伍珊珊，罗日成，张 正，黄辉虎

（长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）

SF6高压断路器是电力系统的关键主设备之一，其运行状态对电力系统的可靠安全运行具有重大的影响，高压断路器发生故障将造成严重后果，其直接危害是被断路器所保护的线路、设备受损，电量损失，间接危害是造成大面积的停电，影响正常的生产生活［1-2］.因此，对断路器触头腔体温度场实时监测技术的研究具有重要的现实意义.

SF6断路器触头腔体是一个密闭的空间，针对这一特殊环境的温度监测，要求植入的传感器必需具有结构简单、稳定可靠、体积小及功耗低等特性.目前，国内外常用的非接触式温度传感器主要有光纤传感器［3］、SAW 声表面波传感器［4］.光纤传感器主要是利用光的调制原理，可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射等恶劣环境下使用，具有高灵敏度及低损耗等优点，但其应用比较复杂，需要有光源、光的调制、检测手段及光传输中必要的透镜，它的多元性特征又使它易受其他非测量物理参数的影响；声表面波传感器因其具有无源无线、精度高、结构简单、稳定可靠、体积小及功耗低等优点，非常适合密闭空间和恶劣环境下的监测［5-6］.因此，无源无线声表面波传感器监测技术是一种非常理想的技术.

无源无线声表面波温度传感技术已经广泛应用于生物体内温度无线遥测、呼吸检测系统设计，但对于高压电力设备温度的在线监测仍在进一步的研究中.笔者旨在探讨SAW传感器对于断路器触头温度场监测技术的可行性.

1 SAW温度传感器的工作原理

1.1 SAW谐振器的工作原理

该系统采用的是基于单端口声表面波技术的谐振器，其结构如图1所示.

图1 单端口SAW谐振器结构示意Figure 1 SAW resonator sensor structure

单端口SAW谐振器由1个叉指换能器（IDT）和2个反射栅组成.IDT的作用是将激励信号能量引入和将谐振腔中能量引出.反射栅在IDT左右两边对称分布，构成一个声学谐振腔.IDT在压电基片表面激发的声表面波在这2个反射栅之间来回反射，当激励信号的频率与谐振腔尺寸相匹配时，在腔内形成驻波并发生谐振.谐振器的谐振频率（f0）是SAW传感器的重要特征参数，能够通过直接的函数关系反映温度T0信息.

当激励频率f等于其固有频率f0时，由于传感器的品质因素Q值很高，该传感器将发生谐振.其固有频率为

式中VSAW为声表面波在压电材料中的传播速度；L为反射栅间距.

当压电基片表面参数发生轻微改变，如应力、温度、表面介质等变化时，声表面波的传播速度（VSAW）与反射栅之间的间距（L）也会因此发生改变，从而引起谐振器的谐振频率变化.谐振频率与被测信息又存在直接的函数关系，因此，可以直接实现对被测物理化学参数的检测.其频率温度的特性方程为

式中T为任意温度；T0为参考温度；f0为参考温度为T0时的谐振频率；a0，b0，c0均为率温度系数，由实验确定该多项式的系数.

1.2 SAW温度传感器的组成及工作原理

温度传感装置包括3个模块：SAW测温、AC／DC及天线模块，共同完成断路器灭弧腔内温度信号的测量和信号的传输.其结构如图2所示，天线模块由天线1和2两部分组成，其中，能量耦合天线1为线绕电感线圈，负责外界辐射能量的接收.A／D模块由全波整流电路和稳压电路构成，全波整流电路将天线1耦合接收到的交流信号转化为直流信号，稳压电路将交流信号转化为稳定的电压信号，为传感器模块提供激励.测温模块包括有源振荡电路和SAW谐振器.

图2 传感器原理示意Figure 2 Sensor schematic

传感器的工作过程可分为信号发射和信号接收2个周期.在信号发射周期，信号发生装置发出的激励信号经IDT端的天线辐射后接收，经逆压电效应转换为同频声表面波，受被测量调制的声表面波经压电基片压电效应转换为带有被测信息的传感信号，经由叉指换能器端的天线辐射出去.在信号接收周期，由叉指换能器辐射出来的传感信号被信号接收装置接收，经放大、变频、滤波、再放大处理后，转换成数字信号输出，对信号的处理采用软件编程的实现方式，最终实现断路器触头温度参数的检测.

2 测温系统的硬件设计

2.1 系统总体结构

传感检测系统构架主要包括：用于SF6灭弧腔内温度传感的腔内植入式装置和用于信号接收及数据分析的腔外射频接收装置，其系统结构如图3所示.

图3 测温系统结构Figure 3 Measurement system diagram

启动RF信号发生模块，产生某一指定频率的正弦波信号，智能主控单元将该正弦波信号进行功率放大，AC／DC整流与稳压处理，将电流信号转化为稳定的直流电压信号后，为SAW传感模块提供激励.SAW传感模块将腔内的温度信号转化为某一对应频率的射频信号，经由微处理控制单元MCU处理后，由射频信号发送器的天线ANT2端辐射出去.腔外系统中的RF信号接收模块由天线ANT1将射频信号接收，经微处理机控制单元处理，将射频信号转化为相应的温度信号后，通过计算机将该温度信号显示.

2.2 信号发射电路设计

信号发射电路设计，一个最重要的因素就是射频芯片的选择.对RF芯片的选择要求：①频率工作范围广；②数据分辨率和采样率高；③频率稳定性高；④高频率精度；⑤信号电平范围广.另外，SF6断路器灭弧腔的高温高压、强电磁干扰以及密闭狭小的空间对RF芯片的发射功率、尺寸大小、功耗、抗干扰能力、性价比以及温度等参数都有很高的要求.综合考虑断路器触头温度测温的实际情况，该设计选用了INFINEON的TDK5110F［7］.载波频率选用433.92MHz，TDK5110F的标称发射功率达10 dBm，ASK／FSK工作方式任意选择.其电路如图4所示.

图4 TDK5110F外部应用电路Figure 4 TDK5110Fexternal circuit

RF芯片选定之后，需要进行PCB电路板的制作以及另外一些如电阻、电容、电感等元器件的选择.同时，还要重点考虑RF发射电路本振振荡和输出端口阻抗匹配网络的调试问题［8］.由温度引起的晶振频差和晶振负载电容的不一致都会直接导致接收灵敏度下降，因此，选择适当的晶振能够提高信号发射电路的灵敏度.本振电路通过调节参与晶振的2个电容，来达到晶振特性参数的平衡.该信号发射电路的工作频率为0.009～2 700MHZ，频率稳定性为±20×10-9，频率精度为±50×10-9，信号电平为-130～＋30dbm.

2.3 信号接收电路设计

信号接收机安装在断路器外，而温度信号发射器安装在断路器灭弧腔内，断路器运行过程中的高温高压、强电磁干扰等恶劣条件，要求接收机必须能够高灵敏地响应发送的射频信号.为提高接收灵敏度，在输入端增加一个一级噪声系数小于1dB的低噪声放大器，后接一个SAW滤波器.MAX7042外部工作电路如图5所示.

图5 MAX7042外部工作电路Figure 5 MAX7042external circuit

信号接收电路的制作工艺与发射电路基本相同，电阻、电容和电感等元器件的选择、阻抗匹配问题以及晶振特性参数的选择会直接影响灵敏度的问题也同样存在.PCB电路的制作要求：①晶体屏蔽和接地，短线连接，并远离天线的输入端口；②输入端口的匹配元件互成直角，并联匹配元件彼此分离布局；③天线不铺地或与其他信号线相交，电路板反面大面积多点接地；④去耦电容尽可能靠近电源和地线.通过网络分析仪进行Smith圆图分析，调整输入阻抗为50Ω，形成匹配网络.

2.4 小型天线的设计

天线是自由空间与发射机或接收机联系的重要设备，是实现无线数据传输的关键部件之一.它直接影响到系统的通讯距离、可靠性和稳定性.

天线设计中第1个重要的参数是天线的长度，应为所使用波长的1／4.就该系统而言，系统无线通信载波频率为433.92MHz，波长（m）［9］为

则天线的长度l＝0.25λ＝0.25×0.69＝0.173m.

天线设计中的第2个重要参数是天线的阻抗.天线的阻抗由辐射电阻、线阻抗和等效串联电阻组成，适当的电阻取值能够达到阻抗匹配，形成匹配网

式中l为导线长度（cm）；ω为导线宽度（cm）；t为导线厚度（cm）.

2）相邻导线间的电容（μF）.络，从而提高天线的通讯距离和通讯的可靠性.1／4波长天线的典型阻抗为36Ω.

为最大限度地达到阻抗匹配的目的，在小型天线的设计过程中，需要重点考虑导线间的电感、电容以及平行导线间的互感等参数.具体计算公式：

1）导线电感（μH）.

式中l为平行线长度（cm）；s为相邻导线间距（mm）；t为导线厚度（mm）；ω为导线宽度（mm）；εr为相对介电常数.

3）平行导线间的互感（μH）.

式中l为导线长度（cm）；D为两导线中心距离（cm）.

该系统用于断路器SF6腔体温度场的测量，属于不易接触物体的参数检测，这必然决定了天线的极限尺寸，根据这一实际特点选用单端螺旋天线［10］，单端螺旋天线的几何参数有螺旋直径D、螺距S、圈数N、每圈长度C、螺距角Δ及轴向长度L.其中：c2＝S2＋（πD）2，Δ＝tan-1（S／πD），L＝NS.单端螺旋天线由镀银绕制而成，尺寸相对较小，适当的天线直径、螺距、圈数、螺旋角取值能够提高天线的效率、增益并扩大天线发射和接收信号的角度，从而有效地克服了静、动态盲点.单端天线结构如图6所示.

图6 螺旋天线结构Figure 6 Helix antenna structure

3 系统性能测试

1）静态测试.信号发射器与接收器之间无障碍测量，发射器每隔限定的时间发送一次信号.接收器能够稳定地接收数据.静态测试表明测温系统的有效测温距离可达100m.

2）动态测试.将信号传感器安装在温度可调的微波炉内，设置微波炉温度使其线性升温，接收器在微波炉四周任何位置都能稳定地接收并准确显示温度数据.

3）将信号传感器安装在断路器静弧触头上，在高压断路器正常工作的情况下，测试人员手持信号接收器在断路器周围也能稳定地接收温度数据.性能测试表明，该系统在静态、动态及实际应用中均有很好的效果，无线通信系统发射接收数据稳定可靠.

4 结语

笔者设计了一种新型的单端口SAW谐振器无源无线温度传感装置，并针对该传感系统无线传输距离不够远这一技术难点，就发射和接收部分的电路结构及天线小型化进行了研究与设计，制定了从SAW测温芯片到通信天线的进一步改进计划.系统性能测试表明，该系统能够满足对SF6断路器触头温度场的实时监测.

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