RFID电缆中间接头无线无源湿度监测.pdf

引用格式：引用格式：方春华,周国锐,汪晋豪,等.RFID 电缆中间接头无线无源湿度监测J.中国测试，2024,50(2):46-53.FANGChunhua,ZHOUGuorui,WANGJinhao,etal.WirelesspassivehumiditymonitoringmethodofcableintermediatejointbasedonRFIDJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(2):46-53.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022060177RFID 电缆中间接头无线无源湿度监测方春华1，周国锐1,2，汪晋豪1，柯力1，陆杰炜1，庄立1，许瑶1(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002;2.国网湖南郴州供电公司，湖南郴州423000)摘要:针对电缆中间接头受潮导致的运行故障问题，提出一种基于 13.56MHzRFID 技术的无源湿度监测方法。该文利用 HFSS 建立传感器模型，调整天线匝距使天线达到理想状态，并对天线进行谐振匹配；然后研究传感器天线在水中的传输效果及存在金属屏蔽层时金属对天线性能的影响；最后将所设计的传感器放置于中间接头内部进行性能测试。结果表明：天线匝距为 0.6mm 时传感器性能最佳；在天线外部增加 47H 电容可实现 13.56MHz 谐振匹配；传感器天线在水中的传输效果良好；加装金属屏蔽层可解决路径上金属对传感器信号传输的抑制作用；实际测量距离可达到 8.2cm、相对湿度测量误差最大为 0.48%，最大波动幅度仅为 0.3%，传感器长期处于高湿度环境仍能准确测量。该方法可实现电缆中间接头内部湿度的直接、快速及无源测量，对防止电缆受潮具有一定的参考意义。关键词:中间接头;RFID;湿度监测;无线通信中图分类号:TM93文献标志码:A文章编号:16745124(2024)02004608Wireless passive humidity monitoring method of cable intermediatejoint based on RFIDFANGChunhua1,ZHOUGuorui1,2,WANGJinhao1,KELi1,LUJiewei1,ZHUANGLi1,XUYao1(1.CollegeofElectricalEngineeringandNewEnergy,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;2.StateGridHunanChenzhouPowerSupplyCompany,Chenzhou423000,China)Abstract:Aimingattheproblemofoperationfailurecausedbymoistureinthecableintermediatejoint,apassivehumiditymonitoringmethodbasedon13.56MHzRFIDtechnologyisproposed.Inthispaper,thesensormodelisestablishedbyHFSS,theantennaturnsareadjustedtomaketheantennareachtheoptimalstate,themethodofantennaresonancematchingisproposed.Then,thetransmissioneffectofthesensorantennainwaterandtheinfluenceofmetalontheantennaperformanceinthepresenceofmetalshieldinglayerarestudied.Finally,thedesignedsensorisplacedinsidetheintermediatejointforperformancetest.Theresultsshowthatthesensorhasthebestperformancewhentheantennaturndistanceis0.6mm;addinga47Hcapacitoroutsidetheantennacanachieve13.56MHzresonancematching;thesensorantennahasagoodtransmissioneffectinwater;addingametalshieldinglayercanreducetheinhibitoryeffectofmetalonthesignal transmission path.The actual measurement distance can reach 8.2 cm,the maximum humiditymeasurementerroris0.48%,themaximumfluctuationrangeisonly0.3%.Thesensorcanstillbeaccurately收稿日期:2022-06-27；收到修改稿日期:2022-09-11基金项目:国家自然科学基金（51807110）作者简介:方春华（1980-），男，湖北宜昌市人，副教授，博士，研究方向为高电压与绝缘技术。第50卷第2期中国测试Vol.50No.22024年2月CHINAMEASUREMENT&TESTFebruary,2024measuredinthelong-termhighhumidityenvironment.Themethodcanrealizethedirect,rapidandpassivemeasurementofthehumidityinsidethecableintermediatejoint.Themethodisofgreatsignificancetopreventthecablefrombeingdamp.Keywords:intermediatejoint;RFID;humiditymonitoring;wirelesscommunication0 引言随着我国经济的高速发展和城市化进程的快速推进，人们对于生产生活的用电需求也在急剧增加，受城市化空间不足等因素影响，电力电缆及其附件被大量应用于传输与分配电能的环节。但因电缆沟道积水，使得大量的电缆中间接头长期处于浸水以及潮湿的恶劣环境，导致其内部常因潮湿引发绝缘击穿故障1-4。因此，在电缆中间接头发生故障之前，采用有效方法检测内部受潮情况，对于保证城市安全供电意义重大。目前对电缆设备受潮缺陷诊断主要采用行波法和介电响应法。行波法主要包括时域反射法和频域反射法。文献 5-7 利用时域反射法向电缆输入脉冲信号，通过观察反射脉冲波形来定位电缆中因受潮导致的阻抗不连续点。文献 8-9 利用频域反射法向电缆输入扫频信号，其高频信号较多，可以更准确地定位微小缺陷。上述行波法通过观察阻抗不连续点来定位电缆受潮位置，但电缆中间接头本身就是阻抗不连续点，很难通过阻抗变化判断中间接头是否受潮，且该间接检测方法需要有源设备提供能量，过程繁杂。文献 10-12 利用介电响应法，从界面极化损耗与电导损耗变化中提取电缆系统老化特征参量，在一定程度上可以评估电缆接头的缺陷状态，但该方法仍属于接触式的有源检测，在检测的直接性和无源性上还有待提高。目前，无源 RFID(radiofrequencyidentification)传感器凭借无需内置电源供电、成本低、可直接快速监测的优点，在电力领域得到大规模应用。RFID 又称无线射频识别，可通过无线通信识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。在电缆测温领域，文献 13 利用 RFID 技术在电缆运行状态下对其温度进行直接无源监测，在保证供电可靠性的同时有效预防了电力电缆因温度过高而引发安全隐患；在绝缘子测量温湿度领域，文献 14 利用 RFID 技术对影响绝缘子泄漏电流的温湿度值进行直接无源监测，可准确监测绝缘子温湿度，有效避免了高电压、强电磁干扰等恶劣环境下集成电路传感器无法正常工作的问题，降低了绝缘子发生污闪的概率。由于目前电缆中间接头湿度监测存在数据不直观、断电检查、效率低等不足，故本文将 RFID 技术应用于电缆中间接头内部湿度的直接无源监测，提出一种基于 13.56MHzRFID 技术的电缆中间接头内部湿度监测方法，设计一种无源 RFID 湿度传感器，并对所设计传感器进行测试与分析，以期为准确监测中间接头内部湿度提供强有力的理论和数据支持。1 传感器设计1.1 工作原理RFID 传感器利用传感器天线线圈与读写器通过电磁耦合感应技术进行射频识别。传感器工作所需的全部能量均由读写器提供，其电磁场频率是13.56MHz15。RFID 工作原理如图 1 所示。在读写器天线线圈 A1上并联电容 C1构成 13.56MHz 并联谐振回路，传感器部分的电容 C2也与天线线圈 A2并联，调谐到 13.56MHz 的载波频率。读写器通过天线线圈 A1向空间发射 ASK 调制信号并产生高频磁场，该磁场中有一部分穿过传感器天线线圈 A2，并在 A2上感应出交变电压 U2。该电压 U2即带有调制信息的 ASK 信号，经过解调处理后送入射频通信芯片处理并读取数据。在信息回送的过程中，传感器天线线圈同样产生 ASK 调制信号，将信息传至读写器，通过接收系统进行解调并读取信息。C2传感器芯片U2V1R1C1U1A1A2图 1 RFID 工作原理1.2 天线设计建模利用三维电磁仿真软件 AnsoftHFSS 建立矩形天线线圈模型，为使其电磁发射及传输性能达到最第50卷第2期方春华，等：RFID 电缆中间接头无线无源湿度监测47优，设计厚度 0.13mm 的 FPC 柔性线电路板作为基板，天线线圈匝数为 4、最外层天线线圈长为 50mm，走线厚度为 0.5oz（1oz=36m），线宽为 0.6mm，材质为导电性能优良的铜，仿真模型结构见图 2。天线线圈匝距基板馈电点跳线50 mm0.6 mm2.3 mm23.3 mm0.6 mm图 2 天线线圈仿真模型结构传感器天线线圈在功能上等效于电感，其值与磁通量之间满足：=LI(1)式中：天线线圈磁通量；L线圈电感值；I线圈电流。根据式(1)可知，天线线圈电感值改变会影响磁通量，进而影响线圈传输效果，故需进一步研究电感值，其大小可表示为：L=2l1ln(l1D1)KN1.8(2)式中：L天线电感估计值；l1最外层天线线圈长；D1线圈导线的宽度；K常数，取值为 1.47；N线圈匝数。由式(2)得出天线线圈的电感值与线宽 D1、最外层天线线圈长 l1及线圈匝数 N 有关，但天线线圈的匝与匝之间存在互感，改变匝距 S 会影响其互感值，从而影响天线线圈整体的电感值。故本文将线圈之间的匝距 S 作为一个参数纳入线圈电感值的研究。利用 HFSS 将匝距 S 分别设置为 0.6、0.7、0.8mm。研究其他参数不变的情况下，天线线圈电感值随匝距的变化关系。如图 3 所示，天线线圈的电感值与线圈的匝距成反比，所以将匝距 S 设置为0.6mm，13.56MHz 处的电感值为 1.63H。计算出天线线圈在 13.56MHz 处电感值后，需外部增加电容与天线线圈并联组成 LC 谐振电路与读写器进行耦合，其谐振频率与天线线圈的电感值及电容值之间满足：f=12LC(3)式中：f天线线圈的工作频率；L天线线圈的电感值；C天线线圈匹配的电容值。由式(3)可知，天线线圈的频率与其电感和匹配的电容有关。如图 4 所示，使用 RF430FRL152H作为射频通信芯片直接连接至天线，利用天线线圈电感 L、芯片内自带谐振电容 CINT及外部谐振电容 CEXT共同作用将天线线圈的谐振频率调整至13.56MHz。根据 HFSS 仿真设计得到的天线电感L 为 1.63H，射频芯片自带谐振电容 CINT为 35pF，计算得出片外需增加 47pF 的谐振电容 CEXT使天线线圈的谐振频率保持在 13.56MHz 左右。CINTCEXTRF430FRL152HL图 4 天线外部匹配谐振1.3 传感器电路工作模式在完成天线线圈设计的基础上，需跟进设计13.56MHzRFID 传感器电路，电路工作模式见图 5，应用了 RF430frl152H 型号的 13.56MHz 射频通信芯片、REF3318 电压基准芯片和 HDC2080 湿度测量芯片，读写器通过空中编码方式将指令经过天线线圈送给射频通信芯片，启动内部 SD14、FRAM 以及能量收集系统。通过 REF3318 电压基准芯片将稳定电压信号输入 HDC2080 湿度测量芯片后采集湿度信息，通过 I2C 接口将信息传至 RF430frl152H芯片并存储于 FRAM 中，再由读写器发送循环的读取指令来访问 FRAM 中的数据。S=0.8 mmS=0.7 mmS=0.6 mm51013.56 15201.41.51.61.681.71.8电感值/H频率/MHz图 3 不同匝距天线线圈电感值变化曲线48中国测试2024年2月应答器芯片HDC2080湿度测量芯片REF3318电压基准芯片输入电压输出稳定电压测量湿度并将数据通过 I2C 传回应答器芯片天线RFID读写器RF430frl152H图 5 电路工作模式2 不同环境传感器天线线圈磁场分布13.56MHz 传感器凭借电磁耦合的形式与读写器交互信息，但因为传感器需放置在电缆中间接头内部，可能会因为环境的影响使传感器耦合时的磁场分布发生畸变，从而影响其射频信号，导致传感器无法正常工作。故利用 HFSS 分别研究在空气环境、浸水环境、金属环境和金属与金属屏蔽层环境传感器天线线圈上方2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm 处磁场分布。2.1 天线线圈在空气环境中的磁场将天线线圈置于空气环境中作为对照组，对其磁场进行仿真分析。其磁场分布如图 6 所示。(a)2 mm(b)3 mm(c)4 mm(d)5 mm(e)6 mm(f)7 mmH/(Am1)2.011 501.520 201.149 000.868 370.656 300.496 020.374 880.283 330.214 13H/(Am1)1.682 901.299 401.003 200.774 610.598 090.461 790.356 550.275 300.212 56H/(Am1)1.420 901.114 800.874 690.686 270.538 440.422 460.331 460.260 060.204 04H/(Am1)1.271 101.007 400.798 440.632 810.501 540.397 500.315 040.249 690.197 89H/(Am1)3.428 302.416 201.702 801.200 100.845 780.596 080.420 090.296 070.208 66H/(Am1)2.518 901.873 001.392 801.035 700.770 130.572 660.425 830.316 650.235 46图 6 天线线圈在空气环境中的磁场分布由图可知，颜色从蓝到红表示磁场强度逐渐增强。在空气环境中，红色的部分集中分布在天线线圈周围，在上方 27mm 处的最大磁场强度分别为3.4283A/m，2.5189A/m，2.0115A/m，1.6829A/m，1.4209A/m，1.2711A/m。随着距离的提升，最大磁场强度呈变小趋势，磁场分布均匀且向天线线圈中心位置靠拢。2.2 天线线圈在浸水环境中的磁场本文中传感器用于电缆中间接头内部湿度监测，需研究天线在水中运行状态，将天线线圈置于浸水环境，并仿真对比天线线圈在水中的磁场分布与在空气中磁场分布的关系，磁场分布见图 7。(a)2 mm(b)3 mm(c)4 mm(d)5 mm(e)6 mm(f)7 mmH/(Am1)3.453 202.452 801.742 201.237 500.878 980.624 330.443 460.314 990.223 74H/(Am1)2.525 501.859 501.369 101.008 000.742 150.546 420.402 310.296 210.218 09H/(Am1)2.003 401.514 101.144 200.864 740.653 520.493 890.373 250.282 080.213 18H/(Am1)1.674 401.286 000.987 640.758 510.582 540.447 400.343 610.263 890.202 67H/(Am1)1.409 801.103 000.862 890.675 070.528 130.413 180.323 240.252 890.197 84H/(Am1)1.213 700.974 490.782 420.628 200.504 370.404 960.325 140.261 050.209 60图 7 天线线圈在浸水环境中的磁场分布在浸水环境中，天线线圈上方 27mm 处最大磁 场 强 度 分 别 为 3.4532 A/m，2.5255 A/m，2.0034A/m，1.6744A/m，1.4098A/m，1.2137A/m。将图 7 与图 6 进行对比，天线线圈在水中和在空气中的磁场分布无明显区别，在浸水环境磁场仍集中且均匀分布在天线线圈周围，随着距离的增加，天线线圈的最大磁场呈变小趋势，且磁场分布向天线线圈中心靠拢。2.3 天线线圈在金属环境中的磁场电缆中间接头中存在铜屏蔽网套，金属（铜）环境会影响天线线圈的运行状态。将大小 100mm100mm1mm 的铜片设置于天线线圈下方 2mm处，天线线圈磁场分布如图 8 所示。第50卷第2期方春华，等：RFID 电缆中间接头无线无源湿度监测49在金属环境中，天线线圈上方 27mm 处磁场分 别 为 4.0796 A/m，2.3932 A/m，1.5803 A/m，1.2339A/m，0.83653A/m，0.70625A/m。将图 8 与图 6 进行对比发现，在金属环境中天线线圈的磁场分布杂乱，天线线圈周围磁场明显减小。随着距离增加，磁场强度急剧下降，磁场分布向天线线圈中心靠拢的趋势变弱，说明金属会对天线线圈的磁场分布产生影响。2.4 天线线圈在金属与金属屏蔽层环境中的磁场天线线圈的电磁感应效应会在金属内部因涡流效应产生感应磁场，该磁场在无干扰条件下与天线线圈感应磁场方向相反，导致原磁场分布发生畸变，天线线圈无法正常运行。因此，本文利用 NiCuZn铁氧体材料制备金属屏蔽层阻断金属产生的反向磁场，其材料参数如表 1 所示。将大小 50mm50mm，厚度 0.1mm 的金属屏蔽层设置于天线线圈与铜片之间并紧贴铜片，磁场分布如图 9 所示。在加装金属屏蔽层后，传感器上方 27mm 处磁场分别为 3.4328A/m，2.5826A/m，2.0945A/m，1.7385A/m，1.3886A/m，1.2089A/m。将图 9 与图 8 对比，金属屏蔽层的存在削弱了金属产生的涡流损耗，使天线上方磁场强度变大，且更加集中均匀分布在天线线圈周围，随着距离的增加，天线线圈的最大磁场呈变小趋势，且向线圈中心靠拢。证明金属屏蔽层有效地屏蔽了金属的干扰15。3 性能测试与讨论3.1 试验设备本文所研试验装置由手持终端、无线传感探头、柔性传感器、金属屏蔽层及电缆中间接头构成，结构见图 10。将带有金属屏蔽层的传感器芯片埋设在电缆中间接头的铜屏蔽网套与防水胶带之间，无表 1 屏蔽层材料属性名称参数值单位相对介电常数12-相对磁导率165-体电导率0.01S/m介质损耗角0-磁损耗角正切1-磁性饱和0T朗德g因子2-DeltaH0A/m测量频率13.56MHz质量密度5100kg/m3H/(Am1)4.079 602.757 001.863 201.259 100.850 930.575 060.388 630.262 630.177 49H/(Am1)2.393 2001.556 9001.012 8000.658 8900.428 6400.278 8500.181 4100.118 0100.076 774H/(Am1)1.580 3001.036 1000.679 2800.445 3400.291 9700.191 4200.125 5000.082 2790.053 943H/(Am1)1.233 9000.858 0700.596 6900.414 9300.288 5400.200 6500.139 5300.097 0250.067 470H/(Am1)0.836 5300.600 3400.430 8500.309 2000.221 9000.159 2500.114 2900.082 0210.058 864H/(Am1)0.706 2500.518 0400.379 9800.278 7200.204 4400.149 9600.109 9900.080 6800.059 179(a)2 mm(b)3 mm(c)4 mm(d)5 mm(e)6 mm(f)7 mm图 8 天线线圈在金属环境中的磁场分布H/(Am1)3.432 802.694 702.115 301.660 501.303 501.023 200.803 210.630 510.494 95H/(Am1)2.582 602.056 701.637 801.304 301.038 600.827 120.658 670.524 530.417 71H/(Am1)2.094 501.642 401.287 901.009 900.791 920.620 990.486 950.381 840.299 42H/(Am1)1.738 501.387 301.107 000.883 340.704 880.562 460.448 830.358 150.285 79H/(Am1)1.388 601.122 200.906 900.732 920.592 320.478 680.386 850.312 640.252 66H/(Am1)1.208 900.971 630.780 900.627 610.504 410.405 400.325 820.261 860.210 46(a)2 mm(b)3 mm(c)4 mm(d)5 mm(e)6 mm(f)7 mm图 9 天线线圈在金属和金属屏蔽层环境中的磁场分布50中国测试2024年2月线传感探头发出 13.56MHz 的信号，传感器天线接收该信号后将其转化为电压信号唤醒芯片采集湿度数据，并以同样的方式将数据传回无线传感探头，最后在手持终端中将数据解码并在屏幕显示。传感器金属屏蔽层铜屏蔽网套无线传感探头手持终端防水胶带图 10 实验设备图3.2 材料阻隔测试为确定电缆中间接头内部金属对本文所设计传感器通信性能的影响，分别将单独的柔性传感器和装有大小 5cm5cm0.1mm 的铁氧体金属屏蔽层的柔性传感器在弯曲状态下先后放置于电缆中间接头中的相同位置，并将无线传感探头探测位置设置于传感器正上方，初始高度设定在 3cm 处进行测试，验证传感器是否可以正常运行。当柔性传感器单独放置在接头中时，无线传感探头无法接收湿度信息，传感器无法正常工作。将金属屏蔽层放置于传感器与铜屏蔽网套之间，无线传感探头可在 0.5s内接收湿度信息。仿真和实验共同证明金属屏蔽层可有效屏蔽金属对传感器的干扰。3.3 通信距离测试最大有效通信距离是无线传感器的重要性能参数之一。本文将无线传感器置于电缆中间接头内部，无线传感探头设置于传感器正上方 3cm 处，探头与传感器之间的距离以 0.1cm 为间隔依次增加，在每个测量点执行 100 次读取数据指令，并计算出每个测量点的通信成功率，当通信成功率在 80%以上时，可视为该测量点的距离为有效通信距离。测试结果见图 11。当通信距离小于 7.4cm 时，通信成功率维持在 100%左右，但是当距离增加到 8.2cm时，成功率下降至 80%。主要原因是探头与传感器距离过大会导致穿过传感器的磁通量变小，使传感器获得的能量不足以支持其正常运行。因此本文设计的无线传感器最大通信距离为 8.2cm。3.4 芯片精度测试为测试芯片读取精度，将无线传感器和标定后的贴片湿度计相邻置入中间接头，以湿度计测得的湿度作为标准值计算本文所设计的无线传感器的误差。每隔 2h 检测一次相对湿度，共 6 次，结果见图 12。分析图中的数据，本文设计无线传感器测得的相对湿度与标准值之间误差最大为 0.3%，相对误差最大为 0.48%，属于可接受误差范围16。湿度计传感器8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:005860626466相对湿度/%时刻16:0018:0020:0061626364相对湿度/%时刻0.3%图 12 传感器相对湿度误差测试3.5 稳定性测试将传感器探头置于传感器埋设位置正上方最大有效通信距离处快速不间断地测量，并记录 100 个数据点，绘制成曲线图后计算所有数据的标准差17，所得数据即为其湿度变化稳定性。结果如图 13 所示，相对湿度上下波动幅度最大是 0.3%，标准差为0.084，稳定性良好，满足使用需求。3.6 防水可靠性测试为了验证测量系统在高湿度环境下的可行性，将传感器置于防水胶带缠绕松弛的电缆中间接头，沉浸于水中 1h 后开始为期 10 天的不间断测量，测试结果见图 14。防水胶带缠绕松弛，电缆内部相对湿度短时间内急剧增加，测量的相对湿度由最初的41%在不到一天之内急剧上升到 100%左右，考虑到无线传感器自身的测量误差以及无线通信过程中的干扰，相对湿度在 100%附近波动属于正常情况，3456789050100通信成功率/%通信距离/cm图 11 不同高度通信成功率第50卷第2期方春华，等：RFID 电缆中间接头无线无源湿度监测51且测试期间内传感器工作正常，满足在水中运行的条件。012345678910405060708090100110相对湿度/%时间/d图 14 防水性测试试验图4 结束语本文提出一种基于 13.56MHzRFID 技术的电缆中间接头湿度监测方法，设计了 13.56MHzRFID 湿度传感器。通过仿真与测试分析得出，加装金属屏蔽层的传感器可以有效消除电缆中间接头内部金属环境的影响，实测中最大通信距离为8.2cm，相对误差最大为 0.48%，稳定性波动幅度控制在 0.3%，在高湿度环境中运行状态良好。所研传感器克服了电缆中间接头常规受潮诊断方法使用有源带电设备检测、直观度偏低等固有局限，具有快捷方便、可直接无源监测电缆中间接头内部湿度等显著优点，适用于电缆中间接头湿度监测。但该传感器目前通信距离稍短，在后续的研究中，将着重对通信距离进行优化。参考文献 冯超,谢亿,曹先慧,等.高压电缆射线检测典型案例分析J.中国测试,2020,46(S2):19-22.FENGC,XIEY,CAOXH,etal.RaydetectionanalysisoftypicalcasesofhighvoltagecableJ.ChinaMeasurementTest,2020,46(S2):19-22.1袁野,陈剑,贾志东,等.10kVXLPE 电缆受潮绝缘特性研2究 J.电网技术,2014,38(10):2875-2880.YUANY,CHENJ,JIAZD,etal.Studyaboutinsulatingproperties of 10 kV XLPE damp cableJ.Power SystemTechnology,2020,46(S2):19-22.曹雯,张敏,刘倩,等.电缆接头复合界面处水分对其闪络特性的影响 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