摘要：针对高压单芯交联电缆密封接头内部在线测温应用场景，该文设计了一种内置式无源无线声表面波传感器及其读取器。着重介绍了实现传感器响应信号高灵敏检测的射频电路设计细节。将高压电缆铜线芯变成传感器接收天线的一部分，由于电缆线芯与读取天线的耦合作用，增强了响应信号。读取器采用高增益偶极子天线和自适应发射功率调节，提供足够强的激励信号;通过有效抑制或阻隔沿“路”或“场”传播的高频干扰，提高了信噪比和接收灵敏度。110kV电缆试验结果表明，在接近实际运行条件下，所研制的样机不仅通信效果良好，且测温数据能准确反映电缆密封接头内部温度变化。
关键词：高压电缆密封接头;声表面波;在线测温;电缆线芯耦合;接收灵敏度;温升试验
0引言
随着城市建设的快速发展，高压电力电缆比例逐渐增大，已成为城市电网重要组成部分。高压电缆的运行状态监测是城市电网安全运行的重要保障。由于电缆制造工艺、施工质量、老化等原因，加之长时间大电流运行，高压电缆接头处发热严重，导致故障频发。因此，及时准确了解电缆接头处的温度参数有利于合理评估电缆运行状况[1]。
目前，高压电力电缆测温多采用有源无线测温技术[2-4]及分布式光纤测温技术[5-7]。有源无线测温方式通过在电缆接头表面安装接触式的无线温度传感器，以无线方式将温度测量结果发送到汇聚节点进行集中处理。有源传感器主要采用以色列锂电池或电流互感器取能电源供电，但电池有火灾隐患、续航能力不足等缺点。同时由于传感器仅接触电缆接头外表面，与电缆线芯隔着绝缘层和金属铠，所以监测的温度数据误差较大，并不能真实反映电缆接头内部温度。分布式光纤测温则多采取在高压电缆外部敷设感温光纤来监测电缆表面温度，具有连续测温、分布式测温及抗电磁干扰等优点，但测量误差大;若采取内部敷设感温光纤，虽可以提高测量精度，但会对电缆的绝缘强度、电场分布产生一定的影响。同时由于电缆铺设距离较长且运行环境复杂，光纤铺设实施的工作量较大，成本较高;光纤易折断，也给运行维护带来很大的负担。除了直接测温，文献[8-9]提出通过测量导体承载电流及电缆金属外护套电流来间接估算电缆接头温度，该方法依赖于模型的精度，仍有较大的计算误差。
随着声表面波(SAW)技术的成熟，它为电气设备在线测温应用提供了新的途径。文献[10]提出了一种基于无源无线SAW传感技术与紫蜂协议组网的开关柜电缆室温监测系统设计方案。文献[11]研制了一套基于SAW技术的智能电网温度监控系统并投入应用，实现了开关柜母排在线测温。文献[12]详细介绍了面向智能化配网中压开关柜动静触头温度、环网柜电缆终端头温度与配网变压器油温/油位监测、在炼铝电解槽温度监控等场合的无源无线SAW温度传感器结构、工艺设计与应用情况。
针对高压单芯交联电缆密封接头内部在线测温应用场合，本文设计了一种内置式无源无线的SAW温度传感器及其读取器。本文首先介绍了SAW测温的基本原理;其次，针对SAW响应信号的高灵敏检测，设计了内置SAW温度传感器及其读取器的射频电路和结构;最后，搭建110kV电缆温升和交流耐压试验平台，以验证所研制的SAW测温系统样机在接近实际工况下应用的可行性。
1无源无线SAW测温原理
1.1谐振型SAW温度传感器
无源无线单端对谐振型SAW传感器测温原理如图1所示。在SAW谐振器内部的陶瓷基片上，叉指换能器(IDT)与天线相连，两侧布置等间距的反射栅。读取器发射433MHz频段的间歇式正弦脉冲激励信号，经天线传送至SAW传感器的IDT。IDT由于逆压电效应，将接收到的电波转换成沿陶瓷基片表面传播的SAW。SAW在两侧反射栅来回反射、叠加，形成驻波。响应信号则呈现以谐振频率为主频衰减振荡形式。只要测量出该信号主频，便可用于估算被测品温度。
2内置SAW温度传感器及其读取器设计
在电缆密封接头内部测温应用中，SAW传感器接收的激励信号和读取器接收的响应信号强度可能很弱，导致响应信号不易或不能被有效检测。造成被检测信号弱的原因主要有两方面：
1)SAW传感器响应信号幅度取决于激励信号的幅度与激励周期，且衰减时间由SAW器件等效RLC电路参数决定，一般为几十微秒。
2)射频信号传输穿过厚绝缘层、屏蔽网等障碍会明显衰减。只有当接收信号强度大于接收灵敏度，响应信号才能被有效识别。提高接收灵敏度可以检测微弱信号，而提高信号强度可以改善信号稳定性。因此，本系统的射频电路设计应达到足够高的发射功率与接收灵敏度，以实现SAW无线通信稳定。
2.1SAW温度传感器结构设计
如图3(a)所示，应用于110kV电缆密封接头内部测温场合的SAW温度传感器，设计成圆环型结构，嵌套在高压电缆接头的线芯上，并与线芯和主绝缘层紧密贴合。图3(b)中，传感器外壳材料为交联聚乙烯;传感器外壳尺寸：外径为?64mm，内径为?32mm，厚为16mm;SAW温度传感器嵌在壳体内部凹槽中，内侧外露软铜片与线芯接触。
SAW温度传感器的硬件结构如图3(c)所示，主要由柔性天线、SAW器件和软铜片组成。柔性天线以聚酰亚胺为基材，设计成螺旋偶极子天线，实现小型化、可弯曲。由于天线增益大小直接影响信号的发射强度和接收能力，而水平偶极子天线在水平面上辐射图以天线为对称轴、馈电点为切点的两个圆(即具有8字形方向图形)，所以SAW传感器在电缆横向上具有较高的定向性能和增益，即该方向辐射(接收)信号能力强。同时，高增益天线还需要在足够大的发射功率源作用下才能有效发挥作用。故将偶极子天线的一极、软铜片与高压电缆粗铜线芯连成一体，则电缆粗铜线芯成为接收天线的一部分。由于电缆线芯与读取天线的耦合作用，增强了传感器接收能力，即作用在SAW器件上的激励信号增强，响应信号也随之增强，从而改善了响应信号稳定性。此外，软铜片的中间位置与SAW器件背面的大块覆铜(信号地)焊接在一起，实现测温点处热量快速传递到SAW器件内部。
2.2读取器硬件设计
读取器是SAW测温系统的核心，主要完成与SAW传感器、测试后台之间的交互。由于SAW传感器响应信号衰减时间一般只有几十微秒，故读取器的射频收发电路采用分立器件实现。如图4所示，本系统读取器的硬件框架主要由读取天线、射频收发开关、频率合成单元、发射机单元、接收机单元、数字信号处理器(DSP)主控单元等组成。其中，频率合成单元产生两路中频信号源，作为激励信号和响应信号的本振。
读取器的主要工作模式为发射和接收模式。在发射模式下，DSP控制发射单元发射激励信号，激励SAW传感器产生谐振。在接收模式下，DSP控制接收单元检测SAW传感器响应信号的RSSI大小。
1)DSP主控单元。DSP采用TMS320F28335主控芯片，其主要任务有：
a.配置射频收发电路的频率合成器。
b.对发射激励信号、接收响应信号进行时序控制。
c.通过片内模数转换(ADC)模块采集RSSI信号，根据扫频范围内的RSSI来确定谐振频率，然后计算出传感器的温度值，并传输到测试后台显示。
2)频率合成器。频率合成器采用集成压控振荡器+锁相环的芯片Si4112，由其产生两路中频信号，一路用作发射激励信号，另一路用作接收本振信号，且两者的频率差为10.7MHz，该频率为接收机中频子系统AD608的中频输出频率，实现接收信号降频。Si4112内部主要是一个可编程直接数字频率合成系统，其输入参考时钟频率fref为19.2MHz，由N、R两个分频寄存器实现数控频率输出fout=frefN/R，且频率更新率fref/R=2Δf。利用Si4112编程工具得到寄存器值后，由DSP通过串行接口完成Si4112内部寄存器配置。当PWDN引脚输入高电阻和掉电寄存器中PDIB位置1时，Si4112可产生一个频谱纯净的模拟正弦波输出。
3)发射机单元。在发射模式下，DSP控制Si4112输出间歇的正弦脉冲激励信号。信号先通过6位数字步进衰减器RFSA2644进行衰减，即DSP会根据RSSI自适应修改RFSA2644内部6位增益寄存器值来调节发射增益，避免系统功耗过大。再经过低噪声放大器(LNA)和射频开关RF6504内部功放(PA)实现两级功率放大，以提供足够强的激励信号。其中，第一级放大高达17dBm，第二级放大高达30dBm。
LNA用于射频弱信号放大，为了保证输出信号一定的信噪比及抑制后级电路对系统噪声性能的影响，LNA要求低噪声和高增益。同时，LNA还应具备较高的线性度，降低带外干扰信号对接收机的影响。本系统采用高性能的低噪声射频前端放大器RF2373，其噪声系数(输入信噪比/输出信噪比)为1.1dB@880MHz。
4)接收机单元。在接收模式下，天线接收到响应信号，先经过结构简单的无源声表滤波器SJKT435进行带通滤波，保留433MHz频段信号，滤除其他频段杂讯。带通滤波后的微弱信号经过两级LNA进行放大。
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若对433MHz频段的响应信号直接采样，无疑增大了ADC硬件电路设计难度和提高了成本，因此需要进一步对响应信号进行混频预处理。将频率合成器生成的接收机本振信号(fc)与放大后的响应信号(fSAW)连接到AD608进行混频。混频后信号可以分解成fSAW+fc和fSAW-fc两个分量，经过低通滤波和10.7MHz陶瓷滤波器(带宽180kHz)，即可获得10.7MHz中频信号。中频信号经过对数放大等处理后，输出两路模拟电压量：硬件限幅和RSSI(带宽2MHz)。其中，硬件限幅输出为-200～200mV;当对数放大器输入功率为-75～+5dBm，对应的RSSI输出电压为0.2～1.8V(由于对数斜率为20mV/dB，故RSSI具有80dB动态范围)。本文以-75dBm为0基准功率，故RSSI相对值为0～80dB。最后，由DSP控制片内ADC模块完成RSSI信号采样及数据处理。
5)读取天线设计。读取天线也设计成高增益的偶极子柔性电路板(PCB)天线(见图5(a))。由图5(b)可知，读取天线粘贴在距离SAW传感器约20cm的绝缘套管表面，天线对称轴与电缆横向垂直。此时读取天线辐射强度最大方向与传感器天线一致，接收效果最佳。此外，为防止缠绕在电缆接头绝缘套管上的金属屏蔽缠带屏蔽信号，读取天线位置处不缠绕金属屏蔽缠带。
2.3提高接收灵敏度的措施
对于接收机而言，除了2.2节中接收前端部分采用声表滤波器和LNA处理接收信号，本节进一步通过有效阻隔来自发射机和频率合成器等单元的高频干扰，实现高信噪比和接收灵敏度。从“路”的层面来看，为减小发射机对接收机的泄漏干扰，在两者路径上各增设一个具有高隔离度、低插入损耗的射频开关ADG901，即图4中的单刀单掷开关。ADG901在500MHz的典型隔离度(输入与输出之间的衰减度)为47dB。从“场”的层面来看，为减少发射机和频率合成器等高频电路对接收机的噪声影响，读取器射频电路PCB布局时应将两部分远离和增加金属屏蔽。如图6所示，发射机和频率合成器布置于PCB顶层，接收机则布置于PCB底层，并通过大面积敷地铜和金属外壳构成屏蔽层。
3系统测试
3.1铜棒耦合实验
为了初步验证采用电缆线芯耦合方式增强传感器响应信号的有效性，采用铜棒代替高压电缆线芯进行模拟，在同一位置进行有无铜棒耦合方式下接收信号强度对比实验，如图7所示。图8为实测扫频范围内接收信号功率曲线。由图8可知，有铜棒耦合情况下谐振频率对应的RSSI超过14dB;无耦合情况下谐振频率对应的RSSI约为6dB。因此，增加铜棒耦合，接收信号强度明显提高，有效改善了响应信号稳定性。
3.2110kV电缆温升与交流耐压试验
为进一步验证所研制的样机在接近实际工况下应用的可行性，在220kV高压试验大厅搭建了如图9所示的110kV电缆温升与交流耐压试验平台。图9中，110kV被试电缆的线芯截面积为800mm2。SAW传感器与读取天线在电缆密封接头处的布置如图5(b)所示。将被试电缆两端用铜排短接，使用大电流发生器在被试电缆中产生电流，进行电缆线芯温升试验;将调感串联谐振试验装置(型号XZL-600/300I)输出与被试电缆一端线芯连接，进行交流耐压试验。
1)温升试验。试验开始阶段，被试电缆不加压，只通过大电流发生器对其进行载流预热，预热时间约为1h。设置SAW测温后台每20s采集和保存一次温度与RSSI数据。从SAW测温后台调取预热阶段记录的历史温度与RSSI数据，绘制出曲线如图10所示。图10不仅反映了被试载流电缆线芯预热阶段的温升趋势，且接收信号强度稳定，分布在5～10dB。
2)交流耐压与大电流试验。预热阶段结束后，为模拟电缆线路实际运行状态，对被试电缆同时进行交流耐压与大电流试验。如图11(a)所示，串联谐振测控系统后台界面显示的交流试验电压高达129.1kV。如图11(b)、(c)所示，在大电流温升试验系统操作台上，当输入电流为135A，被试电缆电流为1971A时，当前SAW测温值为85.2℃，信号强度条指示中等强度;减小电流调节旋钮，当输入电流为131A，被试电缆电流为1909A时，由于电缆继续升温，当前SAW测温值为96.1℃，信号强度条仍指示中等强度。两组试验结果证明在高压大电流的强(工频)电磁环境下，所研制的内置SAW传感器与外部读取器通信效果保持良好，并实现了电缆密封接头在线测温。
4结束语
本文设计了一种应用于高压单芯交联电缆密封接头内部在线测温的内置式无源无线SAW传感器及其读取器。为实现SAW响应信号的高灵敏度检测，从提高信号强度和接收灵敏度角度出发，采取如下措施：SAW传感器采用螺旋偶极子天线，利用高压电缆线芯耦合放大作用，显著增强了SAW响应信号，铜棒耦合实验证实了这一点。读取器采用自适应发射功率调节，高增益偶极子读取天线，以及让读取天线最大辐射方向与传感器天线一致等手段，以提供足够强的激励信号;同时通过有效抑制或阻隔潜在的沿“路”或“场”传播的高频干扰，达到高信噪比和接收灵敏度。110kV电缆试验结果表明所研制的样机在接近实际运行条件下，不仅检测到的接收信号强度达到中等，且测温结果能准确反映出电缆接头内部温度变化。——论文作者：庞丹1，王朝斌2，王晓岩1，赵昌鹏1，王振浩2
