苏圆圆，夏 熠，黄道均，马 凯，彭翔天，高 燃

(国网安徽省电力有限公司检修分公司，安徽合肥230093)

变压器作为连接发电、输电、配电与用户的重要设备，其安全稳定运行是保证电力系统可靠性的关键。根据相关统计数据，变压器发生故障时，相应部位会发生温度升高现象。温度是反映电力变压器当前状态的重要指标，其中油温可以表征其状态、负载能力和使用寿命，是变压器温度指标的关键参数，对变压器油温进行实时在线监测可有效预测和防止电力变压器故障。因此，对变压器油温进行在线监测具有重要意义[1-3]。

现有变压器油温监测方法是将感温探头置于变压器油箱温包内，通过有线的方式将数据传输至油温表和后台，该方法存在易受干扰、测温复杂等不足。近年学者们对光纤测温技术进行了研究，王恩等[4]针对变压器内部结构特点，研制一种光纤Bragg光栅温度传感器用于变压器油温、铁芯温度、绕组温度及上端部卡件温度等的监测；何妍等[5]对光纤光栅温度传感器在变压器油温测量中的应用进行了研究，设计制作了一种长寿命光纤光栅温度传感器。光纤测温是通过有线的方式完成数据传输过程，且存在光纤易损坏的不足。

射频识别(radio frequency identification，RFID)技术是直接通过射频信号完成读取和传输数据，其不具备感知功能，一般将传感器标签芯片与RFID技术结合，形成具有识别功能的无线传输系统。该技术不需考虑布线，具有成本低、维护简单、安全性高等特点，可满足实际应用中电力设备在线监测温度的要求。因此，利用RFID 技术实现无线测温成为电力系统研究的重要方向。刘杨杰等[6]设计一种基于RFID 技术的测温系统，通过光纤温度传感器和电子标签实现以无线的方式存储和阅读变压器油温。声表面波(surface acoustic wave，SAW)标签可工作于高温、高压、强电磁干扰等恶劣环境，近年来很多学者将SAW测温技术应用于电力系统中，如Ma等[7]将SAW技术应用于智能断路器温度在线监测；郭源[8]利用SAW技术实现高压开关柜的精确测温和实时温度监测。但将SAW 技术应用于变压器油温监测方面的研究较少，基于此，笔者将SAW 与RFID技术相结合，提出采用SAW-RFID系统实现变压器油温的在线监测。

1 SAW-RFID系统的设计

图1 SAW-RFID系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of SAW-RFID system

1.1 SAW-RFID系统的测温原理

相较于传统RFID 系统的电子标签，SAW 传播速度慢，回波信号返回时，周围的电磁干扰信号已返回，幅值已大大衰减，故通过信号幅值可轻易区分SAW回波信号与电磁干扰信号，从而避免周围电磁环境干扰；SAW 标签体积小、制作简单、成本低，内部不需电路结构，可在高温、液体或强电磁干扰等环境下正常工作。因此，文中采用SAW标签代替传统的电子标签[9-11]，SAW-RFID系统如图1。

如图1，SAW-RFID系统包括阅读器、标签和数据处理终端三部分。其工作过程为:阅读器通过自身的天线发送射频查询信号，SAW标签通过天线接收查询信号后，将信号传输至标签的叉指换能器；叉指换能器具有压电效应和逆压电效应，可实现射频信号与声表面波信号的相互转换，叉指换能器将接收的射频查询信号通过逆压电效应转为SAW信号，且将SAW信号传播至反射栅，再被反射回叉指换能器；叉指换能器再通过压电效应将SAW信号转换回射频信号，信号再经由标签天线发送至阅读器天线，通过数据处理终端对其进行的解调等处理分析出标签信息。SAW在压电基底表面传播的过程中，传播速度和波形等会受到压电基底表面温度的影响，通过分析回波信号的波形和相移等信息可得出当前标签所处的环境温度[12]。

1.2 SAW标签的设计

文中设计的SAW标签频率为433 MHz，SAW标签由叉指换能器、压电基底和反射栅三部分组成，影响其性能的主要是叉指换能器和反射栅[13]。

1.2.1 叉指换能器的设计

叉指换能器的结构如图2，图中PIDT为指间距。当叉指换能器的叉指宽度m 与叉指间距n 相等、且各孔径h 相等时，其为均匀等叉指的叉指换能器，激发的声表面波效果最好。因此，文中选用均匀等叉指的叉指换能器。

图2 叉指换能器的结构Fig.2 Structure of interdigita itransducer

SAW 在128°YX-LiNbO3沉积的叉指换能器上的传播速度vs为3 837.7 m/s，频率f0为433 MHz，因此其激发的SAW波长、叉指宽度分别为:

一般设置孔径h=(10～100)λ，文中设置h=100λ=886 μm。叉指对数Nt为另一影响叉指换能器性能的参数，文中通过MATLAB软件仿真Nt分别为10，20，30时叉指换能器的幅频响应特性，结果如图3。由图3可看出:Nt较小时，幅频响应特性带宽值较大，叉指换能器性能较差；Nt较大时，幅频响应特性的带宽窄，波形稳定，叉指换能器性能好。但叉指对数的增加会同步增加标签体积，且增加标签的制作难度和成本，故综合考虑文中设置Nt为20。

图3 Nt=10,20,30 时叉指换能器的幅频响应特性Fig.3 Amplitude frequency response characteristics of interdigital transducer at Nt=10,20,30

1.2.2 反射栅的设计

参考文献[14-15]，反射栅宽度为波长的1/4时，反射栅的反射系数最大，据此反射栅的宽度W为

叉指换能器到第一条反射栅之间的距离主要影响回波信号在时间轴上滞后射频查询信号的多少，为准确区分回波信号与射频查询信号，文中设计回波信号滞后射频查询信号1.5 μs，故叉指换能器到第一条反射栅之间的距离L 为

叉指换能器的带宽为标签中心频率的5%左右，故标签输入信号的带宽Δω 最大值为

脉冲宽度Ts最小值为

根据奈奎斯特准则可知，为保证相邻的回波脉冲之间波形不会产生重叠现象，各反射栅之间的距离ΔL ≥2Tsvs，故

各反射栅之间的距离ΔL 取360µm。反射栅的编码方式主要有开关键控、二进制相移键控和脉冲位置调制3种，其中脉冲位置调制法的编码容量较大，且损耗远远低于另外两种编码方式[16]。因此，文中选择脉冲位置调制的编码方式。

2 测试试验与结果分析

图4 封装后的标签Fig.4 Sealed label

采用文中提出的SAW-RFID 系统在线监测变压器油温，封装后的SAW温度标签如图4。为保证标签性能符合设计要求，对设计的温度标签进行校准和测试，并将该SAW-RFID测温系统在某变电站进行为期1 a的油温监测试验，验证该系统的可靠性。

2.1 标签校准

对设计制作的3 个SAW 标签分别在0，20，40，60，80 ℃处进行校准，测量误差结果如图5。由图5可知，在-10～90 ℃范围内标签的测量误差为-0.8～1 ℃，标签测温性能良好、误差低，可利用该SAW 标签实现温度监测。

2.2 标签通信距离测试

图5 五点校准测量误差Fig.5 Measurement error of five-point calibration

SAW 标签采集和传输温度数据是以433 MHz的高频信号为载体，而金属介质会通过反射影响电磁波的传播，从而影响标签的测温效果。因此，针对SAW标签与阅读器天线的相对位置进行模拟测试，确定SAW标签的通信距离。SAW标签与阅读器天线的位置布置如图6。

由图6 可知，SAW 标签与阅读器天线的位置布置为标签置于封闭式金属箱、天线置于金属箱外，标签置于敞开式金属箱、天线置于金属箱外，标签置于敞开式金属箱、天线置于金属箱3种情况。金属箱尺寸为150 cm×75 cm×60 cm，通过移动阅读器天线测试3种情况下的最大通信距离。测试结果为:图6(a)布置方式天线基本无法传播电磁波信号；图6(b)布置方式最大通信距离约145 cm；图6(c)布置方式箱内任意位置可接收到信号。文中采用SAW-RFID系统监测变压器油温时是以图6(b)方式布置标签与阅读器天线。距离测试结果表明，设计的SAW标签可放置于温包内实现变压器油温在线监测。

图6 SAW标签与阅读器天线位置布置示意图Fig.6 Layout of SAW tag and reader antenna

2.3 测试结果与分析

为测试文中提出SAW-RFID系统的可靠性，将3个SAW标签分别放置于某变电站监测主变本体油温的3个温包内，分别采用SAW-RFID系统和变电站内实际应用的感温探头测温方式对某变电站变压器油温进行为期1 a（2019-01-06 至2019-12-06）的监测，两种测温方式的结果如图7。

由图7 可知，在1 a 的试验周期内，采用SAWRFID系统监测变压器油温误差在±0.8 ℃，与实际应用的感温探头监测结果误差较小，表明SAW-RFID系统测温性能的可靠性高，可用其代替传统变压器油温监测方法。相较于传统感温探头的测温方式，SAW-RFID系统成本低，且为无源无线系统，故采用SAW-RFID系统实现变压器油温的在线监测具有显著优势。

图7 2019年两种测温方式的监测结果Fig.7 Monitoring results of two temperature measurement methods in 2019

4 结 论

将RFID 技术与SAW 技术相结合，提出采用SAW-RFID 系统在线监测变压器油温，采用SAW-RFID 系统在某变电站内变压器进行为期1 a的测温试验。测试结果表明，采用SAW-RFID系统监测的结果与变电站内现用的感温探头油温监测结果基本一致，误差在±0.8 ℃以内，SAW-RFID系统可实现变压器油温的在线监测。相较于传统感温探头的测温方式，SAW-RFID系统成本低，且为无源无线系统，故采用SAW-RFID系统实现变压器油温的在线监测具有显著优势。