KVVRP软芯屏蔽控制电缆

　　核心词：KVVRP 芯 控制 电缆 
　　本文提出了声表面波电缆测温技术,通过研究电缆中间接头内无铜屏蔽层且铜网屏蔽对100MHz以上的电磁波信号传输影响较弱的特殊结构,设计环式SAW温度传感器形状。

并根据阻抗匹配原理设计出环形天线的相关参数,作为其信号传输装置。通过对改良后的环绕式SAW温度传感器的测温精度实验,论证了其测温精度≤2℃。并对35kV单芯XLPE电缆模拟出中间接头环境,在大电流环境下进行测温实验,实现了对电缆中间接头内部线芯温度变化的实时监测。随着城市电网的迅速发展,电缆使用量的增加、输电容量的提高,一旦发生故障会造成严重危害,因此电力电缆的运行可靠性显得格外重要。作为一个非电气量,温度是电力电缆在线监测的重要项目。通过实时监测中间接头温度,结合历史数据即可确定缺陷位置,获取中间接头绝缘状况。此外,电力电缆有其容许持续工作最高温度,若载流量过大,缆芯温度超过容许值,电缆的绝缘寿命就会缩短;若载流量偏小,则线芯导体就不能得到充分的利用,造成浪费。由上所述,通过电力电缆中间接头温度实时监测值及历史温度值确定局部过热点、判断绝缘老化状况;通过计算得到线芯温度,在允许范围内合理利用电力电缆容量调控负荷、动态增容,对于保障电力系统可靠性、稳定性、经济性等均具有重要意义。
　　1、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:但现有的电缆温度监测系统存在精度低
　　而现有电缆温度监测系统存在精度低、成本高、抗电磁干扰能力弱等缺点,不利于大范围推广使用。针对上述测温方式的局限性,我们提出将声表面波技术,该方案能实现在电力系统中无线无源的测温,解决了上述方案的实际应用难题。声表面波是沿弹性体表面传播的弹性波,其传播速度比固体中传播的声纵波和声横波慢,衰减很小,可传播很远。如图1,阅读器发送射频信号。
　　2、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:由叉指换能器在谐振腔内激励
　　传感器天线接收后,通过叉指换能器在谐振腔内激发出声表面波,其频率等于传感器的中心频率。
　　3、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:声表面波沿基板传播
　　声表面波沿基片传播,被反射栅反射形成谐振。反射回来的声表面波经过压电效应又转换成了携带被测温度信息的电信号,该信号通过传感器的天线端辐射出去。
　　4、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:通过测量信号的频率变化获得温度值
　　阅读器接收返回的无线射频信号,通过测量该信号频率变化得温度值。如果在SAW器件表面施加温度的变化,温度参量的扰动即会引起声波速度发生变化,从而引起无线单元接受的反射信号的频率或者相位发生相应改变,实现温度参量的无线检测。无线方式实现高压隔离,安全性极高,并且SAW温度传感器体积小,安装方便灵活。
　　5、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:被动式工作模式可采集高频温度信息
　　无源的工作方式可以较高的频率进行温度信息的采集,数据实时性高,安装后基本无需维护。
　　6、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:粉尘等恶劣环境下工作
　　SAW温度传感器能工作在强磁、强电、粉尘等各种恶劣的运用场合。基于声表面波传感器的上述优点,并通过理论分析和实际测量表明电缆中间接头线芯温度高于本体线芯温度,结合高压电缆中间接头的特殊结构,我们设计了环形声表面波温度传感器测量电缆中间接头线芯处温度的方案。如使用现有声表面波传感器,则安装固定问题无法解决,为此,我们通过改变声表面波传感器通过螺旋天线传输信号的方案,将谐振器芯片紧贴于环形传感器外壳的表面,并将漆包线与芯片两端相连后绕在环形传感器外壳上形成多匝的环形天线进行信号传输。一方面解决了传感器安装固定在线芯上的问题,另一方面增大了信号传输的强度。下图是传感器的概念图及实物图,具体设计流程将在下文详述。若将声表面波温度传感器安装在电缆内部,则由于铜带屏蔽层和钢带铠装(铜网)的存在导致信号无法传输到电缆外部并且安装操作也不易实现。由图我们可以看到电缆中间接头部分的结构无铜屏蔽层,则主要解决钢带(铜网)铠装对声表面波温度传感器信号传输的问题。从图7我们可以看出:随着频率的升高,铜网和钢网屏蔽效能降低,当电磁波频率大于1MHz以后,屏蔽效能开始下降,大于100MHz以后,下降趋势更为显着,因此金属网不适用于数百兆赫以上的高频情况。由于SAW温度传感器的频率范围在428MHz～439MHz之间,则铜网(钢丝网)对其屏蔽效能很小,传感器信号可正常传输,发送到电缆外部的温度采集器中,从而实现温度监测。欲使接收天线与SAW芯片相匹配,天线的输入阻抗应该等于负载阻抗的共轭复数。通常发射端的阻抗为实数,当天线的阻抗为复数时,需要用匹配网络来除去天线的电抗部分并使它们的电阻部分相等,从而达至所有高频的微波信号皆能传至负载点,不会有信号反射回来源点,提升能源效益的目的。其中,Lm与Cm谐振于SAW的串联谐振频率,Rm为与损耗有关的电阻,这三者为动态参数。Co为SAW两端电极间的静态电容,一般Cg1=Cg2=0.5p,Co=Cp+Cg/2。由已知芯片的Rm约为50Ω,则由以上参数进行计算。
　　7、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:可以得到等效为50的输入阻抗Ω 电阻器与2.1pf电容器并联
　　通过等效电路图和相应参数,我们可以求得其输入阻抗等效为一个50Ω电阻和一个2.1pF的电容并联。
　　8、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:经计算
　　为使接入天线后输入阻抗和辐射阻抗匹配,应使天线的阻抗为Z=R+Xj,经计算求得应在芯片两端并联一个大小约为60nH～70nH的电感元件。所以只需保证天线的辐射阻抗大小为50Ω即可达到阻抗匹配要求。因此我们只需分析它的辐射阻抗即可。其中,n为环形天线的匝数,A为环形天线每一匝的面积,λ为工作的波长。SAW声表面波传感器的工作频率在428mHZ左右,由λ=c/f,计算得λ=0.7m。由公式可计算得出辐射阻抗的大小,当Rr=50Ω时,天线与产品完成阻抗匹配。不同型号的电缆尺寸不同,因此在实际安装中,针对其测温装置天线的结构也不同,下表1为35kV不同型号电缆的具体参数。可知当电缆的尺寸减小时,天线的半径减小,导致所需缠绕匝数n增多,如果我们规定N=6为可承受环绕匝数,当n>N时,考虑到天线缠绕能力有限以及能量在传导中的损耗导致信号衰减,以下不同型号的35kV电缆所对应缠绕在传感器上的天线可按照如下表2来缠绕。而n大于N的时候,情况是根据最大可承受匝数来统一决定的,即n>N时,取6匝,实验证明信号接收良好。在这里我们认为每匝间的最小距离是5mm,我们在保证良好的辐射功率时,也完成了阻抗匹配。根据我们所购买的35kV电缆规格,所需缠绕匝数n=6。考虑到使SAW温度传感器芯片能够紧贴于被测物体,即流过电流的线芯所发出的热量信息能够大部分被传感器芯片采集到,我们将传感器外壳结构在圆环形的基础上从与线芯相切部分切出长度恰好为传感器长的平面,从而使传感器紧贴于外壳内壁,内壁用金属铝作为传热材料,同时考虑因铝导体对环形天线结构的破坏作用将切平面以外的铝部分用聚四氟包装,最后用环氧树脂作为填充物外壳为聚四氟乙烯进行灌封,成为一个完整的新型SAW温度传感器。按上述尺寸所设计的传感器外壳恰好能套在35kV电缆线芯上,并且切面设计能够使SAW芯片紧贴于金属内壁进而紧贴于线芯,使测量的温度更具有可靠性。为了检测改变信号传输方式后的SAW温度传感器测温精度并验证其精度≤2℃(由所查资料得出),我们设计并进行了如下测温精度的标定实验。由于DS18B20数字温度传感器体积小,温度范围-55℃～+125℃,测温精度高,速度快,具有极强的抗干扰纠错能力,所以我们在实验中选择DS18B20数字温度传感器作为标定源。为了测试SAW温度传感器和DS18B20数字温度传感器在温控箱内的测温精度。将传感器以及与READER连接的天线(羊角天线)置于温控箱中,天线通过温控箱左侧引线口伸出。
　　9、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:需要使用DS18B20数字温度传感器作为校准源
　　由于下一步电缆内部测温精度的试验,需要使用DS18B20数字温度传感器作为标定源。将数字温度传感器同时进行标定。实验回路布置如图10所示。温度校准前,两传感器测得的温度值不一致,将恒温箱的温度设定为25℃,至温度稳定后进行校准。校准后SAW温度传感器、数字温度传感器的温度保持一致,此时的测试温度均为25℃。从表3可以看出,SAW温度传感器的测温精度≤2℃,满足SAW温度传感器的测温需求。数字温度传感器的测温精度≤0.5℃,满足其作为标定源的要求。为了检测我们所制作出的SAW测温装置在电缆实际运行中的性能,我们模拟了电缆中间接头的内部环境,将灌封后的SAW测温装置套入电缆线芯并封装好,将大电流发生器串联一个保护电阻接在电缆两端,记下不同电流时的温度变化情况,在实验中我们用有限元法实时计算电缆线芯温度得到的数据作为对比。首先将灌封后的环式SAW测温装置套入电缆线芯,然后在其外表面套上应力冷缩绝缘管,接着用半导电胶带缠紧,防止由于气隙的存在导致绝缘放电的发生。将大电流发生器串联一个保护电阻,通过高压电力夹钳将电缆两端与其相连。在打开大电流发生器之前,矿用橡套电缆先将测温系统中的羊角天线放在距测温装置半米处,将天线与测温终端显示频相连。连接完成后,检验各接口是否完好。检查完毕,打开大电流发生器,分别设电流为120A,260A,经过不同的时间段观察测温终端显示温度,记录数据,并与有限元模型据算得到的数据进行对比。由表4可知,在电缆加载电流120A,持续4h时,测量电缆的线芯温度为44.9℃,利用有限元模型计算的线芯温度为46.9℃。当电缆电流加到260A,电缆线芯温度测量值为44.9℃,有限元模型计算值为46.7℃。当电流加载到260A并持续10小时,试验电缆对应的线芯温度测量值为67.9℃,有限元模型计算值为68.2℃。以上实验结果与计算结果的对比可以看出两者之间存在一定误差,但在适当的范围内。
　　10、KVVRP软芯屏蔽控制电缆:实验结果表明
　　实验结果证明基于声表面波技术的电缆测温装置能够满足实际生产中电缆测温的要求。通过对电缆中间接头的研究和铜网屏蔽效能的计算,我们确定了SAW传感器安装在电缆中间接头内部线芯处的可行性。根据阻抗匹配原理设计了环形天线的结构,确定了不同型号电缆所需缠绕的匝数,并根据实验所用电缆规格设计出环形天线缠绕匝数为6匝及相应的外壳结构。并对环绕式SAW传感器进行测温精度的实验,实验结果表明测温精度≤2℃,满足测温要求。并对35kV单芯XLPE电缆模拟出中间接头环境,在大电流环境下进行测温实验,实现了对电缆中间接头内部线芯温度变化的实时监测。利用SAW温度传感器作为电力电缆中间接头温度在线监测的装置,可以及时确定电缆接头局部的过热,判断接头绝缘的老化,发现接头的安全隐患,而且可以为电力电缆的负荷调控和动态增容提供重要的依据。无源监测-不需传感侧取能,信号传输方便,传感器与接收设备之间无电气联系,从而实现了高压隔离。富有竞争力的价格优势-光刻技术,结构相对比较简单。高灵敏度-声波对表面扰动的快速响应,声波能量集中于基片表面。集成度高-体积小,便于安装。良好的可靠性与稳定性。在未来的电力市场中,SAW技术将会得到进一步的改善,并应用与更多电力监测领域中。
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