10 kV配網架空線路在線測溫傳感器設計

劉 飛，林金樹，肖中波，張長椿，陳宇鳴，李德懷，吳潤發,3

(1.邵行(蘇州)智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215123； 2.國家電網三明供電公司，福建 三明 365000；3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引言

電力架空線路電纜火災事故大部分是由于溫度過高引起的。通過對架空線路電纜溫度進行連續的測量和監視,能夠預測架空線路電纜的故障趨勢，了解其絕緣老化情況、及時發現其故障隱患，從根本上有效減少架空線路電纜事故[1]。

隨著國家電網公司“泛在電力物聯網”戰略規劃的提出，傳感器作為關鍵的前端感知設備，是實現電力設備本體感知的最首要的環節。以聲表面波(surface acoustic wave,SAW)傳感器和天線為核心的無線測溫方式具備無源和無線的特性，同時具有識別距離遠、抗干擾性強[2]的優點。無源特性保證了傳感器安裝后設備免維護，消除了有源傳感器的諸多弊端；無線特性則保障了設備足夠的電氣安全。SAW傳感器因為不像集成電路(integratce circuit,IC)一樣內部有電路，所以可以耐高溫[3]、耐高壓(經測試可以耐高達110 kV的電壓)。目前，聲表面波無線溫度傳感器已經廣泛應用于高壓開關柜、電纜接頭、高壓斷路器等電力設備的測溫系統[4-10]。

1 SAW溫度傳感器結構

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境溫度，并轉換為電信號。天線的作用是以電磁波為載體攜帶溫度信號，并與閱讀器之間無線通信。

SAW傳感器的原理是依靠器件的頻率-溫度特性進行溫度信息的傳感。這會導致它容易被較強的電磁信號干擾。邵行(蘇州)智能科技有限公司生產的SAW溫度傳感器采用兩個諧振器組成差動結構，將兩個頻率之間的頻率差作為溫度測量的依據，從而抵消電磁干擾。SAW傳感器結構如圖1所示。

圖1 SAW傳感器結構圖Fig.1 The structure of SAW sensor

根據SAW芯片的中心頻率(433 MHz)和芯片阻抗50 Ω設計的天線結構如圖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。考慮到加工工藝、芯片導熱情況和室外的工作環境，天線材料選擇金屬鋁。其質量輕、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危險，天線和線軸之間用軟橡膠套隔開，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)上通過引腳與PIFA上下面連接，并在側邊引出放置在電纜表面。上下引線通過金屬螺絲固定在天線表面。這種饋電方式的優點是可以通過控制傳感器芯片引線的長度，將傳感器放在任意合適位置。

2 SAW溫度傳感器天線設計

天線結構及尺寸圖如圖2所示

圖2 天線尺寸Fig.2 Size of antenna

PIFA的基本結構包括四個部分：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。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傳輸。

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

3 仿真結果

PIFA的外徑圓弧主要影響天線的諧振頻率，饋點位置主要影響天線的阻抗匹配，內徑圓弧為接地面主要影響天線的增益，外徑圓弧和內徑圓弧之間的d對兩者均有影響。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。不同輻射單元長度對應的S11圖如圖3所示。由圖3可以看出，輻射單元(圓弧外徑)長度越長，諧振頻率越低。

圖3 不同輻射單元長度對應的S11圖Fig.3 Different S11 corresponding to different length of radiation units

用計算機仿真技術(computer simulation technology,CST)電磁仿真軟件仿真并采用集總端口激勵，設置掃頻范圍為0.3～0.7 GHz。橡膠套的介電常數設置為3.0，損耗正切為0.02，厚度為1 mm，通過調節天線關鍵尺寸,最終得到天線的回波損耗S11圖，如圖4所示。從結果可以看出，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，但對阻抗匹配無太大影響。

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自由空間公式計算得到：

(1)

式中:λ為自由空間波長；Pt為閱讀器發射功率，當閱讀發射功率增加時，標簽讀取距離也會增加；Gt為讀寫器天線的增益；Gr為標簽天線的增益；Pth為聲表面波傳感器的靈敏度。

(2)

式中：S為功率反射系數；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部柵格傳輸時存在聲波的反射和能量損失，因此啟動傳感器需要的最小啟動功率根據經驗設置為-18 dBm。設置閱讀器發射功率為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，天線的理論最遠讀取距離高達31 m。

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

該PIFA天線應用于架空電纜。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芯片會有擊穿風險，在高壓配網架空線路中使用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110 kV電壓測試。

4 結論

本文針對10 kV高壓配網線路在線測溫系統，設計了基于SAW感器芯片的PIFA弧形天線，可用于架空電纜在線溫度檢測系統。無線無源特性保障了測溫系統的安全性，弧形天線結構方便現場安裝，實際測試距離為9.7 m左右，滿足項目要求。

本文仿真了高壓對天線結構的影響，發現天線的上下表面會存在電壓差，因此在高壓配網線路上射頻集成電路(radio frequency integrated circuit,RFIC)芯片無法使用，用SAW聲表面波傳感器更加可靠、安全。