SAW传感器在电缆测温中的应用研究.docx

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1、SAW传感器在电缆测温中的应用探讨摘要：实时在线监测电力电缆中间接头的温度不但可以刚好确定电缆接头局部的过热，推断接头绝缘的老化，发觉接头的平安隐患，而且可以为电力电缆的负荷调控和动态增容供应重要的依据。SAW温度传感器具有无线无源测量、体积小、成本低、精度高、长期稳定性好等优点。本文提出了声表面波电缆测温技术，通过探讨电缆中间接头内无铜屏蔽层且铜网屏蔽对100MHz以上的电磁波信号传输影响较弱的特别结构，设计环式SAw温度传感器形态。并依据阻抗匹配原理设计出环形天线的相关参数，作为其信号传输装置。通过对改良后的环绕式SAW温度传感器的测温精度试验，论证了其测温精度W2C。并对35kV单芯X1

2、.PE电缆模拟出中间接头环境，在大电流环境下进行测温试验，实现了对电缆中间接头内部线芯温度变更的实时监测。关键词：SAW技术：电缆中间接头：环形天线：阻抗匹配1前言1.1 探讨背景及目的随着城市电网的快速发展，电缆运用量的增加、输电容量的提高,一日.发生故障会造成严峻危害，因此电力电缆的运行牢靠性显得特别重要。作为一个非电气量，温度是电力电缆在线监测的重要项目。通过实时监测中间接头温度，结合历史数据即可确定缺陷位置，获得中间接头绝缘状况。此外，电力电缆有其容许持续工作最高温度，若载流量过大，缆芯温度超过容许值，电缆的绝缘寿命就会缩短；若载流量偏小，则线芯导体就不能得到充分的利用，造成奢侈6。由

3、上所述，通过电力电缆中间接头温度实时监测值及历史温度值确定局部过热点、推断绝缘老化状况；通过计算得到线芯温度，在允许范围内合理利用电力电缆容量调控负荷、动态增容，对于保障电力系统牢靠性、稔定性、经济性等均具有重要意义。1.2 电缆接头的温度测量方法现状由于高压电力设备工作环境的特别性，在测量其中节点的温度时有如下难点：（1）监测点数众多。（2）监测点的位置不尽相同。（3）传感器难以及外界彻底隔离。（4）电磁干扰强。（5）工作环境温度高。当前用于电力系统的测温方案有点式测温、线式测温红外探头测温、光纤测温。而现有电缆温度监测系统存在精度低、成本高、抗电磁干扰实力弱等缺点，不利于大范围推广运用。1

4、.3 声表面波原理及SAW温度监测技术针对上述测温方式的局限性，我们提出将声表面波（SAW）技术,该方案能实现在电力系统中无线无源的测温，解决了上述方案的实际应用难题。声表面波是沿弹性体表面传播的弹性波，其传播速度比固体中传播的声纵波和声横波慢，衰减很小，可传播很远。1.3.1 测温原理SAW温度传感器由芯片和天线组成。如图1,阅读器发送射频信号。传感器天线接收后，通过义指换能器（IDT）在谐振腔内激发出声表面波，其频率等于传感器的中心频率。声表面波沿基片传播，被反射栅反射形成谐振。反射回来的声表面波经过压电效应乂转换成了携带被测温度信息的电信号，该信号通过传感器的天线端辐射出去。阅读器接收返

5、回的无线射频信号，通过测量该信号频率变更得温度值2o假如在SAW器件表面施加温度的变更，温度参量的扰动即会引起声波速度发生变更，从而引起无线单元接受的反射信号的频率或者相位发生相应变更，实现温度参量的无线检测。1.3.2 技术特点无线方式实现高压隔离，平安性极高，并且SAW温度传感器体积小，安装便利敏捷。无源的工作方式可以较高的频率进行温度信息的采集，数据实时性高，安装后基本无需维护。SAW温度传感器能工作在强磁、强电、粉尘等各种恶劣的运用场合。2电缆接头处环绕式SAW温度传感器的设计基于声表面波传感器的上述优点，并通过理论分析和实际测量表明电缆中间接头线芯温度高于本体线芯温度，结合高压电缆中

6、间接头的特别结构，我们设计了环形声表面波温度传感器测量电缆中间接头线芯处温度的方案。如运用现有声表面波传感器，则安装固定问题无法解决，为此，我们通过变更声表面波传感器通过螺旋天线传输信号的方案，将谐振器芯片紧贴于环形传感器外壳的表面，并将漆包线及芯片两端相连后绕在环形传感器外壳上形成多匝的环形天线进行信号传输。一方面解决了传感器安装固定在线芯上的问题，另一方面增大了信号传输的强度。下图是传感器的概念图及实物图，详细设计流程将在下文详述。2.1 在电缆中间接头中信号传输可行性分析高压电缆的内部结构如图5所示若将声表面波温度传感器安装在电缆内部，则由于铜带屏蔽层和钢带铠装（铜网）的存在导致信号无法

7、传输到电缆外部并且安装操作也不易实现。高压电缆的中间接头如图6所示由图我们可以看到电缆中间接头部分的结构无铜屏蔽层，则主要解决钢带（铜网）铠装对声表面波温度传感器信号传输的问题。通过一系列计算得到金属网屏蔽效能如下图7所示8：从图7我们可以看出：随着频率的上升，铜网和钢网屏蔽效能降低，当电磁波频率大于IMHz以后,屏蔽效能起先下降,大于100MHz以后，下降趋势更为显著，因此金屈网不适用于数百兆赫以上的高频状况。由于SAW温度传感器的频率范围在428MHz439MHz之间,则铜网（钢丝网）对其屏蔽效能很小，传感器信号可正常传输，发送到电缆外部的温度采集器中，从而实现温度监测。2.2 环形天线的

8、设计欲使接收天线及SAW芯片相匹配，天线的输入阻抗应当等于负载阻抗的共辐复数。通常放射端的阻抗为实数，当天线的阻抗为复数时，须要用匹配网络来除去天线的电抗部分并使它们的电阻部分相等，从而达至全部高频的微波信号皆能传至负载点，不会有信号反射回来源点，提升能源效益的目的。由所运用的SAW芯片为单端口SAW谐振器，其等效电路图8如下：其中，1.m及Cm谐振于SAW的串联谐振频率，Rm为及损耗有关的电阻，这三者为动态参数。CO为SAW两端电极间的静态电容，一般Cgl=Cg2=0.5p,Co=Cp+Cg2常见的433.92MHz的等效电路参数Rm=48Q,1.m=102.2902,Cm=1.31488f

9、,Co=2.Ip,插损Q=3.4dB由已知芯片的Rm约为50Q,则由以上参数进行计算。通过等效电路图和相应参数，我们可以求得其输入阻抗等效为一个50。电阻和一个2.IpF的电容并联。为使接入天线后输入阻抗和辐射阻抗匹配,应使天线的阻抗为Z=R+Xj(R=50Q,X=l-C),经计算求得应在芯片两端并联一个大小约为60nH70nH的电感元件。所以只需保证天线的粗射阻抗大小为50Q即可达到阻抗匹配要求。因此我们只需分析它的辐射阻抗即可9。由公式：(1)其中，n为环形天线的匝数，A为环形天线每一匝的面积，入为工作的波长。SAW声表面波传感器的工作频率在428mHZ左右，由N=cf,计算得人=0.7m

10、由公式可计算得出辐射阻抗的大小,当Rr=50Q时，天线及产品完成阻抗匹配。(2)实际参数的确定:不同型号的电缆尺寸不同，因此在实际安装中，针对其测温装置天线的结构也不同，下表1为35kV不同型号电缆的详细参数。表1中含下划线的两行数据之和为电缆上天线的最小缠绕直径，天线不能紧贴电缆，按天线及电缆表面的平均距离为5mm计算：(2)可知当电缆的尺寸减小时，天线的半径减小，导致所需缠绕匝数n增多，假如我们规定26为可承受环绕匝数，当nN时，考虑到天线缠绕实力有限以及能量在传导中的损耗导致信号衰减，以下不同型号的35kV电缆所对应缠绕在传感器上的天线可依据如下表2来缠绕。而n大于N的时候，状况是依据最

11、大可承受匝数来统一确定的，即nN时，取6匝，试验证明信号接收良好。在这里我们认为每匝间的最小距离是5mm,我们在保证良好的辐射功率时，也完成了阻抗匹配。依据我们所购买的35kV电缆规格，所需缠绕匝数n=62.3SAW温度传感器内壁及外壳结构考虑到使SAW温度传感器芯片能够紧贴于被测物体，即流过电流的线芯所发出的热量信息能够大部分被传感器芯片采集到，我们将传感器外壳结构在圆环形的基础上从及线芯相切部分切出长度恰好为传感器长的平面，从而使传感器紧贴于外壳内壁，内壁用金属铝作为传热材料，同时考虑因铝导体对环形天线结构的破坏作用将切平面以外的铝部分用聚四筑包装，最终用环氧树脂作为填充物外壳为聚四氟乙烯

12、进行灌封，成为一个完整的新型SAW温度传感器。SAW芯片体积大小约为ImnlX511unX4mm,试验时所用的35kV电缆线芯直径在8mm左右，为此，我们所设计的环形传感器外壳三视图如下：按上述尺寸所设计的传感器外壳恰好能套在35kV电缆线芯上，并且切面设计能够使SAW芯片紧贴于金属内壁进而紧贴于线芯，使测量的温度更具有牢靠性。2. 4SAW温度传感器测温精度标定试验（温控箱内）为了检测变更信号传输方式后的SAW温度传感器测温精度并验证其精度2C（由所查资料得出7）,我们设计并进行了如下测温精度的标定试验。由于DS18B20数字温度传感器体积小，温度范围-55C+125C,测温精度高，速度快，

13、具有极强的抗干扰纠错实力，所以我们在试验中选择DS18B20数字温度传感器作为标定源。为了测试SAW温度传感器和DS18B20数字温度传感器在温控箱内的测温精度。我们进行如下试验：将传感器以及及READER连接的天线（羊角天线）置于温控箱中，天线通过温控箱左侧引线口伸出。由于下一步电缆内部测温精度的试验，须要运用DS18B20数字温度传感器作为标定源。将数字温度传感器同时进行标定。试验回路布置如图10所示。温度校准前，两传感器测得的温度值不一样，将恒温箱的温度设定为25C,至温度稳定后进行校准。校准后SAW温度传感器、数字温度传感器的温度保持一样，此时的测或温度均为25。由于温控箱采纳的是鼓风

14、装置升温，为了使温控箱温度达到稳定，每隔Ih读取一次数据并升温，从温度达到45C时起先记录：测试结果记录在表3中：从表3可以看出，SAW温度传感器的测温精度2C,满意SW温度传感器的测温需求。数字温度传感器的测温精度WO.5C,满意其作为标定源的要求。2 .535kV单芯电缆中间接头测温试验为了检测我们所制作出的SAW测温装置在电缆实际运行中的性能，我们模拟了电缆中间接头的内部环境，将灌封后的SAlY测温装置套入电缆线芯并封装好，将大电流发生器串联一个爱护电阻接在电缆两端，登记不同电流时的温度变更状况，在试验中我们用有限元法实时计算电缆线芯温度得到的数据作为对比。详细试验如下：首先将灌封后的环

15、式SAW测温装置套入电缆线芯，然后在其外表面套上应力冷缩绝缘管，接着用半导电胶带缠紧，防止由于气隙的存在导致绝缘放电的发生。将大电流发生器串联一个爱护电阻，通过高压电力夹钳将电缆两端及其相连。在打开大电流发生器之前，先将测温系统中的羊角天线放在距测温装置半米处，将天线及测温终端显示频相连。连接完成后,检验各接口是否完好。检查完毕，打开大电流发生器，分别设电流为120,260,经过不同的时间段视察测温终端显示温度，记录数据，并及有限元模型据算得到的数据进行对比。由表4可知,在电缆加载电流120A,持续4h时,测量电缆的线芯温度为44.9C,利用有限元模型计算的线芯温度为469C.当电缆电流加到2

16、60A,电缆线芯温度测量值为44.9,有限元模型计算值为46.7C。当电流加载到260A并持续10小时，试验电缆对应的线芯温度测量值为67.9C,有限元模型计算值为68.2。以上试验结果及计弊结果的对比可以看出两者之间存在肯定误差，但在适当的范围内。试验结果证明基于声表而波技术的电缆测温装置能够满意实际生产中电缆测温的要求。3 .6小结通过对电缆中间接头的探讨和铜网屏蔽效能的计算，我们确定了SAW传感器安装在电缆中间接头内部线芯处的可行性。依据阻抗匹配原理设计了环形天线的结构，确定了不同型号电缆所需缠绕的匝数，并依据试验所用电缆规格设计出环形天线缠绕匝数为6匝及相应的外壳结构。并对环绕式SAW传感器进行测温精度的试验，