基于聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)的電纜中間接頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

姜鑫東 秦勇 徐曉軼 秦玲

[摘? ? 要] 針對(duì)電纜中間接頭急需溫度監(jiān)測(cè)，但存在數(shù)量眾多，存量與新建并存，且不同線路的負(fù)荷情況不同，重要程度不同的現(xiàn)狀，采用基于聲表面波技術(shù)的無(wú)源無(wú)線溫度傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了包括線芯測(cè)溫傳感器、絕緣表皮測(cè)溫傳感器、在線監(jiān)測(cè)采集器、便攜式采集器、監(jiān)測(cè)平臺(tái)在內(nèi)的電纜中間接頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)針對(duì)不同負(fù)荷情況和安裝條件，提供了周期巡檢檢測(cè)、短時(shí)在線監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)模式和新增安裝、存量安裝多種安裝形式，從而在可控成本下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜中間接頭狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

[關(guān)鍵詞] 聲表面波;無(wú)源無(wú)線;傳感技術(shù);電纜中間接頭;設(shè)備一體化;一二次融合

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 085

[中圖分類號(hào)] TP315? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2020）15- 0203- 03

0? ? ? 引? ? 言

受電纜中間接頭材料性能、制作工藝、接觸電阻、冷熱收縮、運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，電纜中間接頭處容易溫度過(guò)高從而導(dǎo)致電纜爆燃，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大的威脅。這些故障都要經(jīng)歷一個(gè)由量變到質(zhì)變的漸進(jìn)過(guò)程，通過(guò)對(duì)電纜中間接頭，特別是線芯處溫度的變化進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的監(jiān)測(cè)，就可以了解和掌握其運(yùn)行狀況及故障趨勢(shì)。

目前，各類新型傳感器層出不窮，例如：自取電式紅外點(diǎn)陣測(cè)溫傳感器、半導(dǎo)體測(cè)溫傳感器以及無(wú)線射頻供電半導(dǎo)體測(cè)溫傳感器等。近年來(lái)涌現(xiàn)的聲表面波（SAW）式溫度傳感器在配網(wǎng)設(shè)備（包括：開(kāi)關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜、電纜接頭等）溫度實(shí)時(shí)、智能監(jiān)測(cè)方面逐漸受到關(guān)注[1-5]。但電纜中間接頭數(shù)量眾多，存量與新建并存，且不同線路的負(fù)荷情況不同，重要程度不同，全盤采用在線監(jiān)測(cè)方式投入過(guò)高，不利于電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的大范圍推廣實(shí)施。

針對(duì)此現(xiàn)狀，本文結(jié)合聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感器的技術(shù)原理和特點(diǎn)，采用以聲表面波為基礎(chǔ)的無(wú)源無(wú)線技術(shù)，設(shè)計(jì)了線芯測(cè)溫傳感器、絕緣表皮測(cè)溫傳感器，針對(duì)不同負(fù)荷情況，探討了周期巡檢監(jiān)測(cè)、短時(shí)在線監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)模式，從而在可控成本下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜中間接頭狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

1? ? ? 聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感器的原理和特點(diǎn)

在如圖1所示的SAW無(wú)線傳感系統(tǒng)中，閱讀器發(fā)射機(jī)通過(guò)天線發(fā)射窄帶電磁波激勵(lì)無(wú)源單端口聲表面波諧振器（SAWR），根據(jù)壓電材料的逆壓電效應(yīng)，傳感器天線接收到的電磁波被叉指換能器（IDT）轉(zhuǎn)換為窄帶聲表面波。SAWR的實(shí)際諧振頻率由諧振腔結(jié)構(gòu)和基片環(huán)境溫度決定。當(dāng)窄帶電磁激勵(lì)消失后，帶內(nèi)各頻率分量的SAW會(huì)以不同的時(shí)間常數(shù)自由衰減振蕩，SAW由IDT通過(guò)壓電效應(yīng)再次轉(zhuǎn)化為電磁波并由天線輻射出來(lái)。只有頻率等于SAWR諧振頻率的電磁波能量最大，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。閱讀器接收該衰減振蕩的電磁波后提取回波頻率，即可實(shí)現(xiàn)溫度的無(wú)線測(cè)量。因此，激勵(lì)信號(hào)的中心頻率應(yīng)該與SAWR諧振頻率盡量一致，才能使SAWR獲取最大能量。

每臺(tái)閱讀器可以訪問(wèn)多個(gè)SAW傳感器，傳感器之間通過(guò)頻分復(fù)用機(jī)制來(lái)區(qū)分?；谏鲜龉ぷ髟?，SAW無(wú)線無(wú)源傳感器具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）SAW器件本身工作在射頻頻段，采用數(shù)/能同傳方式工作，可以確保高低壓絕對(duì)分離，抗電壓絕緣安全性高。

（2）SAW器件采用在壓電材料（非半導(dǎo)體）制作，能夠直接實(shí)現(xiàn)電磁波與SAW相互轉(zhuǎn)換且不需要電源供能。這種本質(zhì)無(wú)源使其工作時(shí)不需要電池或取電，也不需要無(wú)線供電。

（3）由于SAW傳感側(cè)無(wú)任何電子元器件，不牽涉半導(dǎo)體材料中電子的遷移過(guò)程，因此具有壽命長(zhǎng)、抗放電沖擊和抗電場(chǎng)、磁場(chǎng)等干擾能力強(qiáng)等許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，非常適用于電力系統(tǒng)中。

2? ? ? 電纜中間接頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)模式

電纜中間接頭在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示，由前端溫度感知層、數(shù)據(jù)采集及傳輸層、數(shù)據(jù)平臺(tái)層等部分組成。溫度傳感器安裝于電纜接頭部位，根據(jù)新建和存量、電壓等級(jí)和負(fù)荷的不同，安裝在線芯或表皮，獲取溫度信息。通過(guò)便攜式和在線監(jiān)測(cè)采集器，周期性巡檢或在線監(jiān)測(cè)溫度信息并通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)平臺(tái)層?？蛻艨赏ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)，查詢數(shù)據(jù)平臺(tái)層內(nèi)的設(shè)備溫度信息。數(shù)據(jù)平臺(tái)層可提供對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)接口，以幫助用戶結(jié)合負(fù)荷等其他數(shù)據(jù)，綜合進(jìn)行電纜狀態(tài)判斷，以進(jìn)行各種數(shù)據(jù)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。例如，當(dāng)發(fā)生溫度超限時(shí)，將報(bào)警設(shè)備詳細(xì)信息發(fā)送至相關(guān)責(zé)任人手機(jī)，指導(dǎo)設(shè)備的檢查與故障處理工作。

為了應(yīng)對(duì)存量和新增、高負(fù)荷和低負(fù)荷等不同電纜的安裝、監(jiān)測(cè)要求，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了多種監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)模式，包括在線監(jiān)測(cè)、短時(shí)在線監(jiān)測(cè)和周期巡檢監(jiān)測(cè)，針對(duì)不同電纜的情況還可在各個(gè)監(jiān)測(cè)模式間進(jìn)行切換，如圖3所示。

（1）周期巡檢監(jiān)測(cè)：針對(duì)110kV以下的中低負(fù)荷電纜，周期性地讀取電纜絕緣外表皮或線芯的溫度傳感器數(shù)值，并上傳至平臺(tái)。

（2）短時(shí)在線監(jiān)測(cè)：對(duì)于周期性巡檢中發(fā)現(xiàn)的高溫電纜接頭，連接在線監(jiān)測(cè)采集器，進(jìn)行24小時(shí)以上的連續(xù)監(jiān)測(cè)，針對(duì)監(jiān)測(cè)的情況可選擇轉(zhuǎn)為持續(xù)在線監(jiān)測(cè)或巡檢監(jiān)測(cè)。

（3）在線監(jiān)測(cè)：針對(duì)110kV以上及110kV以下的高負(fù)荷、重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于經(jīng)過(guò)短時(shí)在線監(jiān)測(cè)持續(xù)高溫的中低負(fù)荷線路，通過(guò)連接在線監(jiān)測(cè)采集器，可轉(zhuǎn)為在線監(jiān)測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的功能和業(yè)務(wù)模式，以聲表面波技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)存量和新建電纜，設(shè)計(jì)了線芯和表皮兩種傳感器，新建電纜同時(shí)安裝兩種傳感器，存量電纜先安裝表皮式傳感器，在維護(hù)或重做接頭時(shí)安裝線芯式傳感器。并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的便攜式采集器和在線監(jiān)測(cè)采集器。

3? ? ? 傳感器和采集器的實(shí)現(xiàn)

3.1? ?無(wú)源無(wú)線線芯溫度傳感器

無(wú)源無(wú)線溫度線芯傳感器（見(jiàn)圖4）由無(wú)源無(wú)線溫度感知元件、無(wú)線采集天線、CT取電裝置組成。其中，無(wú)源無(wú)線感知元件與接頭冷壓連接管一體化，在接頭制作時(shí)安裝在線芯接頭處，無(wú)線采集天線和CT取電裝置安裝在絕緣冷縮套管外、銅屏蔽網(wǎng)內(nèi)。采集天線和CT取電裝置分別連接有采集接口和取電接口，采集接口和取電接口在銅屏蔽網(wǎng)外，通過(guò)連接線和采集天線及CT取電裝置連接。

當(dāng)使用巡檢模式時(shí)，將采集接口與便攜式采集器的采集接口連接，即可讀取線芯溫度

當(dāng)使用在線監(jiān)測(cè)模式時(shí)，將采集接口和取電接口分別與在線監(jiān)測(cè)采集器的對(duì)應(yīng)接口連接，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能。

3.2? ?表皮式無(wú)源無(wú)線溫度傳感器

表皮式傳感器（見(jiàn)圖5）通過(guò)捆扎方式固定在電纜中間接頭的表皮外，內(nèi)部包含無(wú)源標(biāo)識(shí)器和無(wú)源無(wú)線溫度傳感器。各類型采集器通過(guò)天線可讀取標(biāo)識(shí)器信息和溫度信息，從而自動(dòng)顯示和記錄溫度信息。

3.3? ?便攜式采集器

便攜式采集器用于周期性巡檢工作模式，采集器內(nèi)包含溫度采集模塊、標(biāo)識(shí)器識(shí)讀模塊、表皮式讀取天線、線芯式傳感器采集接口。

當(dāng)讀取表皮式傳感器時(shí)，將表皮式讀取天線貼近表皮式傳感器即可自動(dòng)獲取電纜信息和表皮溫度。

當(dāng)需要讀取線芯傳感器時(shí)，將線芯時(shí)傳感器采集接口與對(duì)應(yīng)傳感器的采集接口連接，即可讀取和記錄線芯溫度。

采集器采集數(shù)據(jù)后將和云端建立遠(yuǎn)程連接，并將數(shù)據(jù)保存在本地的SD卡或者硬盤中，遠(yuǎn)程連接建立后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍芍С諲B-IOT，WIFI，4G等無(wú)線傳輸方式），云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.4? ?在線監(jiān)測(cè)采集器

在線監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)采集器（見(jiàn)圖6）主要用于線芯式傳感器的在線監(jiān)測(cè)，包含無(wú)源無(wú)線解析模塊，傳感器采集接口、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊和遠(yuǎn)傳接口、CT電源接口以及選配表皮式讀取天線。無(wú)源無(wú)線解析模塊用于解析傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，根據(jù)工況的不同，可選擇低功耗廣域網(wǎng)、4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或光纖有線傳輸?shù)?。?dāng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，將線芯式傳感器的采集接口連接至傳感器采集接口，將取電接口連接至CT電源接口，并連接相應(yīng)的遠(yuǎn)傳接口，即可進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于存量電纜的表皮式傳感器，可采用選配的表皮式讀取天線，捆綁在對(duì)應(yīng)的傳感器外側(cè)，將天線連接至采集接口，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

4? ? ? 監(jiān)測(cè)平臺(tái)

監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要用于遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和算法實(shí)現(xiàn)以及業(yè)務(wù)展示，平臺(tái)包含的模塊有數(shù)據(jù)概況，設(shè)備統(tǒng)計(jì)，APP分析，故障統(tǒng)計(jì)，用戶反饋，用戶管理，菜單管理，設(shè)備管理，實(shí)施監(jiān)測(cè)，周期巡檢，報(bào)警監(jiān)測(cè)，異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)等子組件（見(jiàn)圖1），通過(guò)后期開(kāi)發(fā)，可以在該基礎(chǔ)框架上構(gòu)建更多的業(yè)務(wù)邏輯。

平臺(tái)基于MQTT/TCP/UDP等協(xié)議，采集便攜式采集器和在線監(jiān)測(cè)采集器的數(shù)據(jù)，再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，平臺(tái)的業(yè)務(wù)人員根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的操作后，展示到平臺(tái)。根據(jù)目前的場(chǎng)景可提供在線的實(shí)施監(jiān)測(cè)界面，周期巡檢界面，報(bào)警監(jiān)測(cè)界面，異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面。設(shè)備有專用的識(shí)別ID作為唯一鍵，更好地管理和控制數(shù)量級(jí)的設(shè)備接入。

平臺(tái)提供相應(yīng)的API接口，可以根據(jù)相應(yīng)的接口，創(chuàng)建第三方展示平臺(tái)，包括大屏展示，業(yè)務(wù)邏輯算法，應(yīng)用業(yè)務(wù)展示等。

5? ? ? 結(jié)? ? 論

本文針對(duì)電纜中間接頭急需溫度監(jiān)測(cè)但存在數(shù)量眾多，存量與新建并存，且不同線路的負(fù)荷情況不同，重要程度不同的現(xiàn)狀，采用基于聲表面波技術(shù)的無(wú)源無(wú)線溫度傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了包括線芯測(cè)溫傳感器、絕緣表皮測(cè)溫傳感器、在線監(jiān)測(cè)采集器、便攜式采集器、監(jiān)測(cè)平臺(tái)在內(nèi)的電纜中間接頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)針對(duì)不同負(fù)荷情況和安裝條件，提供了周期巡檢監(jiān)測(cè)、短時(shí)在線監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)模式和新增安裝、存量安裝多種安裝形式，從而在可控成本下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜中間接頭狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

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