SAW）技術(shù)，該方案能實(shí)現(xiàn)在電力系統(tǒng)中無線無源的測溫，解決了上述方案的實(shí)際應(yīng)用難題。聲表面波是沿彈性體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，其傳播速度比固體中傳播的聲縱波和聲橫波慢，衰減很小，可傳播很遠(yuǎn)。

1.3.1 測溫原理

SAW溫度傳感器由芯片和天線組成。如圖1，閱讀器發(fā)送射頻信號。傳感器天線接收后，通過叉指換能器（IDT）在諧振腔內(nèi)激發(fā)出聲表面波，其頻率等于傳感器的中心頻率。聲表面波沿基片傳播，被反射柵反射形成諧振。反射回來的聲表面波經(jīng)過壓電效應(yīng)又轉(zhuǎn)換成了攜帶被測溫度信息的電信號，該信號通過傳感器的天線端輻射出去。閱讀器接收返回的無線射頻信號，通過測量該信號頻率變化得溫度值[2]。如果在SAW器件表面施加溫度的變化，溫度參量的擾動即會引起聲波速度發(fā)生變化，從而引起無線單元接受的反射信號的頻率或者相位發(fā)生相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)溫度參量的無線檢測。1.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

無線方式實(shí)現(xiàn)高壓隔離，安全性極高，并且SAW溫度傳感器體積小，安裝方便靈活。無源的工作方式可以較高的頻率進(jìn)行溫度信息的采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高，安裝后基本無需維護(hù)。SAW 溫度傳感器能工作在強(qiáng)磁、強(qiáng)電、粉塵等各種惡劣的運(yùn)用場合。

2　電纜接頭處環(huán)繞式SAW溫度傳感器的設(shè)計(jì)

基于聲表面波傳感器的上述優(yōu)點(diǎn)，并通過理論分析和實(shí)際測量表明電纜中間接頭線芯溫度高于本體線芯溫度，結(jié)合高壓電纜中間接頭的特殊結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)了環(huán)形聲表面波溫度傳感器測量電纜中間接頭線芯處溫度的方案。

如使用現(xiàn)有聲表面波傳感器，則安裝固定問題無法解決，為此，我們通過改變聲表面波傳感器通過螺旋天線傳輸信號的方案，將諧振器芯片緊貼于環(huán)形傳感器外殼的表面，并將漆包線與芯片兩端相連后繞在環(huán)形傳感器外殼上形成多匝的環(huán)形天線進(jìn)行信號傳輸。一方面解決了傳感器安裝固定在線芯上的問題，另一方面增大了信號傳輸?shù)膹?qiáng)度。下圖是傳感器的概念圖及實(shí)物圖，具體設(shè)計(jì)流程將在下文詳述。

2.1 在電纜中間接頭中信號傳輸可行性分析

高壓電纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示

若將聲表面波溫度傳感器安裝在電纜內(nèi)部，則由于銅帶屏蔽層和鋼帶鎧裝（銅網(wǎng)）的存在導(dǎo)致信號無法傳輸?shù)诫娎|外部并且安裝操作也不易實(shí)現(xiàn)。

高壓電纜的中間接頭如圖6所示

由圖我們可以看到電纜中間接頭部分的結(jié)構(gòu)無銅屏蔽層，則主要解決鋼帶（銅網(wǎng)）鎧裝對聲表面波溫度傳感器信號傳輸?shù)膯栴}。

通過一系列計(jì)算得到金屬網(wǎng)屏蔽效能如下圖7所示[8]：

從圖7我們可以看出:隨著頻率的升高，銅網(wǎng)和鋼網(wǎng)屏蔽效能降低，當(dāng)電磁波頻率大于 1MHz 以后，屏蔽效能開始下降，大于100MHz 以后，下降趨勢更為顯著，因此金屬網(wǎng)不適用于數(shù)百兆赫以上的高頻情況。

由于SAW溫度傳感器的頻率范圍在428 MHz ～439MHz之間，則銅網(wǎng)（鋼絲網(wǎng)）對其屏蔽效能很小，傳感器信號可正常傳輸，發(fā)送到電纜外部的溫度采集器中，從而實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測。

表1　26/35kV單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜參數(shù)

2.2 環(huán)形天線的設(shè)計(jì)

欲使接收天線與SAW芯片相匹配，天線的輸入阻抗應(yīng)該等于負(fù)載阻抗的共軛復(fù)數(shù)。通常發(fā)射端的阻抗為實(shí)數(shù)，當(dāng)天線的阻抗為復(fù)數(shù)時(shí)，需要用匹配網(wǎng)絡(luò)來除去天線的電抗部分并使它們的電阻部分相等，從而達(dá)至所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點(diǎn)，不會有信號反射回來源點(diǎn)，提升能源效益的目的。

由所使用的SAW芯片為單端口SAW諧振器，其等效電路圖8如下：

其中，Lm與Cm諧振于SAW的串聯(lián)諧振頻率，Rm為與損耗有關(guān)的電阻，這三者為動態(tài)參數(shù)。Co為SAW兩端電極間的靜態(tài)電容，一般Cg1=Cg2=0.5p，Co=Cp+Cg/2。常見的433.92MHz的等效電路參數(shù)Rm=48Ω，Lm=102.2902μ,Cm=1.31488f,Co=2.1p,插損Q=3.4dB

由已知芯片的Rm約為50Ω，則由以上參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

通過等效電路圖和相應(yīng)參數(shù)，我們可以求得其輸入阻抗等效為一個50Ω電阻和一個2.1pF的電容并聯(lián)。為使接入天線后輸入阻抗和輻射阻抗匹配，應(yīng)使天線的阻抗為Z=R+Xj（R=50Ω，X=1/-ωC），經(jīng)計(jì)算求得應(yīng)在芯片兩端并聯(lián)一個大小約為60nH～70nH的電感元件。所以只需保證天線的輻射阻抗大小為50Ω即可達(dá)到阻抗匹配要求。

因此我們只需分析它的輻射阻抗即可[9]。由公式：

其中，n為環(huán)形天線的匝數(shù)，A為環(huán)形天線每一匝的面積，λ為工作的波長。SAW聲表面波傳感器的工作頻率在428mHZ左右，由λ=c/f，計(jì)算得λ=0.7m。由公式（1）可計(jì)算得出輻射阻抗的大小，當(dāng)Rr=50Ω時(shí)，天線與產(chǎn)品完成阻抗匹配。

（2）實(shí)際參數(shù)的確定：

不同型號的電纜尺寸不同，因此在實(shí)際安裝中，針對其測溫裝置天線的結(jié)構(gòu)也不同，下表1為35kV不同型號電纜的具體參數(shù)。

表1中含下劃線的兩行數(shù)據(jù)之和為電纜上天線的最小纏繞直徑，天線不能緊貼電纜，按天線與電纜表面的平均距離為5mm計(jì)算：

可知當(dāng)電纜的尺寸減小時(shí)，天線的半徑減小，導(dǎo)致所需纏繞匝數(shù)n增多，如果我們規(guī)定N=6為可承受環(huán)繞匝數(shù)，當(dāng)n＞N時(shí)，考慮到天線纏繞能力有限以及能量在傳導(dǎo)中的損耗導(dǎo)致信號衰減，以下不同型號的35kV電纜所對應(yīng)纏繞在傳感器上的天線可按照如下表2來纏繞。

表2　不同線芯半徑的環(huán)形天線設(shè)計(jì)

而n大于N的時(shí)候，情況是根據(jù)最大可承受匝數(shù)來統(tǒng)一決定的，即n＞N時(shí)，取6匝，實(shí)驗(yàn)證明信號接收良好。在這里我們認(rèn)為每匝間的最小距離是5mm，我們在保證良好的輻射功率時(shí)，也完成了阻抗匹配。根據(jù)我們所購買的35kV電纜規(guī)格，所需纏繞匝數(shù)n=6。

2.3 SAW溫度傳感器內(nèi)壁及外殼結(jié)構(gòu)

考慮到使SAW溫度傳感器芯片能夠緊貼于被測物體，即流過電流的線芯所發(fā)出的熱量信息能夠大部分被傳感器芯片采集到，我們將傳感器外殼結(jié)構(gòu)在圓環(huán)形的基礎(chǔ)上從與線芯相切部分切出長度恰好為傳感器長的平面，從而使傳感器緊貼于外殼內(nèi)壁，內(nèi)壁用金屬鋁作為傳熱材料，同時(shí)考慮因鋁導(dǎo)體對環(huán)形天線結(jié)構(gòu)的破壞作用將切平面以外的鋁部分用聚四氟包裝，最后用環(huán)氧樹脂作為填充物外殼為聚四氟乙烯進(jìn)行灌封，成為一個完整的新型SAW溫度傳感器。

SAW芯片體積大小約為1mm×5mm×4mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的35kV電纜線芯直徑在8mm左右，為此，我們所設(shè)計(jì)的環(huán)形傳感器外殼三視圖如下：

按上述尺寸所設(shè)計(jì)的傳感器外殼恰好能套在35kV電纜線芯上，并且切面設(shè)計(jì)能夠使SAW芯片緊貼于金屬內(nèi)壁進(jìn)而緊貼于線芯，使測量的溫度更具有可靠性。

2.4 SAW溫度傳感器測溫精度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)（溫控箱內(nèi)）

為了檢測改變信號傳輸方式后的SAW溫度傳感器測溫精度并驗(yàn)證其精度≤2℃（由所查資料得出[7]），我們設(shè)計(jì)并進(jìn)行了如下測溫精度的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

由于DS18B20數(shù)字溫度傳感器體積小，溫度范圍－55℃～＋125℃，測溫精度高，速度快，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力，所以我們在實(shí)驗(yàn)中選擇DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為標(biāo)定源。

為了測試SAW溫度傳感器和DS18B20數(shù)字溫度傳感器在溫控箱內(nèi)的測溫精度。我們進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

將傳感器以及與READER連接的天線（羊角天線）置于溫控箱中，天線通過溫控箱左側(cè)引線口伸出。由于下一步電纜內(nèi)部測溫精度的試驗(yàn)，需要使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為標(biāo)定源。將數(shù)字溫度傳感器同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定。

實(shí)驗(yàn)回路布置如圖10所示。

溫度校準(zhǔn)前，兩傳感器測得的溫度值不一致，將恒溫箱的溫度設(shè)定為25℃，至溫度穩(wěn)定后進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后SAW溫度傳感器、數(shù)字溫度傳感器的溫度保持一致，此時(shí)的測試溫度均為25℃。由于溫控箱采用的是鼓風(fēng)裝置升溫，為了使溫控箱溫度達(dá)到穩(wěn)定，

每隔1h讀取一次數(shù)據(jù)并升溫，從溫度達(dá)到45℃時(shí)開始記錄：

測試結(jié)果記錄在表3中：

表3　溫度傳感器校準(zhǔn)試驗(yàn)（溫控箱）

從表3可以看出，SAW溫度傳感器的測溫精度≤2℃，滿足SAW溫度傳感器的測溫需求。數(shù)字溫度傳感器的測溫精度≤0.5℃，滿足其作為標(biāo)定源的要求。

2.5 35kV單芯電纜中間接頭測溫實(shí)驗(yàn)

為了檢測我們所制作出的SAW測溫裝置在電纜實(shí)際運(yùn)行中的性能，我們模擬了電纜中間接頭的內(nèi)部環(huán)境，將灌封后的SAW測溫裝置套入電纜線芯并封裝好，將大電流發(fā)生器串聯(lián)一個保護(hù)電阻接在電纜兩端，記下不同電流時(shí)的溫度變化情況，在實(shí)驗(yàn)中我們用有限元法實(shí)時(shí)計(jì)算電纜線芯溫度得到的數(shù)據(jù)作為對比。具體實(shí)驗(yàn)如下：

首先將灌封后的環(huán)式SAW測溫裝置套入電纜線芯，然后在其外表面套上應(yīng)力冷縮絕緣管，接著用半導(dǎo)電膠帶纏緊，防止由于氣隙的存在導(dǎo)致絕緣放電的發(fā)生。

將大電流發(fā)生器串聯(lián)一個保護(hù)電阻，通過高壓電力夾鉗將電纜兩端與其相連。在打開大電流發(fā)生器之前，先將測溫系統(tǒng)中的羊角天線放在距測溫裝置半米處，將天線與測溫終端顯示頻相連。連接完成后，檢驗(yàn)各接口是否完好。檢查完畢，打開大電流發(fā)生器，分別設(shè)電流為120A，260A，經(jīng)過不同的時(shí)間段觀察測溫終端顯示溫度，記錄數(shù)據(jù)，并與有限元模型據(jù)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

表4　SAW測溫裝置在電纜中間接頭處的測溫實(shí)驗(yàn)

由表4可知，在電纜加載電流120A,持續(xù)4h時(shí),測量電纜的線芯溫度為44.9 ℃，利用有限元模型計(jì)算的線芯溫度為46.9℃。當(dāng)電纜電流加到260A ,電纜線芯溫度測量值為44.9℃,有限元模型計(jì)算值為46.7℃。當(dāng)電流加載到260A并持續(xù)10小時(shí),試驗(yàn)電纜對應(yīng)的線芯溫度測量值為67.9℃,有限元模型計(jì)算值為68.2℃。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對比可以看出兩者之間存在一定誤差,但在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于聲表面波技術(shù)的電纜測溫裝置能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中電纜測溫的要求。

2.6 小結(jié)

通過對電纜中間接頭的研究和銅網(wǎng)屏蔽效能的計(jì)算，我們確定了SAW傳感器安裝在電纜中間接頭內(nèi)部線芯處的可行性。根據(jù)阻抗匹配原理設(shè)計(jì)了環(huán)形天線的結(jié)構(gòu)，確定了不同型號電纜所需纏繞的匝數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用電纜規(guī)格設(shè)計(jì)出環(huán)形天線纏繞匝數(shù)為6匝及相應(yīng)的外殼結(jié)構(gòu)。并對環(huán)繞式SAW傳感器進(jìn)行測溫精度的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測溫精度≤2℃，滿足測溫要求。并對35kV單芯XLPE電纜模擬出中間接頭環(huán)境，在大電流環(huán)境下進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對電纜中間接頭內(nèi)部線芯溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3　結(jié)論與展望

利用SAW溫度傳感器作為電力電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測的裝置，可以及時(shí)確定電纜接頭局部的過熱，判斷接頭絕緣的老化，發(fā)現(xiàn)接頭的安全隱患，而且可以為電力電纜的負(fù)荷調(diào)控和動態(tài)增容提供重要的依據(jù)。同時(shí)，相比與其他國內(nèi)現(xiàn)有電力電纜測溫裝置，SAW溫度傳感器有如下優(yōu)勢：

（1）無源監(jiān)測－不需傳感側(cè)取能，信號傳輸方便，傳感器與接收設(shè)備之間無電氣聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)了高壓隔離。

（2）富有競爭力的價(jià)格優(yōu)勢－光刻技術(shù)，結(jié)構(gòu)相對比較簡單。

（3）高靈敏度－聲波對表面擾動的快速響應(yīng)，聲波能量集中于基片表面。

（4）集成度高－體積小，便于安裝。

（5）良好的可靠性與穩(wěn)定性。

在未來的電力市場中，SAW技術(shù)將會得到進(jìn)一步的改善，并應(yīng)用與更多電力監(jiān)測領(lǐng)域中。

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