基于SAW的电缆接头内部测温天线研究

张晓新,张兴磊,林 峰,杨 旭,马 爽

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院,辽宁 沈阳 110163)

0 引言

随着国家配电网改造的实施,电缆接头作为电网交通枢纽被大量应用在全国的配电系统中,作为配电网重要节点,对电缆接头运行情况的检测非常重要[1]。由于电缆接头安装、工艺、天气及长时间运行等因素,导致电缆接头内部受潮,电缆生锈,电阻变大,使电缆运行温度高于正常运行温度,发生过热现象,加速电缆接头绝缘层老化,使绝缘水平下降,泄漏电流增大,温度再升高,最终导致电缆接头烧毁,危害国民生命财产安全。根据不完全统计,电缆事故中90%都是由于电缆接头损坏产生的[2-3]。因此,对于电缆接头内部温度的实时测量是避免电缆接头烧毁、预防电缆事故发生和维护国民生命安全的重要保障。

近年来,随着声表面波(SAW)技术的成熟,SAW测温方法成为无源无线式测温方法的主要代表,此方法采用SAW技术,根据谐振频率确定被测环境温度[4],且SAW温度传感器具有生命周期长,小型易安装,无需考虑取电的优点,可被广泛应用在电力系统测温方案中。若测电缆接头内部温度,需考虑SAW温度传感器及其天线的安装位置。2017年,国家电网公司发布的《电缆接头内置式导体测温装置技术规范》中明确规定:测温装置不应影响电缆接头的绝缘性、密封性及导电性;当装置出现异常或损坏时,不应对被监测的电缆接头造成损坏[5]。因此,对于SAW温度传感器及其天线的安装位置、天线的大小及形状成为当前电缆接头测温迫切需要解决的难题。

针对上述问题,本文首先讨论分析了电缆接头的结构和材料,根据分析确定SAW温度传感器和天线的安装位置;其次设计了一款既满足尺寸要求,又满足通信要求并可安装在电缆接头内部的天线;最后通过试验验证天线在安装环境下的可使用性。

1 电缆接头分析

目前国内开关柜中大量使用欧式630A型电缆接头,其内部结构如图1所示。

图1 电缆接头结构图

镀锡或纯铜的双头螺栓保证导体和套管安装紧密。内导电层采用符合IEEE592标准的预制的EPDM导电橡胶,以控制分散电气应力。绝缘层厚度为15 mm,采用特定配方和混合技术预制所得三元乙丙绝缘橡胶EPDM具有优秀品质。电缆屏蔽层与符合IEEE592标准的EPDM导电橡胶搭接,获得连续屏蔽,并确保外屏蔽层处于接地状态。电力主干线路采用交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料包裹无氧铜的电力电缆。绝缘塞使用环氧树脂浇筑而成,并内置金属螺纹件以确保与双头螺栓紧密贴合。压接端子材质为全铜或铜铝,在验电测试点测量内部是否有电。应力锥配合T型电缆接头使用,确保电缆应力释放及密封型。此外,电缆接头配件还有端盖,其使用5 mm的绝缘橡胶构成。

由图1可知,电缆接头内部结构确定其密闭性好和绝缘等级高。因内外屏蔽层和绝缘层均采用EPDM导电橡胶,使电缆接头具有均匀分布的场强和隔强磁强电的效果,也具有隔温的作用,所以在外部测的温度并不代表其内部温度,二者相差甚远,因此迫切需要解决电缆接头内部测温的难题。

2 SAW温度传感器与其天线安装位置

分析电缆接头结构及材料,在不破坏电缆接头性能的条件下测内部温度,需对电缆接头配件进行改造。绝缘塞是内部带有金属螺纹件的环氧树脂,与内部连接电力电缆的双头螺栓紧密贴合,所以测量绝缘塞内部金属螺纹件的温度即可测得电缆接头内部的温度。因此,设计改造电缆接头绝缘塞内部结构,将SAW温度传感器及其接收发射天线放置于金属螺纹件的后端(见图2)。制做带有无源无线测温功能的电缆接头新型绝缘塞,替换原绝缘塞,实现电缆接头内部温度测量功能。

图2 新型电缆接头绝缘塞结构图

3 理论和仿真分析

对电缆接头内部测温天线分析如下:

1) 根据电缆接头绝缘塞设计天线。

2) 对天线安装环境是否会影响频偏进行分析和仿真。

3) 对天线安装后的接收发射能力进行理论分析。

3.1 天线设计

SAW温度传感器具有12个通道,每个传感器中心谐振频率不同,各个温度对应的频点互不重叠,且对应的频点均分布在2.400～2.476 GHz,所需天线应以2.44 GHz为中心频率,频带内应尽量使回波损耗S11<-10 dB。螺旋天线主要分为轴向模和法向模模式,其中轴向模模式最实用,但尺寸较大,不适合电缆接头绝缘塞内部放置,因此,本文设计了法向模螺旋天线。

法向模螺旋天线特性与单极细线天线相仿,螺距角与导线粗细(特别是靠近馈电端的粗细)决定了输入阻抗。通过控制螺距、螺旋直径调节天线的性能,为实现法向模工作方式,使D/λ≪0.18(其中,λ为真空下谐振波长,D为螺旋直径),且有:

(1)

(2)

C=πD

(3)

式中:c为真空下光速;εr为相对介电常数;fr为谐振频率;L为天线全长;N为螺旋匝数;S为螺距;C为螺旋周长。

经过计算分析,设定初始模型参数,采用直径d1=1.4 mm的铜线右旋形成螺距S=3 mm、匝数N=5.4的螺旋天线,并安装在εr=4.4的FR-4介质基板上,基板各边长为25 mm。设置初始螺旋直径D=∅4 mm,采用集总端口激励方式,在HFSS仿真软件建立模型如图3所示。图中,H为电路板的厚度。

图3 天线模型图

在此模型下,对螺旋天线的D进行优化设置,通过仿真分析获得D对于天线S11的影响,仿真结果如图4所示。由图可知,当D越小时,C越小,中心频率越大。为了满足设计需求,设定螺旋直径D=4 mm。

图4 D对天线S11的影响

根据仿真设计的结构参数值对天线进行加工,使用AV3629D型微波矢量网络分析仪进行测量,其在2.38～2.50 GHz频带下天线S11≤-10 dB,在2.445 GHz下天线S11达到-21 dB,符合设计需求。

3.2 材料频偏影响分析

对于电磁波有:

λ=v/f

(4)

(5)

式中:f为电磁波频率;v为导电介质中光速。

根据式(4)、(5)可得,光在不同介质中的传输速度不同,而电磁波频率不变。因此,电磁波的波长不定。但天线是根据在空气中的波长设计的,判断将有微弱频偏。

根据电缆接头结构及各项参数,在HFSS建立的试验模型如图5所示。各部分材料尺寸均按照电缆接头进行设置,将天线按照图3所示方法安装在电缆接头绝缘塞内部,对于天线安装空间上壁与绝缘塞上壁的距离H1及绝缘塞侧壁厚度W1进行两组仿真,设置H1为5 mm、7.5 mm、10 mm,W1为6 mm、7 mm、8 mm。

图5 安装天线后结构图

对H1参数仿真计算后,S11结果如图6所示。

图6 H1对天线S11的影响

由6图得知,当距离变大时,天线的中心频率微升高,频带变窄,S11参数值变大。根据数据确立H1为7.5 mm,再对W1参数进行仿真测试,结果如图7所示。由图可知,厚度对所需频段内的天线性能基本无影响。

图7 W1对天线S11的影响

选择H1=7.5 mm、W1=8 mm的固定值进行方向图仿真,得到结果如图8所示。由图可知,所设计的天线在垂直方向、水平方向与各象限45°角方向上均具有良好的增益。

图8 安装环境下天线增益方向图

3.3 材料厚度对天线性能的理论分析

天线安装在电缆接头内部,所以只考虑天线穿透性,而电磁波的波长决定了其穿透能力,波长越长,穿透能力越差,绕射能力越强。弗里斯式:

r=-32.441 8-20lgd-20lgfM

(6)

衰减常数为

(7)

式中:r为能量密度的分贝值;d为距离;fM为频率;α为衰减常数;ω为角频率;μ为磁导率;σ为导电性能。

根据式(6)、(7)可知,距离越远,能量密度越小,有损介质的损耗角、导电性能和相对介电常数对天线发射信号的传递影响均较大。

4 试验验证

根据前文所述的模型结构,使用环氧树脂浇筑成可放置天线的电缆接头绝缘塞原型,环氧树脂的介电常数ε参考数据为3～4,损耗角tanδ≤0.004,按照安装空间上壁与绝缘塞上壁的距离为5 mm、7.5 mm、10 mm,挖空成底面直径为∅25 mm的圆柱形空间,并安装天线进行测量,天线安装如图9(a)所示。天线测试环境如图9(b)所示。

图9 安装测试

使用射频收发机发射2.4 GHz扫频信号,通过超宽带(UWB)天线对已经安装好天线的SAW测温芯片进行激励,对其返回的谐振信号进行放大接收,通过接收信号的强度判断天线的发射接收能力。使用矢量网络分析仪测量放在绝缘塞内部天线的S11,比较H1变化对天线性能的影响。测量数据如表1所示。

表1 测量数据对比表

由表1可看出,H1对天线频率、发射接收能力和S11有影响。H1越大,天线发射接受能力越弱,|S11|越大,与仿真分析结果吻合。通过对数据进行拟合可得:

f=0.001 6H1+2.432 3

(8)

S11=-1.24H1-7.8

(9)

由式(8)、(9)可得出H1对中心频率f和S11的影响。

5 结束语

为解决内置在电缆接头的SAW无源温度传感器信号无法传递问题,本文根据电缆接头的材料和结构,设计了一款中心频率为2.445 GHz、带宽为120 MHz的螺旋天线,其通带涵盖了工程内SAW温度传感器的频率。在HFSS中进行模型仿真分析,根据理论分析及仿真推得天线安装空间上壁与绝缘塞上壁的距离对天线的频带、反射系数均有轻微影响。通过具体试验验证仿真结果,证明天线可以在电缆接头内部传递信号。