基于SAW的電纜接頭內部測溫天線研究

張曉新,張興磊,林 峰,楊 旭,馬 爽

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院,遼寧 沈陽 110163)

0 引言

隨著國家配電網改造的實施,電纜接頭作為電網交通樞紐被大量應用在全國的配電系統中,作為配電網重要節點,對電纜接頭運行情況的檢測非常重要[1]。由于電纜接頭安裝、工藝、天氣及長時間運行等因素,導致電纜接頭內部受潮,電纜生銹,電阻變大,使電纜運行溫度高于正常運行溫度,發生過熱現象,加速電纜接頭絕緣層老化,使絕緣水平下降,泄漏電流增大,溫度再升高,最終導致電纜接頭燒毀,危害國民生命財產安全。根據不完全統計,電纜事故中90%都是由于電纜接頭損壞產生的[2-3]。因此,對于電纜接頭內部溫度的實時測量是避免電纜接頭燒毀、預防電纜事故發生和維護國民生命安全的重要保障。

近年來,隨著聲表面波(SAW)技術的成熟,SAW測溫方法成為無源無線式測溫方法的主要代表,此方法采用SAW技術,根據諧振頻率確定被測環境溫度[4],且SAW溫度傳感器具有生命周期長,小型易安裝,無需考慮取電的優點,可被廣泛應用在電力系統測溫方案中。若測電纜接頭內部溫度,需考慮SAW溫度傳感器及其天線的安裝位置。2017年,國家電網公司發布的《電纜接頭內置式導體測溫裝置技術規范》中明確規定:測溫裝置不應影響電纜接頭的絕緣性、密封性及導電性;當裝置出現異常或損壞時,不應對被監測的電纜接頭造成損壞[5]。因此,對于SAW溫度傳感器及其天線的安裝位置、天線的大小及形狀成為當前電纜接頭測溫迫切需要解決的難題。

針對上述問題,本文首先討論分析了電纜接頭的結構和材料,根據分析確定SAW溫度傳感器和天線的安裝位置;其次設計了一款既滿足尺寸要求,又滿足通信要求并可安裝在電纜接頭內部的天線;最后通過試驗驗證天線在安裝環境下的可使用性。

1 電纜接頭分析

目前國內開關柜中大量使用歐式630A型電纜接頭,其內部結構如圖1所示。

圖1 電纜接頭結構圖

鍍錫或純銅的雙頭螺栓保證導體和套管安裝緊密。內導電層采用符合IEEE592標準的預制的EPDM導電橡膠,以控制分散電氣應力。絕緣層厚度為15 mm,采用特定配方和混合技術預制所得三元乙丙絕緣橡膠EPDM具有優秀品質。電纜屏蔽層與符合IEEE592標準的EPDM導電橡膠搭接,獲得連續屏蔽,并確保外屏蔽層處于接地狀態。電力主干線路采用交聯聚乙烯(XLPE)絕緣材料包裹無氧銅的電力電纜。絕緣塞使用環氧樹脂澆筑而成,并內置金屬螺紋件以確保與雙頭螺栓緊密貼合。壓接端子材質為全銅或銅鋁,在驗電測試點測量內部是否有電。應力錐配合T型電纜接頭使用,確保電纜應力釋放及密封型。此外,電纜接頭配件還有端蓋,其使用5 mm的絕緣橡膠構成。

由圖1可知,電纜接頭內部結構確定其密閉性好和絕緣等級高。因內外屏蔽層和絕緣層均采用EPDM導電橡膠,使電纜接頭具有均勻分布的場強和隔強磁強電的效果,也具有隔溫的作用,所以在外部測的溫度并不代表其內部溫度,二者相差甚遠,因此迫切需要解決電纜接頭內部測溫的難題。

2 SAW溫度傳感器與其天線安裝位置

分析電纜接頭結構及材料,在不破壞電纜接頭性能的條件下測內部溫度,需對電纜接頭配件進行改造。絕緣塞是內部帶有金屬螺紋件的環氧樹脂,與內部連接電力電纜的雙頭螺栓緊密貼合,所以測量絕緣塞內部金屬螺紋件的溫度即可測得電纜接頭內部的溫度。因此,設計改造電纜接頭絕緣塞內部結構,將SAW溫度傳感器及其接收發射天線放置于金屬螺紋件的后端(見圖2)。制做帶有無源無線測溫功能的電纜接頭新型絕緣塞,替換原絕緣塞,實現電纜接頭內部溫度測量功能。

圖2 新型電纜接頭絕緣塞結構圖

3 理論和仿真分析

對電纜接頭內部測溫天線分析如下:

1) 根據電纜接頭絕緣塞設計天線。

2) 對天線安裝環境是否會影響頻偏進行分析和仿真。

3) 對天線安裝后的接收發射能力進行理論分析。

3.1 天線設計

SAW溫度傳感器具有12個通道,每個傳感器中心諧振頻率不同,各個溫度對應的頻點互不重疊,且對應的頻點均分布在2.400～2.476 GHz,所需天線應以2.44 GHz為中心頻率,頻帶內應盡量使回波損耗S11<-10 dB。螺旋天線主要分為軸向模和法向模模式,其中軸向模模式最實用,但尺寸較大,不適合電纜接頭絕緣塞內部放置,因此,本文設計了法向模螺旋天線。

法向模螺旋天線特性與單極細線天線相仿,螺距角與導線粗細(特別是靠近饋電端的粗細)決定了輸入阻抗。通過控制螺距、螺旋直徑調節天線的性能,為實現法向模工作方式,使D/λ?0.18(其中,λ為真空下諧振波長,D為螺旋直徑),且有:

(1)

(2)

C=πD

(3)

式中:c為真空下光速;εr為相對介電常數;fr為諧振頻率;L為天線全長;N為螺旋匝數;S為螺距;C為螺旋周長。

經過計算分析,設定初始模型參數,采用直徑d1=1.4 mm的銅線右旋形成螺距S=3 mm、匝數N=5.4的螺旋天線,并安裝在εr=4.4的FR-4介質基板上,基板各邊長為25 mm。設置初始螺旋直徑D=?4 mm,采用集總端口激勵方式,在HFSS仿真軟件建立模型如圖3所示。圖中,H為電路板的厚度。

圖3 天線模型圖

在此模型下,對螺旋天線的D進行優化設置,通過仿真分析獲得D對于天線S11的影響,仿真結果如圖4所示。由圖可知,當D越小時,C越小,中心頻率越大。為了滿足設計需求,設定螺旋直徑D=4 mm。

圖4 D對天線S11的影響

根據仿真設計的結構參數值對天線進行加工,使用AV3629D型微波矢量網絡分析儀進行測量,其在2.38～2.50 GHz頻帶下天線S11≤-10 dB,在2.445 GHz下天線S11達到-21 dB,符合設計需求。

3.2 材料頻偏影響分析

對于電磁波有:

λ=v/f

(4)

(5)

式中:f為電磁波頻率;v為導電介質中光速。

根據式(4)、(5)可得,光在不同介質中的傳輸速度不同,而電磁波頻率不變。因此,電磁波的波長不定。但天線是根據在空氣中的波長設計的,判斷將有微弱頻偏。

根據電纜接頭結構及各項參數,在HFSS建立的試驗模型如圖5所示。各部分材料尺寸均按照電纜接頭進行設置,將天線按照圖3所示方法安裝在電纜接頭絕緣塞內部,對于天線安裝空間上壁與絕緣塞上壁的距離H1及絕緣塞側壁厚度W1進行兩組仿真,設置H1為5 mm、7.5 mm、10 mm,W1為6 mm、7 mm、8 mm。

圖5 安裝天線后結構圖

對H1參數仿真計算后,S11結果如圖6所示。

圖6 H1對天線S11的影響

由6圖得知,當距離變大時,天線的中心頻率微升高,頻帶變窄,S11參數值變大。根據數據確立H1為7.5 mm,再對W1參數進行仿真測試,結果如圖7所示。由圖可知,厚度對所需頻段內的天線性能基本無影響。

圖7 W1對天線S11的影響

選擇H1=7.5 mm、W1=8 mm的固定值進行方向圖仿真,得到結果如圖8所示。由圖可知,所設計的天線在垂直方向、水平方向與各象限45°角方向上均具有良好的增益。

圖8 安裝環境下天線增益方向圖

3.3 材料厚度對天線性能的理論分析

天線安裝在電纜接頭內部,所以只考慮天線穿透性,而電磁波的波長決定了其穿透能力,波長越長,穿透能力越差,繞射能力越強。弗里斯式:

r=-32.441 8-20lgd-20lgfM

(6)

衰減常數為

(7)

式中:r為能量密度的分貝值;d為距離;fM為頻率;α為衰減常數;ω為角頻率;μ為磁導率;σ為導電性能。

根據式(6)、(7)可知,距離越遠,能量密度越小,有損介質的損耗角、導電性能和相對介電常數對天線發射信號的傳遞影響均較大。

4 試驗驗證

根據前文所述的模型結構,使用環氧樹脂澆筑成可放置天線的電纜接頭絕緣塞原型,環氧樹脂的介電常數ε參考數據為3～4,損耗角tanδ≤0.004,按照安裝空間上壁與絕緣塞上壁的距離為5 mm、7.5 mm、10 mm,挖空成底面直徑為?25 mm的圓柱形空間,并安裝天線進行測量,天線安裝如圖9(a)所示。天線測試環境如圖9(b)所示。

圖9 安裝測試

使用射頻收發機發射2.4 GHz掃頻信號,通過超寬帶(UWB)天線對已經安裝好天線的SAW測溫芯片進行激勵,對其返回的諧振信號進行放大接收,通過接收信號的強度判斷天線的發射接收能力。使用矢量網絡分析儀測量放在絕緣塞內部天線的S11,比較H1變化對天線性能的影響。測量數據如表1所示。

表1 測量數據對比表

由表1可看出,H1對天線頻率、發射接收能力和S11有影響。H1越大,天線發射接受能力越弱,|S11|越大,與仿真分析結果吻合。通過對數據進行擬合可得:

f=0.001 6H1+2.432 3

(8)

S11=-1.24H1-7.8

(9)

由式(8)、(9)可得出H1對中心頻率f和S11的影響。

5 結束語

為解決內置在電纜接頭的SAW無源溫度傳感器信號無法傳遞問題,本文根據電纜接頭的材料和結構,設計了一款中心頻率為2.445 GHz、帶寬為120 MHz的螺旋天線,其通帶涵蓋了工程內SAW溫度傳感器的頻率。在HFSS中進行模型仿真分析,根據理論分析及仿真推得天線安裝空間上壁與絕緣塞上壁的距離對天線的頻帶、反射系數均有輕微影響。通過具體試驗驗證仿真結果,證明天線可以在電纜接頭內部傳遞信號。