(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京 211000； 2.上海置信電氣股份有限公司,上海 200335；3.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240； 4.劭行(蘇州)智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215123)

配電變壓器作為配電網(wǎng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行的安全可靠性至關(guān)重要。我國(guó)地域?qū)拸V，電網(wǎng)多為輻射型網(wǎng)絡(luò)，變壓器安裝密集、事故多、檢修停電范圍大。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委《關(guān)于“十三五”期間實(shí)施新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級(jí)工程意見(jiàn)》，對(duì)配電變壓器[1-2]，尤其是農(nóng)村的配電變壓器在線監(jiān)測(cè)，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。

配電網(wǎng)大量使用的油浸式配電變壓器，目前采用油浮式機(jī)械油位指示器和機(jī)械溫度計(jì)，尚無(wú)法對(duì)油位和油溫等非電量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，只能依靠人工目視巡檢，巡檢難度大，漏檢率高。因此，研制一種基于無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)的配電變壓器油位和油溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)警系統(tǒng)，具有重要意義。

聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)傳感器同時(shí)具備無(wú)源和無(wú)線的特性。無(wú)源特性保證了傳感器安裝后設(shè)備免維護(hù)，消除了有源傳感器的諸多弊端；無(wú)線特性則保障了設(shè)備足夠的電氣安全。目前，聲表面波無(wú)線溫度傳感器也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)柜、電纜接頭、高壓斷路器等電力設(shè)備測(cè)溫系統(tǒng)[3-9]。針對(duì)聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)在配電變壓器的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了差動(dòng)結(jié)構(gòu)傳感器，并采用有限元/邊界元 (Finite Element Method/Boundary Element Method,FEM/BEM)方法優(yōu)化了傳感器溫度采集特性，保證了傳感器溫度監(jiān)測(cè)工作的可靠性；同時(shí)，采用磁控開(kāi)關(guān)切換天線連接，以低成本實(shí)現(xiàn)了變壓器油位狀態(tài)的少油報(bào)警監(jiān)視。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)新型環(huán)形PIFA平面倒F抗金屬天線(Planar Inverted-F Antenna,PIFA)，實(shí)現(xiàn)了溫度監(jiān)測(cè)傳感器和變壓器原有油位計(jì)的一體化設(shè)計(jì)；結(jié)合閱讀裝置最終實(shí)現(xiàn)了基于聲表面波技術(shù)的配電變壓器油溫、油位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

配電變壓器油溫油位一體化無(wú)源無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由油溫油位一體化無(wú)源無(wú)線監(jiān)測(cè)傳感器和閱讀裝置組成。閱讀裝置和無(wú)源無(wú)線傳感器之間通過(guò)無(wú)線鏈路完成變壓器油箱中頂層油溫信息和油位位置開(kāi)關(guān)信息的傳感，閱讀裝置解析相關(guān)傳感信息并可接入智能配電變壓器監(jiān)測(cè)終端(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit,TTU)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

無(wú)源無(wú)線傳感器的核心技術(shù)是SAW諧振器，該技術(shù)的原理如圖1所示。閱讀器通過(guò)閱讀器天線發(fā)射窄帶電磁波，該電磁波被傳感器天線接收，激勵(lì)由壓電工藝制作的單端口SAW諧振器，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)將傳感器天線接收的電磁波轉(zhuǎn)換為SAW。單端口聲表面波諧振器(SAW Resonator,SAWR)的實(shí)際諧振頻率則是由諧振腔的結(jié)構(gòu)以及基片所處的環(huán)境影響決定的(如被測(cè)物處的溫度、應(yīng)變等)。當(dāng)激勵(lì)消失之后，帶內(nèi)各頻率分量的聲表面波會(huì)以不同的時(shí)間常數(shù)自由衰減振蕩，只有頻率與SAWR固有諧振頻率相同的電磁波持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。IDT通過(guò)壓電效應(yīng)將SAW再次轉(zhuǎn)化為電磁波并由天線輻射出來(lái)。閱讀器接收被測(cè)量影響的衰減振蕩電磁波后估計(jì)出其諧振頻率，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)傳感量的無(wú)線測(cè)量。

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中主要難點(diǎn)是變壓器油位和油溫一體化監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)，即通過(guò)合理的設(shè)計(jì)使傳統(tǒng)的油位計(jì)具備油位和油溫監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)不影響油位計(jì)原有的指示功能和機(jī)械特性。

圖1 聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感原理

設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)和實(shí)物分別如圖2(a)和圖2(b)所示，包括用于產(chǎn)生油位報(bào)警的傳感器、用于測(cè)量變壓器油溫的傳感器、磁控開(kāi)關(guān)、磁性體、標(biāo)識(shí)管，裝置外殼、傳感器天線、閱讀器天線及閱讀器等部分。1號(hào)傳感器固定在裝置外殼上，用于測(cè)量環(huán)境溫度和產(chǎn)生油位少油報(bào)警。2號(hào)傳感器內(nèi)嵌于變壓器油位計(jì)的浮子中，用于測(cè)量頂層油溫；磁控開(kāi)關(guān)安裝在裝置外殼的內(nèi)壁上，可耐受高溫的磁性體內(nèi)置于油位計(jì)的標(biāo)識(shí)管中，并由連桿帶動(dòng)隨浮子上下移動(dòng)。當(dāng)油位過(guò)低(少油)時(shí)，磁性體下移至磁控開(kāi)關(guān)觸發(fā)工作產(chǎn)生油位報(bào)警。

圖2 變壓器油位和油溫一體化監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

實(shí)際使用中最關(guān)心的是變壓器的油位低的報(bào)警狀態(tài)，為了以低成本實(shí)現(xiàn)油位的少油狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，采用串聯(lián)磁控開(kāi)關(guān)的方式來(lái)控制天線和1號(hào)傳感器之間電路的通斷。該開(kāi)關(guān)在油位正常時(shí)處于閉合狀態(tài)，傳感器與傳感器天線連通，當(dāng)油位低到設(shè)定位置時(shí)，隨油浮位置浮動(dòng)的磁鐵遠(yuǎn)離磁控開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，閱讀器將長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法測(cè)量到環(huán)境溫度，作為油位的低位判別依據(jù)。而當(dāng)油位正常時(shí)，該傳感器可持續(xù)提供環(huán)境溫度信息，而且能夠準(zhǔn)確地計(jì)算變壓器油溫溫升。

2 SAW敏感器件設(shè)計(jì)

配電變壓器的工作環(huán)境中，存在較強(qiáng)的電磁干擾，SAW傳感器的原理是依靠器件的頻率-溫度特性進(jìn)行溫度信息的傳感，因此，如果僅以單個(gè)SAW器件的頻率測(cè)量溫度，則極易受到各種環(huán)境因素的干擾。為此，每個(gè)SAW傳感器均采用圖3所示的兩個(gè)諧振器組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)諧振器在基片上與傳播方向呈不同的夾角，具有不同的溫度特性，將兩個(gè)諧振器之間的頻率差值作為溫度測(cè)量的依據(jù)，從而抵消干擾的影響，保證了測(cè)量的高精度。

圖3 差動(dòng)式SAW傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

變壓器油溫傳感器需工作在最高150 ℃的溫度下，且測(cè)溫范圍較寬，因此需要對(duì)傳感器的溫度敏感特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足全溫段的精度要求，并且在高溫段，傳感器應(yīng)當(dāng)具備更高的靈敏度以抵消高溫對(duì)器件性能的影響。

SAW傳感器的溫度特性主要由基片切型、電極材料以及器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定，采用FEM/BEM方法結(jié)合廣義格林函數(shù)，可精確計(jì)算完整器件的溫度特性。首先，使用該方法計(jì)算了不同石英切型下的溫度系數(shù)，其結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)不同石英切型的溫度系數(shù)，優(yōu)化地選擇了AT切石英(0，126°，γ)，并對(duì)此切型上與傳播方向呈不同夾角的諧振器溫度特性進(jìn)行了精確計(jì)算，最終選定γ=0°和γ=39°兩種傳播方向的諧振器構(gòu)成差動(dòng)傳感器，其溫度特性如圖5所示，其在常溫段具有較好的線性度，而在高溫段具有較高的靈敏度，可有效補(bǔ)償高溫對(duì)器件性能的影響。

圖4 不同石英切型的溫度系數(shù)(TCD)

圖5 傳感器的溫度特性

3 傳感器天線設(shè)計(jì)

配電變壓器主要工作環(huán)境為戶外，油位計(jì)外形設(shè)計(jì)有一定的規(guī)范，加裝傳感器不應(yīng)大幅改變?cè)凶儔浩鞯耐庑?，因此天線必須盡量選擇低剖面天線以減少突出。而變壓器油位計(jì)整體為鑄鋁材料，對(duì)天線的抗金屬性能也提出了很高的要求，并且由于變壓器的管狀外形，低剖面天線的輻射效率也會(huì)急劇下降。

PIFA天線利用接地平面來(lái)控制天線的阻抗和帶寬，通過(guò)調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)和接地點(diǎn)之間的物理間距可以很容易地調(diào)節(jié)在金屬表面時(shí)的天線阻抗，從而保證在金屬環(huán)境下的天線性能；該類型天線還具有較低的剖面，可依照油位計(jì)的外形將輻射面設(shè)計(jì)為環(huán)形；同時(shí)PIFA天線的饋電端和接地端直接相連，保證了傳感器的可靠接地，具有良好的電氣特性。

通過(guò)HFSS電磁仿真軟件，建立了包括變壓器油位計(jì)在內(nèi)的仿真模型，最終經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的環(huán)形PIFA天線實(shí)物如圖6所示，天線環(huán)形輻射體半徑28 mm，弧度280，寬度為10 mm，材料為0.4 mm厚的鍍錫銅片，此優(yōu)化條件下的S11仿真結(jié)果如圖7所示,天線諧振頻率為433 MHz，-10 dB帶寬為7 MHz，天線的方向圖如圖8所示，其相對(duì)增益約為0.9 dBi，輻射效率約為0.43。

圖6 PIFA天線仿真模型和實(shí)物

圖8 環(huán)形PIFA天線的方向圖和輻射效率

4 系統(tǒng)測(cè)試

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)油溫傳感器的精度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試采用加熱臺(tái)對(duì)配電變壓器油進(jìn)行加熱模擬溫升，油溫傳感器和熱電阻浸入油內(nèi)同一液面，設(shè)置加熱臺(tái)至一定溫度后1 h分別讀取無(wú)線傳感器和熱電阻數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表1所示，無(wú)線傳感器在測(cè)試的溫度段內(nèi)都表現(xiàn)出非常好的精度。

表1 油位傳感器精度測(cè)試結(jié)果 單位：℃

使用同樣的平臺(tái)針對(duì)傳感器的溫升動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試，在20 ℃的室溫下，使用加熱臺(tái)將變壓器油加熱至75 ℃，將室溫下的油溫傳感器直接置入油內(nèi)，模擬溫度突變的情況，其結(jié)果如圖9所示，系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的溫升動(dòng)態(tài)特性。

圖9 溫升試驗(yàn)結(jié)果

上海置信電氣股份有限公司針對(duì)傳感器在10 kV配電變壓器環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)行了測(cè)試，如圖10所示。測(cè)試內(nèi)容包括密封與壓力釋放檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)、溫升測(cè)試以及功能測(cè)試，系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠。當(dāng)變壓器油溫高于設(shè)定的溫升值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出油溫報(bào)警。當(dāng)紅色油浮在視窗內(nèi)超過(guò)2/3設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生少油報(bào)警。

圖10 油位、油溫一體化監(jiān)測(cè)傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)配電變壓器油位和油溫在線監(jiān)測(cè)中的實(shí)際需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)了基于SAW技術(shù)的變壓器油位和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具備完全的無(wú)源無(wú)線特性，能適合變壓器監(jiān)測(cè)中的強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境；通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及上海置信電氣股份有限公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，證實(shí)該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量變壓器油頂層溫度變化以及油位、溫升和溫升速率等監(jiān)測(cè)量。本裝置已在部分配網(wǎng)區(qū)域得到應(yīng)用，運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能良好。

通過(guò)對(duì)該無(wú)源無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了配電變壓器油位和油溫的有效在線監(jiān)測(cè)，解決了現(xiàn)有配電變壓器在低成本條件下無(wú)法滿足智能監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)“智能運(yùn)維、提高供電可靠”目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。