10 kV配網(wǎng)架空線路在線測(cè)溫傳感器設(shè)計(jì)

劉 飛，林金樹(shù)，肖中波，張長(zhǎng)椿，陳宇鳴，李德懷，吳潤(rùn)發(fā),3

(1.邵行(蘇州)智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215123； 2.國(guó)家電網(wǎng)三明供電公司，福建 三明 365000；3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

電力架空線路電纜火災(zāi)事故大部分是由于溫度過(guò)高引起的。通過(guò)對(duì)架空線路電纜溫度進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量和監(jiān)視,能夠預(yù)測(cè)架空線路電纜的故障趨勢(shì)，了解其絕緣老化情況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)其故障隱患，從根本上有效減少架空線路電纜事故[1]。

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，傳感器作為關(guān)鍵的前端感知設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備本體感知的最首要的環(huán)節(jié)。以聲表面波(surface acoustic wave,SAW)傳感器和天線為核心的無(wú)線測(cè)溫方式具備無(wú)源和無(wú)線的特性，同時(shí)具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)[2]的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)源特性保證了傳感器安裝后設(shè)備免維護(hù)，消除了有源傳感器的諸多弊端；無(wú)線特性則保障了設(shè)備足夠的電氣安全。SAW傳感器因?yàn)椴幌窦呻娐?integratce circuit,IC)一樣內(nèi)部有電路，所以可以耐高溫[3]、耐高壓(經(jīng)測(cè)試可以耐高達(dá)110 kV的電壓)。目前，聲表面波無(wú)線溫度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)柜、電纜接頭、高壓斷路器等電力設(shè)備的測(cè)溫系統(tǒng)[4-10]。

1 SAW溫度傳感器結(jié)構(gòu)

SAW溫度傳感器由SAW傳感器芯片和天線組成。傳感器的作用是感知環(huán)境溫度，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。天線的作用是以電磁波為載體攜帶溫度信號(hào)，并與閱讀器之間無(wú)線通信。

SAW傳感器的原理是依靠器件的頻率-溫度特性進(jìn)行溫度信息的傳感。這會(huì)導(dǎo)致它容易被較強(qiáng)的電磁信號(hào)干擾。邵行(蘇州)智能科技有限公司生產(chǎn)的SAW溫度傳感器采用兩個(gè)諧振器組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)頻率之間的頻率差作為溫度測(cè)量的依據(jù)，從而抵消電磁干擾。SAW傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SAW傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of SAW sensor

根據(jù)SAW芯片的中心頻率(433 MHz)和芯片阻抗50 Ω設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1 (a)所示。天線采用平面倒F天線(planar inverted F-shaped antenna,PIFA)形式，方便與50 Ω匹配；半圓弧型可以利用軋帶輕松固定在圓柱表面，并貼合圓柱曲面?？紤]到加工工藝、芯片導(dǎo)熱情況和室外的工作環(huán)境，天線材料選擇金屬鋁。其質(zhì)量輕、不易腐蝕。為了避免金屬天線和線軸絕緣層直接接觸破壞絕緣層引發(fā)危險(xiǎn)，天線和線軸之間用軟橡膠套隔開(kāi)，如圖1(b)所示。

傳感器芯片焊接在尺寸為(20×17×1) mm的印刷電路板(printed circuit board,PCB)上通過(guò)引腳與PIFA上下面連接，并在側(cè)邊引出放置在電纜表面。上下引線通過(guò)金屬螺絲固定在天線表面。這種饋電方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)控制傳感器芯片引線的長(zhǎng)度，將傳感器放在任意合適位置。

2 SAW溫度傳感器天線設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)及尺寸圖如圖2所示

圖2 天線尺寸Fig.2 Size of antenna

PIFA的基本結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分：同軸饋線、輻射單元、接地弧面、短路金屬片。接地弧面與輻射面平行，用于反射信號(hào)。短路金屬片用于連接輻射單元和接地面，同軸饋線兩端連接芯片用于信號(hào)傳輸。

天線的最大外徑是92 mm，內(nèi)徑為62.4 mm，最大角度為360°-130°=230°。天線兩端打孔，通過(guò)扎帶可緊密固定在橡膠套上。

3 仿真結(jié)果

PIFA的外徑圓弧主要影響天線的諧振頻率，饋點(diǎn)位置主要影響天線的阻抗匹配，內(nèi)徑圓弧為接地面主要影響天線的增益，外徑圓弧和內(nèi)徑圓弧之間的d對(duì)兩者均有影響。一般而言，在其他尺寸固定的情況下，距離越大，諧振頻率越低，天線越接近電感性。不同輻射單元長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的S11圖如圖3所示。由圖3可以看出，輻射單元(圓弧外徑)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，諧振頻率越低。

圖3 不同輻射單元長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的S11圖Fig.3 Different S11 corresponding to different length of radiation units

用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)(computer simulation technology,CST)電磁仿真軟件仿真并采用集總端口激勵(lì)，設(shè)置掃頻范圍為0.3～0.7 GHz。橡膠套的介電常數(shù)設(shè)置為3.0，損耗正切為0.02，厚度為1 mm，通過(guò)調(diào)節(jié)天線關(guān)鍵尺寸,最終得到天線的回波損耗S11圖，如圖4所示。從結(jié)果可以看出，橡膠套將天線的諧振頻率降低了5 MHz左右，-3 dB帶寬為438-420=18 MHz，但對(duì)阻抗匹配無(wú)太大影響。

天線的輻射效率曲線如圖5所示(帶橡膠套)，天線增益(帶橡膠套)如圖6所示。

圖4 回波損耗S11圖Fig.4 The result of return loss

圖5 輻射效率曲線Fig.5 Radiation efficiency curves

圖6 天線增益示意圖(428 MHz)Fig.6 The gain of antenna (428 MHz)

天線理論讀取距離可由Friss自由空間公式計(jì)算得到：

(1)

式中:λ為自由空間波長(zhǎng)；Pt為閱讀器發(fā)射功率，當(dāng)閱讀發(fā)射功率增加時(shí)，標(biāo)簽讀取距離也會(huì)增加；Gt為讀寫(xiě)器天線的增益；Gr為標(biāo)簽天線的增益；Pth為聲表面波傳感器的靈敏度。

(2)

式中：S為功率反射系數(shù)；ZC為SAW芯片阻抗；ZA為傳感器天線輸入阻抗。

由于聲波在聲表面波傳感器內(nèi)部柵格傳輸時(shí)存在聲波的反射和能量損失，因此啟動(dòng)傳感器需要的最小啟動(dòng)功率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為-18 dBm。設(shè)置閱讀器發(fā)射功率為1 W。由圖6可知，天線在428 MHz的最大增益是1.48 dB。天線理論讀取距離如圖7所示。由圖7可知，天線的理論最遠(yuǎn)讀取距離高達(dá)31 m。

圖7 天線理論讀取距離Fig.7 The theoretical reading range of proposed antenna

該P(yáng)IFA天線應(yīng)用于架空電纜。電纜的電壓為10 kV。因此，將天線放在10 kV高壓線路中仿真,得到如圖8所示的電壓分布圖。

圖8 10 kV電壓分布示意圖Fig.8 High voltage distribution under 10 kV

從圖8可以看出，天線上下表面由于不在同一平面上,因此存在電壓差。下表面電壓約為6×103V，上表面約為5×103V，電壓差約為1×103V。普通的IC芯片會(huì)有擊穿風(fēng)險(xiǎn)，在高壓配網(wǎng)架空線路中使用SAW聲表面波傳感器芯片更可靠、安全。該聲表面波傳感器已通過(guò)110 kV電壓測(cè)試。

4 結(jié)論

本文針對(duì)10 kV高壓配網(wǎng)線路在線測(cè)溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于SAW感器芯片的PIFA弧形天線，可用于架空電纜在線溫度檢測(cè)系統(tǒng)。無(wú)線無(wú)源特性保障了測(cè)溫系統(tǒng)的安全性，弧形天線結(jié)構(gòu)方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，實(shí)際測(cè)試距離為9.7 m左右，滿足項(xiàng)目要求。

本文仿真了高壓對(duì)天線結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)天線的上下表面會(huì)存在電壓差，因此在高壓配網(wǎng)線路上射頻集成電路(radio frequency integrated circuit,RFIC)芯片無(wú)法使用，用SAW聲表面波傳感器更加可靠、安全。