SAW傳感器在電纜測溫中的應用研究

李佳誠,榮俊杰,胡冠華,鄭 格,胡慧悅（華北電力大學,北京 102206）

SAW傳感器在電纜測溫中的應用研究

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

摘 要：實時在線監測電力電纜中間接頭的溫度不但可以及時確定電纜接頭局部的過熱，判斷接頭絕緣的老化，發現接頭的安全隱患，而且可以為電力電纜的負荷調控和動態增容提供重要的依據。SAW溫度傳感器具有無線無源測量、體積小、成本低、精度高、長期穩定性好等優點。本文提出了聲表面波電纜測溫技術，通過研究電纜中間接頭內無銅屏蔽層且銅網屏蔽對100MHz以上的電磁波信號傳輸影響較弱的特殊結構，設計環式SAW溫度傳感器形狀。并根據阻抗匹配原理設計出環形天線的相關參數，作為其信號傳輸裝置。通過對改良后的環繞式SAW溫度傳感器的測溫精度實驗，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境，在大電流環境下進行測溫實驗，實現了對電纜中間接頭內部線芯溫度變化的實時監測。

關鍵詞：SAW技術；電纜中間接頭；環形天線；阻抗匹配

1　前言

1.1 研究背景及目的

隨著城市電網的迅速發展,電纜使用量的增加、輸電容量的提高,一旦發生故障會造成嚴重危害,因此電力電纜的運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測的重要項目。通過實時監測中間接頭溫度,結合歷史數據即可確定缺陷位置,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,則線芯導體就不能得到充分的利用,造成浪費[6]。

由上所述,通過電力電纜中間接頭溫度實時監測值及歷史溫度值確定局部過熱點、判斷絕緣老化狀況;通過計算得到線芯溫度,在允許范圍內合理利用電力電纜容量調控負荷、動態增容,對于保障電力系統可靠性、穩定性、經濟性等均具有重要意義。

1.2 電纜接頭的溫度測量方法現狀

由于高壓電力設備工作環境的特殊性，在測量其中節點的溫度時有如下難點：

（1）監測點數眾多。

（2）監測點的位置不盡相同。

（3）傳感器難以與外界徹底隔離。（4）電磁干擾強。

（5）工作環境溫度高。

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

1.3 聲表面波原理及SAW溫度監測技術

針對上述測溫方式的局限性，我們提出將聲表面波（SAW）技術，該方案能實現在電力系統中無線無源的測溫，解決了上述方案的實際應用難題。聲表面波是沿彈性體表面傳播的彈性波，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。

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）在諧振腔內激發出聲表面波，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過壓電效應又轉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生相應改變，實現溫度參量的無線檢測。1.3.2 技術特點

無線方式實現高壓隔離，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行溫度信息的采集，數據實時性高，安裝后基本無需維護。SAW 溫度傳感器能工作在強磁、強電、粉塵等各種惡劣的運用場合。

2　電纜接頭處環繞式SAW溫度傳感器的設計

基于聲表面波傳感器的上述優點，并通過理論分析和實際測量表明電纜中間接頭線芯溫度高于本體線芯溫度，結合高壓電纜中間接頭的特殊結構，我們設計了環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形傳感器外殼上形成多匝的環形天線進行信號傳輸。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的強度。下圖是傳感器的概念圖及實物圖，具體設計流程將在下文詳述。

2.1 在電纜中間接頭中信號傳輸可行性分析

高壓電纜的內部結構如圖5所示

若將聲表面波溫度傳感器安裝在電纜內部，則由于銅帶屏蔽層和鋼帶鎧裝（銅網）的存在導致信號無法傳輸到電纜外部并且安裝操作也不易實現。

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構無銅屏蔽層，則主要解決鋼帶（銅網）鎧裝對聲表面波溫度傳感器信號傳輸的問題。

通過一系列計算得到金屬網屏蔽效能如下圖7所示[8]：

從圖7我們可以看出:隨著頻率的升高，銅網和鋼網屏蔽效能降低，當電磁波頻率大于 1MHz 以后，屏蔽效能開始下降，大于100MHz 以后，下降趨勢更為顯著，因此金屬網不適用于數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（鋼絲網）對其屏蔽效能很小，傳感器信號可正常傳輸，發送到電纜外部的溫度采集器中，從而實現溫度監測。

表1　26/35kV單芯交聯聚乙烯絕緣電力電纜參數

2.2 環形天線的設計

欲使接收天線與SAW芯片相匹配，天線的輸入阻抗應該等于負載阻抗的共軛復數。通常發射端的阻抗為實數，當天線的阻抗為復數時，需要用匹配網絡來除去天線的電抗部分并使它們的電阻部分相等，從而達至所有高頻的微波信號皆能傳至負載點，不會有信號反射回來源點，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的串聯諧振頻率，Rm為與損耗有關的電阻，這三者為動態參數。Co為SAW兩端電極間的靜態電容，一般Cg1=Cg2=0.5p，Co=Cp+Cg/2。常見的433.92MHz的等效電路參數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，則由以上參數進行計算。

通過等效電路圖和相應參數，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。為使接入天線后輸入阻抗和輻射阻抗匹配，應使天線的阻抗為Z=R+Xj（R=50Ω，X=1/-ωC），經計算求得應在芯片兩端并聯一個大小約為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為環形天線的匝數，A為環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，計算得λ=0.7m。由公式（1）可計算得出輻射阻抗的大小，當Rr=50Ω時，天線與產品完成阻抗匹配。

（2）實際參數的確定：

不同型號的電纜尺寸不同，因此在實際安裝中，針對其測溫裝置天線的結構也不同，下表1為35kV不同型號電纜的具體參數。

表1中含下劃線的兩行數據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計算：

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

表2　不同線芯半徑的環形天線設計

而n大于N的時候，情況是根據最大可承受匝數來統一決定的，即n＞N時，取6匝，實驗證明信號接收良好。在這里我們認為每匝間的最小距離是5mm，我們在保證良好的輻射功率時，也完成了阻抗匹配。根據我們所購買的35kV電纜規格，所需纏繞匝數n=6。

2.3 SAW溫度傳感器內壁及外殼結構

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構在圓環形的基礎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壁，內壁用金屬鋁作為傳熱材料，同時考慮因鋁導體對環形天線結構的破壞作用將切平面以外的鋁部分用聚四氟包裝，最后用環氧樹脂作為填充物外殼為聚四氟乙烯進行灌封，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，實驗時所用的35kV電纜線芯直徑在8mm左右，為此，我們所設計的環形傳感器外殼三視圖如下：

按上述尺寸所設計的傳感器外殼恰好能套在35kV電纜線芯上，并且切面設計能夠使SAW芯片緊貼于金屬內壁進而緊貼于線芯，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定實驗（溫控箱內）

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證其精度≤2℃（由所查資料得出[7]），我們設計并進行了如下測溫精度的標定實驗。

由于DS18B20數字溫度傳感器體積小，溫度范圍－55℃～＋125℃，測溫精度高，速度快，具有極強的抗干擾糾錯能力，所以我們在實驗中選擇DS18B20數字溫度傳感器作為標定源。

為了測試SAW溫度傳感器和DS18B20數字溫度傳感器在溫控箱內的測溫精度。我們進行如下實驗：

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引線口伸出。由于下一步電纜內部測溫精度的試驗，需要使用DS18B20數字溫度傳感器作為標定源。將數字溫度傳感器同時進行標定。

實驗回路布置如圖10所示。

溫度校準前，兩傳感器測得的溫度值不一致，將恒溫箱的溫度設定為25℃，至溫度穩定后進行校準。校準后SAW溫度傳感器、數字溫度傳感器的溫度保持一致，此時的測試溫度均為25℃。由于溫控箱采用的是鼓風裝置升溫，為了使溫控箱溫度達到穩定，

每隔1h讀取一次數據并升溫，從溫度達到45℃時開始記錄：

測試結果記錄在表3中：

表3　溫度傳感器校準試驗（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。數字溫度傳感器的測溫精度≤0.5℃，滿足其作為標定源的要求。

2.5 35kV單芯電纜中間接頭測溫實驗

為了檢測我們所制作出的SAW測溫裝置在電纜實際運行中的性能，我們模擬了電纜中間接頭的內部環境，將灌封后的SAW測溫裝置套入電纜線芯并封裝好，將大電流發生器串聯一個保護電阻接在電纜兩端，記下不同電流時的溫度變化情況，在實驗中我們用有限元法實時計算電纜線芯溫度得到的數據作為對比。具體實驗如下：

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

將大電流發生器串聯一個保護電阻，通過高壓電力夾鉗將電纜兩端與其相連。在打開大電流發生器之前，先將測溫系統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，檢驗各接口是否完好。檢查完畢，打開大電流發生器，分別設電流為120A，260A，經過不同的時間段觀察測溫終端顯示溫度，記錄數據，并與有限元模型據算得到的數據進行對比。

表4　SAW測溫裝置在電纜中間接頭處的測溫實驗

由表4可知，在電纜加載電流120A,持續4h時,測量電纜的線芯溫度為44.9 ℃，利用有限元模型計算的線芯溫度為46.9℃。當電纜電流加到260A ,電纜線芯溫度測量值為44.9℃,有限元模型計算值為46.7℃。當電流加載到260A并持續10小時,試驗電纜對應的線芯溫度測量值為67.9℃,有限元模型計算值為68.2℃。以上實驗結果與計算結果的對比可以看出兩者之間存在一定誤差,但在適當的范圍內。

實驗結果證明基于聲表面波技術的電纜測溫裝置能夠滿足實際生產中電纜測溫的要求。

2.6 小結

通過對電纜中間接頭的研究和銅網屏蔽效能的計算，我們確定了SAW傳感器安裝在電纜中間接頭內部線芯處的可行性。根據阻抗匹配原理設計了環形天線的結構，確定了不同型號電纜所需纏繞的匝數，并根據實驗所用電纜規格設計出環形天線纏繞匝數為6匝及相應的外殼結構。并對環繞式SAW傳感器進行測溫精度的實驗，實驗結果表明測溫精度≤2℃，滿足測溫要求。并對35kV單芯XLPE電纜模擬出中間接頭環境，在大電流環境下進行測溫實驗，實現了對電纜中間接頭內部線芯溫度變化的實時監測。

3　結論與展望

利用SAW溫度傳感器作為電力電纜中間接頭溫度在線監測的裝置，可以及時確定電纜接頭局部的過熱，判斷接頭絕緣的老化，發現接頭的安全隱患，而且可以為電力電纜的負荷調控和動態增容提供重要的依據。同時，相比與其他國內現有電力電纜測溫裝置，SAW溫度傳感器有如下優勢：

（1）無源監測－不需傳感側取能，信號傳輸方便，傳感器與接收設備之間無電氣聯系，從而實現了高壓隔離。

（2）富有競爭力的價格優勢－光刻技術，結構相對比較簡單。

（3）高靈敏度－聲波對表面擾動的快速響應，聲波能量集中于基片表面。

（4）集成度高－體積小，便于安裝。

（5）良好的可靠性與穩定性。

在未來的電力市場中，SAW技術將會得到進一步的改善，并應用與更多電力監測領域中。

參考文獻:

[1]江日洪.交聯聚乙烯電力電纜線路[M].北京:中國電力出版社,2009.

[2]胡其秀.電力電纜線路手冊(設計、施工安裝、運行維護)[M].北京: 中國水利水電出版社,2004.

[3]羅俊華,楊黎明,姜蕓等.電力電纜運行、故障及試驗綜述[J].電力設備,2004,5(08):4-8.

[4]S.Nakamura, Morooka K, Kawasaki. Conductor temperature monitoring system in underground power transmission XLPE cable joints[J], IEEE Transactions on Power Delivery,1992,7(04):1688-1697.

[5]夏新民. 電力電纜頭制作與故障測尋[M]. 北京:化學工業出版社,2008.

[6]李熙謀. 不同敷設條件下電纜載流量的校正和實用算法[J].電力建設,1997(05):1-7.

[7] 中國電力科學研究院. 配電主設備狀態感知融合設計技術研究技術報告，2014.

[8] 王永利,張潔.電纜屏蔽金屬網屏蔽效能的工程計算.北京：中國科學院研究生院，北京航天自動控制研究所，2010.

[9] 天線（第三版）/（美）克勞斯（Kraus，J.D）等著；章文勛譯.-北京：電子工業出版社，2006.8（國防電子信息技術叢書）.