蘇圓圓，夏 熠，黃道均，馬 凱，彭翔天，高 燃

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽合肥230093)

變壓器作為連接發(fā)電、輸電、配電與用戶的重要設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，變壓器發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)部位會(huì)發(fā)生溫度升高現(xiàn)象。溫度是反映電力變壓器當(dāng)前狀態(tài)的重要指標(biāo)，其中油溫可以表征其狀態(tài)、負(fù)載能力和使用壽命，是變壓器溫度指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)變壓器油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)可有效預(yù)測(cè)和防止電力變壓器故障。因此，對(duì)變壓器油溫進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有重要意義[1-3]。

現(xiàn)有變壓器油溫監(jiān)測(cè)方法是將感溫探頭置于變壓器油箱溫包內(nèi)，通過(guò)有線的方式將數(shù)據(jù)傳輸至油溫表和后臺(tái)，該方法存在易受干擾、測(cè)溫復(fù)雜等不足。近年學(xué)者們對(duì)光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了研究，王恩等[4]針對(duì)變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制一種光纖Bragg光柵溫度傳感器用于變壓器油溫、鐵芯溫度、繞組溫度及上端部卡件溫度等的監(jiān)測(cè)；何妍等[5]對(duì)光纖光柵溫度傳感器在變壓器油溫測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)制作了一種長(zhǎng)壽命光纖光柵溫度傳感器。光纖測(cè)溫是通過(guò)有線的方式完成數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，且存在光纖易損壞的不足。

射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)是直接通過(guò)射頻信號(hào)完成讀取和傳輸數(shù)據(jù)，其不具備感知功能，一般將傳感器標(biāo)簽芯片與RFID技術(shù)結(jié)合，形成具有識(shí)別功能的無(wú)線傳輸系統(tǒng)。該技術(shù)不需考慮布線，具有成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、安全性高等特點(diǎn)，可滿足實(shí)際應(yīng)用中電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)溫度的要求。因此，利用RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)溫成為電力系統(tǒng)研究的重要方向。劉楊杰等[6]設(shè)計(jì)一種基于RFID 技術(shù)的測(cè)溫系統(tǒng)，通過(guò)光纖溫度傳感器和電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)以無(wú)線的方式存儲(chǔ)和閱讀變壓器油溫。聲表面波(surface acoustic wave，SAW)標(biāo)簽可工作于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境，近年來(lái)很多學(xué)者將SAW測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，如Ma等[7]將SAW技術(shù)應(yīng)用于智能斷路器溫度在線監(jiān)測(cè)；郭源[8]利用SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)柜的精確測(cè)溫和實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。但將SAW 技術(shù)應(yīng)用于變壓器油溫監(jiān)測(cè)方面的研究較少，基于此，筆者將SAW 與RFID技術(shù)相結(jié)合，提出采用SAW-RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變壓器油溫的在線監(jiān)測(cè)。

1 SAW-RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1 SAW-RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of SAW-RFID system

1.1 SAW-RFID系統(tǒng)的測(cè)溫原理

相較于傳統(tǒng)RFID 系統(tǒng)的電子標(biāo)簽，SAW 傳播速度慢，回波信號(hào)返回時(shí)，周?chē)碾姶鸥蓴_信號(hào)已返回，幅值已大大衰減，故通過(guò)信號(hào)幅值可輕易區(qū)分SAW回波信號(hào)與電磁干擾信號(hào)，從而避免周?chē)姶怒h(huán)境干擾；SAW 標(biāo)簽體積小、制作簡(jiǎn)單、成本低，內(nèi)部不需電路結(jié)構(gòu)，可在高溫、液體或強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境下正常工作。因此，文中采用SAW標(biāo)簽代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子標(biāo)簽[9-11]，SAW-RFID系統(tǒng)如圖1。

如圖1，SAW-RFID系統(tǒng)包括閱讀器、標(biāo)簽和數(shù)據(jù)處理終端三部分。其工作過(guò)程為:閱讀器通過(guò)自身的天線發(fā)送射頻查詢信號(hào)，SAW標(biāo)簽通過(guò)天線接收查詢信號(hào)后，將信號(hào)傳輸至標(biāo)簽的叉指換能器；叉指換能器具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)與聲表面波信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，叉指換能器將接收的射頻查詢信號(hào)通過(guò)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)為SAW信號(hào)，且將SAW信號(hào)傳播至反射柵，再被反射回叉指換能器；叉指換能器再通過(guò)壓電效應(yīng)將SAW信號(hào)轉(zhuǎn)換回射頻信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)由標(biāo)簽天線發(fā)送至閱讀器天線，通過(guò)數(shù)據(jù)處理終端對(duì)其進(jìn)行的解調(diào)等處理分析出標(biāo)簽信息。SAW在壓電基底表面?zhèn)鞑サ倪^(guò)程中，傳播速度和波形等會(huì)受到壓電基底表面溫度的影響，通過(guò)分析回波信號(hào)的波形和相移等信息可得出當(dāng)前標(biāo)簽所處的環(huán)境溫度[12]。

1.2 SAW標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的SAW標(biāo)簽頻率為433 MHz，SAW標(biāo)簽由叉指換能器、壓電基底和反射柵三部分組成，影響其性能的主要是叉指換能器和反射柵[13]。

1.2.1 叉指換能器的設(shè)計(jì)

叉指換能器的結(jié)構(gòu)如圖2，圖中PIDT為指間距。當(dāng)叉指換能器的叉指寬度m 與叉指間距n 相等、且各孔徑h 相等時(shí)，其為均勻等叉指的叉指換能器，激發(fā)的聲表面波效果最好。因此，文中選用均勻等叉指的叉指換能器。

圖2 叉指換能器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of interdigita itransducer

SAW 在128°YX-LiNbO3沉積的叉指換能器上的傳播速度vs為3 837.7 m/s，頻率f0為433 MHz，因此其激發(fā)的SAW波長(zhǎng)、叉指寬度分別為:

一般設(shè)置孔徑h=(10～100)λ，文中設(shè)置h=100λ=886 μm。叉指對(duì)數(shù)Nt為另一影響叉指換能器性能的參數(shù)，文中通過(guò)MATLAB軟件仿真Nt分別為10，20，30時(shí)叉指換能器的幅頻響應(yīng)特性，結(jié)果如圖3。由圖3可看出:Nt較小時(shí)，幅頻響應(yīng)特性帶寬值較大，叉指換能器性能較差；Nt較大時(shí)，幅頻響應(yīng)特性的帶寬窄，波形穩(wěn)定，叉指換能器性能好。但叉指對(duì)數(shù)的增加會(huì)同步增加標(biāo)簽體積，且增加標(biāo)簽的制作難度和成本，故綜合考慮文中設(shè)置Nt為20。

圖3 Nt=10,20,30 時(shí)叉指換能器的幅頻響應(yīng)特性Fig.3 Amplitude frequency response characteristics of interdigital transducer at Nt=10,20,30

1.2.2 反射柵的設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[14-15]，反射柵寬度為波長(zhǎng)的1/4時(shí)，反射柵的反射系數(shù)最大，據(jù)此反射柵的寬度W為

叉指換能器到第一條反射柵之間的距離主要影響回波信號(hào)在時(shí)間軸上滯后射頻查詢信號(hào)的多少，為準(zhǔn)確區(qū)分回波信號(hào)與射頻查詢信號(hào)，文中設(shè)計(jì)回波信號(hào)滯后射頻查詢信號(hào)1.5 μs，故叉指換能器到第一條反射柵之間的距離L 為

叉指換能器的帶寬為標(biāo)簽中心頻率的5%左右，故標(biāo)簽輸入信號(hào)的帶寬Δω 最大值為

脈沖寬度Ts最小值為

根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則可知，為保證相鄰的回波脈沖之間波形不會(huì)產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，各反射柵之間的距離ΔL ≥2Tsvs，故

各反射柵之間的距離ΔL 取360μm。反射柵的編碼方式主要有開(kāi)關(guān)鍵控、二進(jìn)制相移鍵控和脈沖位置調(diào)制3種，其中脈沖位置調(diào)制法的編碼容量較大，且損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于另外兩種編碼方式[16]。因此，文中選擇脈沖位置調(diào)制的編碼方式。

2 測(cè)試試驗(yàn)與結(jié)果分析

圖4 封裝后的標(biāo)簽Fig.4 Sealed label

采用文中提出的SAW-RFID 系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)變壓器油溫，封裝后的SAW溫度標(biāo)簽如圖4。為保證標(biāo)簽性能符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)設(shè)計(jì)的溫度標(biāo)簽進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試，并將該SAW-RFID測(cè)溫系統(tǒng)在某變電站進(jìn)行為期1 a的油溫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性。

2.1 標(biāo)簽校準(zhǔn)

對(duì)設(shè)計(jì)制作的3 個(gè)SAW 標(biāo)簽分別在0，20，40，60，80 ℃處進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量誤差結(jié)果如圖5。由圖5可知，在-10～90 ℃范圍內(nèi)標(biāo)簽的測(cè)量誤差為-0.8～1 ℃，標(biāo)簽測(cè)溫性能良好、誤差低，可利用該SAW 標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。

2.2 標(biāo)簽通信距離測(cè)試

圖5 五點(diǎn)校準(zhǔn)測(cè)量誤差Fig.5 Measurement error of five-point calibration

SAW 標(biāo)簽采集和傳輸溫度數(shù)據(jù)是以433 MHz的高頻信號(hào)為載體，而金屬介質(zhì)會(huì)通過(guò)反射影響電磁波的傳播，從而影響標(biāo)簽的測(cè)溫效果。因此，針對(duì)SAW標(biāo)簽與閱讀器天線的相對(duì)位置進(jìn)行模擬測(cè)試，確定SAW標(biāo)簽的通信距離。SAW標(biāo)簽與閱讀器天線的位置布置如圖6。

由圖6 可知，SAW 標(biāo)簽與閱讀器天線的位置布置為標(biāo)簽置于封閉式金屬箱、天線置于金屬箱外，標(biāo)簽置于敞開(kāi)式金屬箱、天線置于金屬箱外，標(biāo)簽置于敞開(kāi)式金屬箱、天線置于金屬箱3種情況。金屬箱尺寸為150 cm×75 cm×60 cm，通過(guò)移動(dòng)閱讀器天線測(cè)試3種情況下的最大通信距離。測(cè)試結(jié)果為:圖6(a)布置方式天線基本無(wú)法傳播電磁波信號(hào)；圖6(b)布置方式最大通信距離約145 cm；圖6(c)布置方式箱內(nèi)任意位置可接收到信號(hào)。文中采用SAW-RFID系統(tǒng)監(jiān)測(cè)變壓器油溫時(shí)是以圖6(b)方式布置標(biāo)簽與閱讀器天線。距離測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的SAW標(biāo)簽可放置于溫包內(nèi)實(shí)現(xiàn)變壓器油溫在線監(jiān)測(cè)。

圖6 SAW標(biāo)簽與閱讀器天線位置布置示意圖Fig.6 Layout of SAW tag and reader antenna

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

為測(cè)試文中提出SAW-RFID系統(tǒng)的可靠性，將3個(gè)SAW標(biāo)簽分別放置于某變電站監(jiān)測(cè)主變本體油溫的3個(gè)溫包內(nèi)，分別采用SAW-RFID系統(tǒng)和變電站內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的感溫探頭測(cè)溫方式對(duì)某變電站變壓器油溫進(jìn)行為期1 a（2019-01-06 至2019-12-06）的監(jiān)測(cè)，兩種測(cè)溫方式的結(jié)果如圖7。

由圖7 可知，在1 a 的試驗(yàn)周期內(nèi)，采用SAWRFID系統(tǒng)監(jiān)測(cè)變壓器油溫誤差在±0.8 ℃，與實(shí)際應(yīng)用的感溫探頭監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較小，表明SAW-RFID系統(tǒng)測(cè)溫性能的可靠性高，可用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器油溫監(jiān)測(cè)方法。相較于傳統(tǒng)感溫探頭的測(cè)溫方式，SAW-RFID系統(tǒng)成本低，且為無(wú)源無(wú)線系統(tǒng)，故采用SAW-RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變壓器油溫的在線監(jiān)測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖7 2019年兩種測(cè)溫方式的監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of two temperature measurement methods in 2019

4 結(jié) 論

將RFID 技術(shù)與SAW 技術(shù)相結(jié)合，提出采用SAW-RFID 系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)變壓器油溫，采用SAW-RFID 系統(tǒng)在某變電站內(nèi)變壓器進(jìn)行為期1 a的測(cè)溫試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，采用SAW-RFID系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果與變電站內(nèi)現(xiàn)用的感溫探頭油溫監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，誤差在±0.8 ℃以內(nèi)，SAW-RFID系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變壓器油溫的在線監(jiān)測(cè)。相較于傳統(tǒng)感溫探頭的測(cè)溫方式，SAW-RFID系統(tǒng)成本低，且為無(wú)源無(wú)線系統(tǒng)，故采用SAW-RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變壓器油溫的在線監(jiān)測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)。