便攜式多功能電纜巡檢裝置設(shè)計

國網(wǎng)江西省電力有限公司景德鎮(zhèn)供電分公司 楊丹青 劉 宇 彭 峰 寧定業(yè) 李西猷 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 陳樂飛

隨著電力電纜在城市和大中型企業(yè)的供電系統(tǒng)中占比越來越大，電纜的運行狀態(tài)正影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全[1]。而電力電纜的運行環(huán)境較差，隨著電纜線路運行時間的增加，難免會出現(xiàn)電纜老化現(xiàn)象[2]。為避免電纜線路故障的發(fā)生，需要對電力電纜實施巡檢，及時發(fā)現(xiàn)并消除電纜缺陷和異常，保證電纜設(shè)備正常運行[3]。

電纜巡檢需要對電纜溫度和局部放電情況進行檢測。文獻(xiàn)[4-6]使用物聯(lián)網(wǎng)、分布式光纖等技術(shù)對電纜進行在線巡檢，但是這些遠(yuǎn)程在線檢測技術(shù)在檢測到故障之后仍需人工巡檢確認(rèn)故障。文獻(xiàn)[7-8]利用巡檢機器人對輸電管廊進行巡檢，但巡檢機器人存在成本過高、場景適應(yīng)性較差等問題，因此，現(xiàn)有的智能化巡檢設(shè)備無法完全替代人工巡檢。

當(dāng)前，人工巡檢一般需要對電纜的溫度和局部放電故障進行檢測，通常采用高頻電流法[9]、震蕩波法[10]檢測局部放電，使用紅外測溫儀[11]檢測電纜溫度。但老式高頻電流檢測裝置體積較大，難以適應(yīng)巡檢需求；震蕩波法檢測裝置需要在斷電條件下使用，增加了巡檢人員的工作量。此外，紅外測溫與局部放電檢測使用不同的裝置，需要多人操作，裝置功能單一。因此亟需研發(fā)一種便攜的多功能的電纜巡檢裝置輔助電纜巡檢人員工作。

國內(nèi)外專家學(xué)者對多功能的電纜巡檢裝置已開展了一定的研究。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種多參量帶電檢測裝置，將超聲波法和特高頻法用于電纜巡檢。文獻(xiàn)[12]通過超聲波和紫外光信號對電纜頭局放進行檢測。文獻(xiàn)[13]基于高頻電流法、特高頻法和超聲法對電纜狀態(tài)進行評估。但以上研究都只是將多種檢測方法機械的融合在一個裝置中，并沒有考慮多種檢測方法之間的互補性。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于紅外成像、高頻電流、超聲波、特高頻等技術(shù)的多功能一體化電纜巡檢裝置，實現(xiàn)對電纜管廊的巡檢。該裝置充分考慮了不同技術(shù)之間的互補性，從而提高檢測裝置的靈敏度與實用性。并具備取證標(biāo)識識別、自動報表生成等智能輔助服務(wù)功能，可降低巡檢人員技術(shù)要求。該裝置小巧便攜、使用靈活、安全可靠，可有效提升現(xiàn)場作業(yè)效率，降低人力物力和時間成本。

1 巡檢裝置總體設(shè)計

本裝置為應(yīng)對輸電管廊的巡檢要求，主要分為傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、處理器和輸出模塊四個模塊，具備紅外測溫、局部放電檢測、局部放電故障定位、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)傳輸功能，巡檢裝置設(shè)計主要由硬件與軟件兩部分組成。

1.1 檢測裝置硬件設(shè)計

巡檢裝置的總體設(shè)計如圖1所示，整個裝置主要由傳感器模塊（光電、紅外、超聲波、特高頻、高頻電流）、信號調(diào)理模塊、處理器和輸出模塊（無線通信、數(shù)據(jù)存儲、人機交互、GPS 定位）組成。其中紅外探測器和光電傳感器安裝在手持終端，其余傳感器通過外接端口使用連接線與手持終端連接，根據(jù)具體的使用需求選擇合適的傳感器。傳感器模塊將所檢測的信號發(fā)送給信號調(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊將所接收的信號轉(zhuǎn)換成能被處理器接收的電信號，信號在經(jīng)過處理器處理后發(fā)送給輸出模塊，其中人機交互模塊用于方便巡檢人員獲得相關(guān)信息，GPS 定位模塊用于確認(rèn)故障位置，存儲模塊用于臨時存儲檢測數(shù)據(jù)。

圖1 檢測裝置硬件總體設(shè)計

1.1.1 外接傳感器

外接傳感器主要有高頻電流傳感器、超聲波傳感器和特高頻傳感器。

高頻電流傳感器。高頻電流傳感器主要通過高頻磁芯來檢測局部放電。高頻磁芯耦合局部放電發(fā)生時產(chǎn)生的局放電流，在線圈二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓作用在電阻上轉(zhuǎn)化成用于檢測的感應(yīng)電流，檢測頻帶為3MHz～50MHz。高頻電流傳感器在使用的過程中可直接鉗在電纜中間接頭、本體或者終端上，不需要改變電纜的運行狀態(tài)。高頻電流傳感器原理如圖2所示。

圖2 高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)

特高頻傳感器。特高頻傳感器由信號檢測天線與信號放大電路組成。用于感應(yīng)局部放電所激發(fā)出的特高頻電磁波，其采用微帶天線結(jié)構(gòu)，檢測頻帶為300MHz～1500MHz。UHF 傳感器在使用過程中放置在電纜終端環(huán)氧套管處或者電纜外部屏蔽層，同時可通過放置多個UHF 傳感器，根據(jù)時差定位原理x=(L-v×Δt)/2計算出故障源位置，用于局放故障定位。特高頻傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 特高頻傳感器結(jié)構(gòu)

超聲波傳感器：超聲波傳感器可將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過圖像顯示和音頻輸出等方式供巡檢人員分析。超聲波檢測是一種非電檢測方法，可以避免受到電信號的干擾。超聲波傳感器在使用過程中可直接貼在電氣設(shè)備表面，檢測的原理如圖4所示。

圖4 超聲波傳感器原理圖

1.1.2 信號調(diào)理模塊

傳感器所檢測的信號需要對信號進行放大、調(diào)制解調(diào)、電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號、濾波、A/D 轉(zhuǎn)化等步驟以便于信號的傳輸與處理。不同處理方法的作用如表1所示。

表1 信號調(diào)理對應(yīng)問題

1.1.3 手持終端

巡檢過程需要全程對電纜進行紅外測溫，將紅外探測器集成在手持終端可以避免傳感器的頻繁安裝切換，同時也為局部放電和溫度同時檢測提供了可能。手持終端可通過人機交互界面顯示從傳感器收集的各項數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的整理與發(fā)送。

紅外探測器：紅外傳感器可以檢測到物體的熱輻射，將檢測到的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換使信號轉(zhuǎn)變成可識別的圖像信號。結(jié)合攝像頭接收的可見光圖像通過雙視融合技術(shù)融合，呈現(xiàn)出物體表面的溫度分布圖像，使巡檢人員可以更加直觀的發(fā)現(xiàn)異常熱源位置。其測量溫度范圍在-20～1500 ℃， 溫度校準(zhǔn)范圍為5-90。紅外檢測原理如圖5所示。

圖5 紅外檢測原理圖

人機交互界面：人機交互界面將設(shè)備信息與檢測信息直觀的顯示在界面方便巡檢人員查看，巡檢人員可以直接在人機交互界面進行檢測方式的替換、測量量程的更改、數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)送等行為。

嵌入式CPU：采用高工作穩(wěn)定性、功耗小、環(huán)境適應(yīng)度較強的嵌入式CPU Freescale iMX257，具備數(shù)據(jù)存儲與保護、多任務(wù)處理、多通道信號采集等功能，并能根據(jù)需求對CPU 進行更新和擴展。該設(shè)計可有效降低設(shè)備體積，減少測量過程中的人工操作，以提高其在現(xiàn)場使用的實用性。

1.2 檢測裝置軟件設(shè)計

1.2.1 軟件架構(gòu)

本裝置采用模型－視圖－控制器（MVC）架構(gòu)，其具有耦合性低、重用性高、生命周期成本低、可維護性高等特點。

模型：模型中包含著數(shù)據(jù)，巡檢過程中檢測到的局放數(shù)據(jù)通過控制器輸送到模型中，也可以從模型中調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)比對。

視圖：視圖是與用戶進行信息交互的界面，將手持終端的設(shè)備狀態(tài)和探測器檢測到的數(shù)據(jù)在人機交互界面顯示，通過圖像曲線和數(shù)值的形式觀察檢測數(shù)據(jù)。

控制器：檢測人員通過控制器去調(diào)用模型中的數(shù)據(jù)和改變視圖的顯示，是模型層與控制層的連接媒介。

1.2.2 智能輔助服務(wù)

智能輔助服務(wù)流程如圖6所示，巡檢人員通過光電傳感器識別取證標(biāo)識，確認(rèn)電纜型號后從云端下載電纜終端技術(shù)規(guī)范與電纜歷史檢測數(shù)據(jù)，輔助判斷電纜巡檢狀態(tài)。通過檢測裝置進行巡檢后，故障位置、檢測圖像與檢測數(shù)據(jù)會通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到云端進行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)管理，自動生成檢測報表并歸檔保存。

圖6 智能輔助服務(wù)流程

2 檢測方式互補性處理

2.1 裝置模式設(shè)計

局放檢測方式的特征如表2所示。

表2 不同局放檢測方式的特征

通過觀察特征可發(fā)現(xiàn)高頻電流法雖然可以直接檢測出是否有局放現(xiàn)象，但無法確認(rèn)故障位置，而特高頻超聲波檢測雖然可以進行局放故障定位，但由于其檢測距離較短，需對電纜進行多次檢測才能完成巡檢任務(wù)，因此可采用高頻電流法判斷是否存在局放現(xiàn)象，用特高頻和超聲波檢測進行局放定位。

2.2 巡檢流程設(shè)計

為充分利用檢測裝置的互補關(guān)系，提高巡檢效率，考慮電纜中間接頭和電纜本體兩種檢測情況，設(shè)計了巡檢裝置的巡檢流程。此外，為滿足巡檢流程的需要，設(shè)計了如圖7巡檢裝置的檢測模式巡檢流程，其中常規(guī)檢測模式用于電纜本體的巡檢，手動模式用于必要時的單項檢測。

圖7 巡檢裝置檢測模式

2.2.1 電纜中間接頭巡檢流程

在巡檢電纜中間接頭時，將裝置調(diào)整到手動模式選擇紅外測溫功能，使用手持終端檢測電纜中間接頭溫度。由于電纜中間接頭沒有鎧裝層和屏蔽層的信號屏蔽，在測溫完成之后選擇超聲波檢測功能，將超聲波傳感器與裝置連接，對中間接頭進行局放檢測。

2.2.2 電纜本體巡檢流程

對電纜本體巡檢時，將裝置調(diào)整到常規(guī)檢測模式。將高頻電流傳感器通過連接線連接到手持終端，對電纜進行局部放電檢測，根據(jù)是否檢測到局部放電現(xiàn)象來選擇下一步操作。

若未檢測到局部放電，將裝置切換至紅外測溫模式對電纜全程進行溫度檢測；

若檢測到局部放電，則需要對剩余電纜進行溫度檢測的同時，確定局部放電位置。將裝置切換至特高頻—紅外檢測模式，將特高頻傳感器通過連接線連接到手持終端，以特高頻檢測的量程（10米）為長度對電纜進行分段檢測。在每一次分段檢測之間，使用手持裝置對電纜進行測溫，使得檢測人員可以同時進行電纜測溫和局放檢測，避免對電纜全程進行局放檢測后再原路返回對電纜全程進行測溫。特高頻檢測到局放信號后，可進行粗略的局放定位，之后將裝置切換至超聲波—紅外檢測模式，檢測人員一手持設(shè)備對電纜進行紅外測溫，另手持外接的超聲波探測器，對局放進行精確定位。在確認(rèn)局部放電位置后，可切換回手動模式下的紅外測溫模式對剩余電纜進行溫度檢測。

2.3 多數(shù)據(jù)顯示

為實現(xiàn)特高頻—紅外和超聲波—紅外檢測功能，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的之間的聯(lián)系合理的安排各種數(shù)據(jù)的顯示。如圖8所示，將設(shè)備狀態(tài)、紅外圖像和局放圖像分層顯示，使得巡檢人員可以在檢測線纜溫度的同時定位局部放電位置，可有效避免檢測功能的頻繁切換和電纜重復(fù)巡檢。

圖8 檢測信號耦合處理

3 裝置測試

3.1 巡檢流程測試

本文巡檢裝置和常規(guī)巡檢裝置的巡檢流程對比如圖9所示，設(shè)置四種模式進行對比。

圖9 巡檢裝置流程對比

場景一：使用常規(guī)巡檢裝置進行巡檢。

場景二：使用本文巡檢裝置進行巡檢，不考慮本文巡檢流程。

場景三：使用本文巡檢裝置進行巡檢，考慮本文巡檢流程。

由場景一、二對比可以發(fā)現(xiàn)，本文巡檢裝置由于加入了特高頻檢測與超聲波檢測，考慮了各個檢測方法的互補特性，可精確定位局放點故障位置，但由于沒有使用本文的巡檢流程，在定位局放故障點后，需要對之前局放檢測的電纜再進行檢測，巡檢路程增加了一倍。由場景二、三對比可以發(fā)現(xiàn)，由于使用了本文的巡檢流程，在特高頻檢測之間進行紅外測溫，當(dāng)特高頻檢測檢測到局放信號后，切換至超聲波—紅外檢測模式對故障進行定位，在完成局放定位和電纜測溫任務(wù)的同時，使得巡檢路程減少了一半。

3.2 裝置功能測試

裝置外觀如圖10所示，裝置前部可拆卸進行傳感器模塊的切換，紅外探測器在裝置上方，顯示圖像通過數(shù)據(jù)線連接移動設(shè)備并在移動設(shè)備中顯示。

圖10 裝置外觀

裝置測試由于考慮了多數(shù)據(jù)顯示，可以在一個界面同時觀察電纜超聲波圖像和紅外檢測圖像，實現(xiàn)了電纜局放溫度同時檢測。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種便攜式多功能電纜巡檢裝置，裝置具有多種傳感器，可單機實現(xiàn)溫度和局放檢測巡檢目標(biāo)。

本文考慮了多種檢測方法的互補特性，設(shè)計了裝置的巡檢流程，并考慮了多檢測數(shù)據(jù)顯示。經(jīng)測試對比，發(fā)現(xiàn)采用本文巡檢流程可將巡檢路程縮短一半，有效的提高了巡檢效率。

通過智能輔助服務(wù)，有效降低了巡檢人員的培訓(xùn)成本。