高壓XPLE 電纜中間接頭線芯聲表面波測溫技術研究*

龐 丹，王曉巖，趙昌鵬，王朝斌

(1.國網長春供電公司,吉林 長春 130021；2.東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

在高壓XPLE 電纜各種運行故障中,電纜接頭故障尤為突出[1-2]。由于安裝工藝、附件制造質量、熱脹冷縮、接觸電阻、線路運行環境等因素影響,導致電纜接頭過熱,加速絕緣老化,引起電纜燃爆事故。電纜線芯運行溫度是反映電纜運行狀態的重要參數,可為電纜線路載流的合理調度提供依據,及時發現電纜接頭發熱異常。

由于電纜絕緣結構復雜和技術局限,直接測量線芯溫度較為困難,所以一般采取間接的表面測溫,如有源無線傳感器測溫、紅外熱像測溫和分布式光纖測溫[3-4]等。為克服表面測溫與線芯實際運行溫度差異大、滯后大的缺點,研究學者們提出了以文獻[5-6]為代表的綜合考慮電纜運行電流和表面溫度的電纜線芯溫度動態計算模型。對于直接測溫方式,文獻[7]提出了一種在電纜絕緣層植入超高頻射頻識別溫度傳感芯片的測溫方案,其缺點是傳感器天線尺寸較長,外附在電纜金屬屏蔽層上,雖然采取了加固措施,受外力仍可能被破壞。文獻[8]提出了與文獻[7]相似的在電纜接頭植入有源溫度傳感器的方案,同時還提出了一種植入RLC 無源網絡的測溫方法,其原理是通過測量RLC 振蕩網絡響應信號的阻尼系數來實現,但是測量精度低、穩定性差。文獻[9]提出了內置測溫光纖的方案,受限于現有的電纜制造工藝,適合未來新建電纜線路。隨著聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)技術的成熟,其無源無線傳感的優勢,尤其適合在高溫、強電磁干擾、周圍有金屬等惡劣環境下應用,在醫療,化學,工業,電力等領域廣泛應用[10-11]。就電路等效而言,SAW 溫度傳感原理與RLC 網絡類似。文獻[11-14]已成功將SAW 技術應用到變電站、高壓開關、環網柜、電力電纜等核心設備外表溫度監測中。此外,文獻[15]提出了一種雙SAW 諧振器的SAW 溫度傳感器結構,實現了室溫～300 ℃寬溫度范圍線性輸出。

為實現高壓XPLE 電纜中間接頭線芯直接測溫,研制了一種植入式無源無線SAW 溫度傳感器及其讀取器,并進行了高壓溫升試驗。首先,介紹了利用掃頻法的諧振型SAW 測溫原理；其次,設計了植入式SAW 無線測溫裝置的硬件與軟件,保證無線通信良好；最后,對所研制的樣機進行了離線和在線測試,驗證了樣機應用于110 kV 電纜中間接頭線芯直接測溫的可行性。

1 無源無線SAW 測溫原理

目前,SAW 傳感器主要有延遲線型和諧振型兩類。相比延遲線型SAW 傳感器,諧振型SAW 傳感器具有品質因數高,插損小,頻率穩定性好、抗干擾能力強,測量精度高等優點,更適合傳感應用。而延遲線型則主要用于電子標簽場合。

諧振型SAW 測溫原理如圖1 所示,依靠SAW傳感器與讀取器之間的近場通信實現。圖1(a)中,讀取器首先發出圖1(b)所示的激勵信號,即以433 MHz頻段正弦載波的窄脈沖信號(脈寬40 μs)。傳感器天線與SAW 諧振器內部的叉指換能器連接,通過壓電和逆壓電效應實現電磁波與聲表面波的轉化。聲表面波在兩側反射柵之間來回反射、疊加,當正弦載波頻率與SAW 諧振器固有頻率相同時,產生諧振。SAW 諧振器可用二階RLC 串聯電路等效,由于激勵是間歇的,所以響應信號呈現以諧振頻率為主頻的衰減振蕩形式,如圖1(b)所示,信號單位為標幺值。

圖1 SAW 測溫原理

SAW 諧振器的諧振頻率fr受周圍溫度影響而改變,兩者的數學關系可用3 階多項式近似表示[12],即

式中:T為待測溫度；T0為參考溫度；f0為T0時的諧振頻率；a0、b0、c0為T0下的待定系數。

式(1)中各系數可通過實驗法測量不同溫度下的諧振頻率,然后用多項式曲線擬合來確定。因此,只要讀取器測量出響應信號的諧振頻率,便能估算出被測物體的溫度。本文采用算法簡單、計算量小的掃頻法來確定諧振頻率。其原理是根據SAW 諧振器的頻率特性與二階RLC 電路等效,則等幅值、不同頻率的激勵信號作用下,諧振頻率點的響應信號強度最大,如圖2 所示。

圖2 掃頻法確定諧振頻率

根據圖2,將SAW 傳感器掃頻區間[fmin,fmax]分成若干個頻點,由讀取器發射機順次發射強度相同、載波頻率按設定步長Δf遞增的間歇正弦脈沖信號,并檢測對應的響應信號強度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)；查找出RSSI 序列中的最大值,其所對應的頻點即諧振頻率點。采用掃頻法還需要折中精度與系統功耗,因為掃頻步長變小可以實現更高精度,缺點是掃頻次數增多,耗時長,系統功耗增大。

2 植入式SAW 無線測溫裝置設計

在電纜中間接頭線芯植入SAW 無線傳感器,必須先克服射頻信號穿透絕緣層和金屬屏蔽層而導致信號強度變弱的不利條件。本節重點闡述了植入式SAW 傳感器和讀取器的射頻電路設計,以保證兩者之間無線信號傳輸良好。其次,介紹了掃頻法與射頻硬件電路配合的軟件控制流程。

2.1 植入式SAW 溫度傳感器設計

110 kV 電纜接頭植入式SAW 溫度傳感器設計實例如圖3 所示,傳感器外觀為圓環狀,外殼尺寸為:外徑64 mm、內徑32 mm、厚度16 mm。該尺寸與截面積800 mm2的電纜線芯以及主絕緣厚度相匹配,傳感器安裝時直接套在電纜接頭線芯上,接觸緊密,與線芯融為一體。

圖3 植入式SAW 溫度傳感器

植入式SAW 溫度傳感器電路主要由433 MHz螺旋偶極子FPC 天線(75 mm×7 mm)、SAW 諧振器(5 mm×5 mm)、導熱銅環和PCB 基板(30 mm×7 mm×0.8 mm)組成,體型小巧,封裝在圓環的凹槽中。螺旋偶極子天線輻射在電纜線芯方向上具有較高增益,可以良好地接收和輻射電波。導熱銅片焊接在SAW 諧振器背面的一塊長方形覆銅上(10 mm×6 mm),同時將偶極子天線的一極與電纜線芯連通,一方面可以將線芯熱量快速傳導到SAW諧振器；另一方面,電纜線芯變成接收天線的一部分,電纜線芯與讀取天線的耦合作用可以大大提高傳感器信號強度。

2.2 讀取器射頻電路硬件設計

讀取器采用DSP_F28335 主控單元,分別完成與上位機和傳感器的交互。由于響應信號衰減非常快(可由SAW 諧振器的等效RLC 電路參數確定),一般只有幾十微秒,故讀取器射頻電路采用分立器件實現無線通信。如圖4 所示,讀取器射頻電路主要由可編程頻率合成器,發射機,接收機,射頻開關和讀取天線組成。無源SAW 傳感器的能量來源于讀取器,所以射頻電路設計應滿足發射機能提供足夠大發射功率,同時接收機具有高信噪比和接收靈敏度,以實現傳感器信號的高靈敏度檢測[16-17]。

圖4 讀取器射頻電路原理

(1)可編程頻率合成器

可編程頻率合成器采用集成壓控振蕩器＋鎖相環的Si4112 芯片。Si4112 的內部功能框圖如圖5所示,主要由N、R兩個分頻寄存器實現數控頻率輸出fout＝。其中,參考頻率源fref為19.2 MHz；鑒相器更新頻率＝50 kHz,輸出2 分頻后,實現掃描頻率更新步長為25 kHz。使用Si4112 編程工具自動計算5 個控制寄存器值:主設置寄存器、鑒相器增益寄存器、掉電寄存器、中頻N分頻寄存器和中頻R分頻寄存器。Si4112 串行接口采用三條串行總線(SEN、SCLK 和SDATA),以18 bit 數據＋4 bit 地址的數據幀對各控制寄存器進行配置。寄存器配置完畢后,將硬件掉電引腳置高和軟件掉電寄存器位PDIB 置1,Si4112 輸出兩路頻譜純凈的433 MHz 頻段模擬正弦信號源,分別用作射頻信號發射和接收的本振(或載波)。而且接收本振頻率要比發射本振低10.7 MHz,用于混頻實現接收信號降頻處理,因為10.7 MHz 是接收機中頻子系統AD608的中頻輸出頻率。

圖5 Si4112 編程工具

(2)發射機

為提供足夠大的發射功率,也為了避免發射功率過大,造成功率浪費和發射機老化加速,所設計的發射機主要由衰減器RFSA2644、第一級LNA 和第二級PA 組成,如圖4 所示。RSSI 在10 dB～20 dB,通信效果良好,故可根據實際的RSSI 設置合適的衰減器衰減增益。第一級LNA 放大采用高性能的低噪聲射頻前端放大器RF2373,保證第一級輸出具有較高的信噪比,降低噪聲對系統的影響。第二級由射頻開關RF6504 內部PA 放大,達到最大發射功率1 W,配合高增益偶極子FPC 天線(95 mm ×50 mm),輻射(或接收)信號能力進一步增強。

(3)接收機

為提高信號檢測靈敏度,所設計的接收機由聲表帶通濾波器SJKT435,采用RF2373 的兩級LNA放大電路和接收機中頻子系統AD608 組成。SJKT435 中心頻率為435 MHz,通帶20 MHz,可有效抑制帶外雜訊。帶通濾波后的弱信號經過兩級LNA 放大,每級放大增益約20 dB。接著,由AD608完成信號混頻和低通濾波,將433 MHz 頻段信號轉換成10.7 MHz 中頻信號。

10.7MHz 中頻正弦信號經過對數放大等處理后,輸出具有80dB 動態范圍的RSSI 電壓信號。根據AD608 數據手冊中RSSI 性能參數,對數放大器輸入信號強度范圍為(-75 dBm～＋5 dBm,當供電電壓為3 V 時,對應的RSSI 輸出電壓范圍為0.2 V～1.8 V；而對數斜率為20 mV/dB,0 dB 功率參照為-85 dBm,則RSSI 相對值為10 dB～90 dB。該范圍內RSSI 精度為±1 dB。本系統以-75 dBm 為0 dB 功率參照,故輸出RSSI 相對值范圍變為0～80 dB。最后,RSSI 電壓信號直接連接到DSP_F28335 片內12 bit ADC 模塊的ADCINB0 通道,進行量化。ADC 模塊使用內部參考電壓3.0 V,采樣率設置為4 MHz。設ADC 轉換結果為value,RSSI 相對值計算公式如下:

此外,為減小發射機和頻率合成器等高頻噪聲源對接收機的影響,在發射機和接收機的信號路徑上各設置一個高隔離度的射頻開關ADG901,見圖4中的單刀單擲開關,可以有效抑制沿“路”傳播的干擾；同時在PCB 布局時將接收機遠離發射機和頻率合成器,以及增加金屬屏蔽罩,可以有效抑制沿“場”傳播的干擾。

2.3 軟件設計

DSP 上電復位后,首先進行系統初始化,包括DSP、Si4112、RFSA2644 等模塊初始配置。當DSP的USART 串口接收到上位機查詢命令,啟動掃頻法測溫。軟件流程如圖6 所示。

圖6 掃頻法測溫流程圖

本文中被試SAW 溫度傳感器的測溫范圍為-25 ℃～125 ℃,對應的掃頻區間為427.95 MHz～429.525 MHz,頻率步進Δf為25 kHz,故一次測溫過程共掃頻64 次,掃頻周期為13.5 ms。圖6 中,進行第k次測溫時,DSP 通過串口更新Si4112 的中頻N分頻寄存器值,使能發射通道,輸出頻率為f(k)、持續36 μs 的間歇正弦激勵信號。然后切換至接收通道接收響應信號,啟動ADC 采集RSSI 電壓信號,并根據式(2)計算RSSI 相對值。掃頻結束后,RSSImax對應頻率視為SAW 諧振頻率fr。顯然,掃頻法得到的fr至少存在±25 kHz 的頻率偏差,這是犧牲部分精度以防止射頻功耗過大的結果。將fr代入式(1),便可計算出當前待測溫度T。

3 系統測試

3.1 離線測試

為初步評估植入式SAW 溫度傳感器和讀取器樣機的通信效果,在實驗室搭建了如圖7 所示離線測試平臺。圖7 中,采用一段長50 cm、外徑為16 mm 的銅線芯,以線芯為軸線,線芯穿過傳感器和移動圓環。傳感器固定在線芯中點,左側為傳感器正面。將讀取天線粘貼在外徑為130 mm、寬50 mm 的移動圓環上。兩個天線振子最大輻射方向均與線芯方向平行。設置讀取器發射功率為1 W,利用上位機控制讀取器完成功率掃描,確定諧振頻率和RSSI。

圖7 離線測試平臺

室溫下,以圖3(a)所示SAW 傳感器正面為參照,將讀取天線分別擺放在傳感器天線的上下左右4 個相對位置。圖7 中,設傳感器所在位置為零點,測得傳感器兩側(-23,-23)cm 范圍內各向RSSI值,如圖8 所示。由圖8 可以看出,傳感器右側區域各RSSI 曲線趨勢基本一致,沿著遠離方向下降,而傳感器左側區域RSSI 分布差異較大。左側區域中,接近線端位置(-23,-20)cm 的各向RSSI 較強。在(-8,23)cm 區段,除了傳感器與移動圓環重合位置外,讀取天線位于傳感器天線的上方或右側區域時RSSI 最強?？紤]天線布置隨機性和獲得最佳通信效果,讀取天線適宜布置在距離傳感器右側(即傳感器背面方向)15 cm～23 cm 處。

圖8 SAW 傳感器兩側的RSSI 分布

圖7 中,將兩個7 W,33 Ω 的水泥電阻分別連接到固緯開關電源GPD-3303D 的兩路輸出CH1 和CH2。水泥電阻載流加熱SAW 傳感器的導熱銅片。在接觸面上涂抹導熱硅脂,促進熱量均勻傳導。在0～15 V 范圍內,設置不同的電源輸出電壓,水泥電阻熱功率隨之改變,由此模擬不同的SAW 傳感器工作溫度。對于某個工作點,首先使用FLIR E6 紅外熱像儀觀測SAW 傳感器背面的紅外熱像圖一段時間,判斷SAW 諧振器是否達到熱穩定。圖9 為兩個工作點穩定時SAW 傳感器背面紅外熱像圖。

圖9 SAW 傳感器背面紅外熱像圖

圖9 中虛線框標記的高溫光圈與SAW 諧振器背面長方形覆銅區域相對應,出現光圈表明覆銅區域已經被完全加熱,并實現對SAW 諧振器集中均勻加熱。當光圈最高溫度變化在±0.5 ℃時,認為傳感器工作點已穩定。此時記錄該最高溫度溫度為SAW 諧振器溫度,并在上位機啟動功率掃描,確定該溫度下的諧振頻率。增大電源輸出電壓,重復上述過程,獲得多個工作點的數據,并將所測得數據繪制在圖10 中。

對圖10 的離散測試點進行3 次多項式曲線擬合,則式(1)可以確定為:

圖10 諧振頻率-溫度曲線擬合

式中:fr的單位為MHz,T的單位為℃。

由式(3)可見,b0、c0遠小于a0,所以在20 ℃～100 ℃內,被試傳感器的諧振頻率-溫度特性線性度良好,曲線斜率約為18.1 kHz/℃。由于掃頻頻率偏差為±25 kHz,則其引起測量溫度偏差為±1.38 ℃?？紤]溫漂、頻率源等其他誤差[18],溫度偏差可達到±2 ℃,這一誤差對于電纜線芯運行溫度監測是可以接受的。

3.2 在線測試

為進一步評估高壓電纜接頭線芯植入SAW 溫度傳感器直接測溫的可行性,在高壓試驗大廳搭建了如圖11 所示的110 kV 電纜在線試驗平臺。

根據3.1 節的結論,SAW 溫度傳感器與讀取天線在電纜中間接頭布置如圖3(b)所示,兩者相距20 cm。將110 kV 電纜兩端用銅母排短接,通過控制大電流發生器在電纜短路回路中產生大電流,模擬電纜溫升試驗；通過XZL 調感型串聯諧振試驗裝置產生工頻交流高壓施加在電纜線芯上,模擬電纜交流耐壓試驗。

(1)大電流溫升試驗

試驗起始階段,僅進行溫升試驗,利用大電流發生器完成被試電纜線芯載流加熱,起始預熱時間大約1 h,之后加大線芯電流進行快速升溫。加熱過程中,上位機每20 s 記錄一次SAW 溫度數據,得到溫升歷史曲線如圖12 所示。由圖12 可見,溫升過程中RSSI 保持穩定,平均強度達到8 dB 左右；溫升曲線反映了載流電纜線芯的溫升規律,即預熱階段在恒流模式下,電纜線芯從常溫20 ℃緩慢上升到42 ℃；第二階段調小線芯電流,維持10 min 左右,此時線芯溫度開始緩慢下降；第三階段調大線芯電流,快速升溫。

圖12 電纜線芯溫升曲線

另外,使用接觸式熱電偶測溫儀TES1310＋網狀探頭NR81531B 測量銅母排溫度,并與SAW 測溫結果進行對比,如圖13 所示。圖13 表明兩種方式的測量值接近,最大偏差2 ℃。綜上,溫升試驗初步表明植入式SAW 無線測溫裝置內外通信穩定,測溫結果能夠準確反映電纜接頭線芯溫度。

圖13 SAW 與熱電偶測溫對比

(2)交流耐壓與高溫試驗

為評估高溫、高壓大電流條件下,植入式SAW無線測溫效果,對被試電纜線芯同時施加高壓和大電流。如圖14(a)所示,110 kV 電纜交流試驗電壓設定為2 倍額定運行相電壓,顯示當前值為129.3 kV。如圖14(b)和14(c)所示,大電流溫升試驗系統操作臺上顯示電纜電流超過1.9 kA；將兩組SAW 測量結果放大后,可見溫度值下方的RSSI 指示條顯示中等強度,而且SAW 溫度從85.2 ℃上升到96.1 ℃,被試電纜保持高溫運行了35 min；當超過運行上限90 ℃時溫度值變紅報警。由此表明所研制的SAW 測溫樣機在高溫、高壓大電流條件下,無線通信保持良好,抗干擾能力強,能夠實現電纜中間接頭線芯直接測溫。

圖14 交流耐壓大電流試驗結果

4 結論

針對高壓XPLE 電纜中間接頭線芯的直接測溫問題,研制了一種植入式無源無線SAW 溫度傳感器及其讀取器。該植入式SAW 溫度傳感器呈圓環狀,安裝時直接套在電纜線芯上。導熱銅片不僅用于電纜線芯溫度傳感,而且將傳感器偶極子天線的一極與電纜線芯連通,利用讀取天線與電纜線芯的耦合作用,增大了傳感器的信號強度。設計了最大發射功率為1 W、檢測靈敏度高的讀取器射頻收發電路,將讀取天線擺放偏離傳感器背面方向位置,保證了無線通信的穩定。110 kV 電纜交流耐壓和溫升試驗結果證明所研制的植入式SAW 測溫樣機抗干擾能力強,能夠在高溫高壓大電流條件下實現電纜中間接頭線芯直接測溫,及時發出過溫報警。