10 kV配网架空线路在线测温传感器设计

刘 飞，林金树，肖中波，张长椿，陈宇鸣，李德怀，吴润发,3

(1.邵行(苏州)智能科技有限公司，江苏 苏州 215123； 2.国家电网三明供电公司，福建 三明 365000；3.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

电力架空线路电缆火灾事故大部分是由于温度过高引起的。通过对架空线路电缆温度进行连续的测量和监视,能够预测架空线路电缆的故障趋势，了解其绝缘老化情况、及时发现其故障隐患，从根本上有效减少架空线路电缆事故[1]。

随着国家电网公司“泛在电力物联网”战略规划的提出，传感器作为关键的前端感知设备，是实现电力设备本体感知的最首要的环节。以声表面波(surface acoustic wave,SAW)传感器和天线为核心的无线测温方式具备无源和无线的特性，同时具有识别距离远、抗干扰性强[2]的优点。无源特性保证了传感器安装后设备免维护，消除了有源传感器的诸多弊端；无线特性则保障了设备足够的电气安全。SAW传感器因为不像集成电路(integratce circuit,IC)一样内部有电路，所以可以耐高温[3]、耐高压(经测试可以耐高达110 kV的电压)。目前，声表面波无线温度传感器已经广泛应用于高压开关柜、电缆接头、高压断路器等电力设备的测温系统[4-10]。

1 SAW温度传感器结构

SAW温度传感器由SAW传感器芯片和天线组成。传感器的作用是感知环境温度，并转换为电信号。天线的作用是以电磁波为载体携带温度信号，并与阅读器之间无线通信。

SAW传感器的原理是依靠器件的频率-温度特性进行温度信息的传感。这会导致它容易被较强的电磁信号干扰。邵行(苏州)智能科技有限公司生产的SAW温度传感器采用两个谐振器组成差动结构，将两个频率之间的频率差作为温度测量的依据，从而抵消电磁干扰。SAW传感器结构如图1所示。

图1 SAW传感器结构图Fig.1 The structure of SAW sensor

根据SAW芯片的中心频率(433 MHz)和芯片阻抗50 Ω设计的天线结构如图1 (a)所示。天线采用平面倒F天线(planar inverted F-shaped antenna,PIFA)形式，方便与50 Ω匹配；半圆弧型可以利用轧带轻松固定在圆柱表面，并贴合圆柱曲面。考虑到加工工艺、芯片导热情况和室外的工作环境，天线材料选择金属铝。其质量轻、不易腐蚀。为了避免金属天线和线轴绝缘层直接接触破坏绝缘层引发危险，天线和线轴之间用软橡胶套隔开，如图1(b)所示。

传感器芯片焊接在尺寸为(20×17×1) mm的印刷电路板(printed circuit board,PCB)上通过引脚与PIFA上下面连接，并在侧边引出放置在电缆表面。上下引线通过金属螺丝固定在天线表面。这种馈电方式的优点是可以通过控制传感器芯片引线的长度，将传感器放在任意合适位置。

2 SAW温度传感器天线设计

天线结构及尺寸图如图2所示

图2 天线尺寸Fig.2 Size of antenna

PIFA的基本结构包括四个部分：同轴馈线、辐射单元、接地弧面、短路金属片。接地弧面与辐射面平行，用于反射信号。短路金属片用于连接辐射单元和接地面，同轴馈线两端连接芯片用于信号传输。

天线的最大外径是92 mm，内径为62.4 mm，最大角度为360°-130°=230°。天线两端打孔，通过扎带可紧密固定在橡胶套上。

3 仿真结果

PIFA的外径圆弧主要影响天线的谐振频率，馈点位置主要影响天线的阻抗匹配，内径圆弧为接地面主要影响天线的增益，外径圆弧和内径圆弧之间的d对两者均有影响。一般而言，在其他尺寸固定的情况下，距离越大，谐振频率越低，天线越接近电感性。不同辐射单元长度对应的S11图如图3所示。由图3可以看出，辐射单元(圆弧外径)长度越长，谐振频率越低。

图3 不同辐射单元长度对应的S11图Fig.3 Different S11 corresponding to different length of radiation units

用计算机仿真技术(computer simulation technology,CST)电磁仿真软件仿真并采用集总端口激励，设置扫频范围为0.3～0.7 GHz。橡胶套的介电常数设置为3.0，损耗正切为0.02，厚度为1 mm，通过调节天线关键尺寸,最终得到天线的回波损耗S11图，如图4所示。从结果可以看出，橡胶套将天线的谐振频率降低了5 MHz左右，-3 dB带宽为438-420=18 MHz，但对阻抗匹配无太大影响。

天线的辐射效率曲线如图5所示(带橡胶套)，天线增益(带橡胶套)如图6所示。

图4 回波损耗S11图Fig.4 The result of return loss

图5 辐射效率曲线Fig.5 Radiation efficiency curves

图6 天线增益示意图(428 MHz)Fig.6 The gain of antenna (428 MHz)

天线理论读取距离可由Friss自由空间公式计算得到：

(1)

式中:λ为自由空间波长；Pt为阅读器发射功率，当阅读发射功率增加时，标签读取距离也会增加；Gt为读写器天线的增益；Gr为标签天线的增益；Pth为声表面波传感器的灵敏度。

(2)

式中：S为功率反射系数；ZC为SAW芯片阻抗；ZA为传感器天线输入阻抗。

由于声波在声表面波传感器内部栅格传输时存在声波的反射和能量损失，因此启动传感器需要的最小启动功率根据经验设置为-18 dBm。设置阅读器发射功率为1 W。由图6可知，天线在428 MHz的最大增益是1.48 dB。天线理论读取距离如图7所示。由图7可知，天线的理论最远读取距离高达31 m。

图7 天线理论读取距离Fig.7 The theoretical reading range of proposed antenna

该PIFA天线应用于架空电缆。电缆的电压为10 kV。因此，将天线放在10 kV高压线路中仿真,得到如图8所示的电压分布图。

图8 10 kV电压分布示意图Fig.8 High voltage distribution under 10 kV

从图8可以看出，天线上下表面由于不在同一平面上,因此存在电压差。下表面电压约为6×103V，上表面约为5×103V，电压差约为1×103V。普通的IC芯片会有击穿风险，在高压配网架空线路中使用SAW声表面波传感器芯片更可靠、安全。该声表面波传感器已通过110 kV电压测试。

4 结论

本文针对10 kV高压配网线路在线测温系统，设计了基于SAW感器芯片的PIFA弧形天线，可用于架空电缆在线温度检测系统。无线无源特性保障了测温系统的安全性，弧形天线结构方便现场安装，实际测试距离为9.7 m左右，满足项目要求。

本文仿真了高压对天线结构的影响，发现天线的上下表面会存在电压差，因此在高压配网线路上射频集成电路(radio frequency integrated circuit,RFIC)芯片无法使用，用SAW声表面波传感器更加可靠、安全。