基于聲表面波無源無線傳感技術的電纜中間接頭監測系統

姜鑫東 秦勇 徐曉軼 秦玲

[摘? ? 要] 針對電纜中間接頭急需溫度監測，但存在數量眾多，存量與新建并存，且不同線路的負荷情況不同，重要程度不同的現狀，采用基于聲表面波技術的無源無線溫度傳感技術，設計了包括線芯測溫傳感器、絕緣表皮測溫傳感器、在線監測采集器、便攜式采集器、監測平臺在內的電纜中間接頭監測系統，系統針對不同負荷情況和安裝條件，提供了周期巡檢檢測、短時在線監測、長期在線監測等多種監測業務模式和新增安裝、存量安裝多種安裝形式，從而在可控成本下，實現了對電纜中間接頭狀態的持續監測。

[關鍵詞] 聲表面波;無源無線;傳感技術;電纜中間接頭;設備一體化;一二次融合

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

[中圖分類號] TP315? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 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、運行環境等因素的影響，電纜中間接頭處容易溫度過高從而導致電纜爆燃，給電網的安全穩定運行帶來了極大的威脅。這些故障都要經歷一個由量變到質變的漸進過程，通過對電纜中間接頭，特別是線芯處溫度的變化進行長期、連續的監測，就可以了解和掌握其運行狀況及故障趨勢。

目前，各類新型傳感器層出不窮，例如：自取電式紅外點陣測溫傳感器、半導體測溫傳感器以及無線射頻供電半導體測溫傳感器等。近年來涌現的聲表面波（SAW）式溫度傳感器在配網設備（包括：開關柜、環網柜、電纜接頭等）溫度實時、智能監測方面逐漸受到關注[1-5]。但電纜中間接頭數量眾多，存量與新建并存，且不同線路的負荷情況不同，重要程度不同，全盤采用在線監測方式投入過高，不利于電纜狀態監測的大范圍推廣實施。

針對此現狀，本文結合聲表面波無源無線傳感器的技術原理和特點，采用以聲表面波為基礎的無源無線技術，設計了線芯測溫傳感器、絕緣表皮測溫傳感器，針對不同負荷情況，探討了周期巡檢監測、短時在線監測、長期在線監測等多種監測模式，從而在可控成本下，實現對電纜中間接頭狀態的持續監測。

1? ? ? 聲表面波無源無線傳感器的原理和特點

在如圖1所示的SAW無線傳感系統中，閱讀器發射機通過天線發射窄帶電磁波激勵無源單端口聲表面波諧振器（SAWR），根據壓電材料的逆壓電效應，傳感器天線接收到的電磁波被叉指換能器（IDT）轉換為窄帶聲表面波。SAWR的實際諧振頻率由諧振腔結構和基片環境溫度決定。當窄帶電磁激勵消失后，帶內各頻率分量的SAW會以不同的時間常數自由衰減振蕩，SAW由IDT通過壓電效應再次轉化為電磁波并由天線輻射出來。只有頻率等于SAWR諧振頻率的電磁波能量最大，持續時間最長。閱讀器接收該衰減振蕩的電磁波后提取回波頻率，即可實現溫度的無線測量。因此，激勵信號的中心頻率應該與SAWR諧振頻率盡量一致，才能使SAWR獲取最大能量。

每臺閱讀器可以訪問多個SAW傳感器，傳感器之間通過頻分復用機制來區分。基于上述工作原理，SAW無線無源傳感器具有以下技術特點：

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

（2）SAW器件采用在壓電材料（非半導體）制作，能夠直接實現電磁波與SAW相互轉換且不需要電源供能。這種本質無源使其工作時不需要電池或取電，也不需要無線供電。

（3）由于SAW傳感側無任何電子元器件，不牽涉半導體材料中電子的遷移過程，因此具有壽命長、抗放電沖擊和抗電場、磁場等干擾能力強等許多獨特優點，非常適用于電力系統中。

2? ? ? 電纜中間接頭監測系統的構成和監測業務模式

電纜中間接頭在線溫度監測系統，如圖2所示，由前端溫度感知層、數據采集及傳輸層、數據平臺層等部分組成。溫度傳感器安裝于電纜接頭部位，根據新建和存量、電壓等級和負荷的不同，安裝在線芯或表皮，獲取溫度信息。通過便攜式和在線監測采集器，周期性巡檢或在線監測溫度信息并通過遠程網絡傳輸至數據平臺層。客戶可通過互聯網，查詢數據平臺層內的設備溫度信息。數據平臺層可提供對應數據接口，以幫助用戶結合負荷等其他數據，綜合進行電纜狀態判斷，以進行各種數據應用的開發。例如，當發生溫度超限時，將報警設備詳細信息發送至相關責任人手機，指導設備的檢查與故障處理工作。

為了應對存量和新增、高負荷和低負荷等不同電纜的安裝、監測要求，在系統內設計了多種監測業務模式，包括在線監測、短時在線監測和周期巡檢監測，針對不同電纜的情況還可在各個監測模式間進行切換，如圖3所示。

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

（2）短時在線監測：對于周期性巡檢中發現的高溫電纜接頭，連接在線監測采集器，進行24小時以上的連續監測，針對監測的情況可選擇轉為持續在線監測或巡檢監測。

（3）在線監測：針對110kV以上及110kV以下的高負荷、重要節點進行持續在線監測。對于經過短時在線監測持續高溫的中低負荷線路，通過連接在線監測采集器，可轉為在線監測。

為實現系統需要的功能和業務模式，以聲表面波技術為基礎，針對存量和新建電纜，設計了線芯和表皮兩種傳感器，新建電纜同時安裝兩種傳感器，存量電纜先安裝表皮式傳感器，在維護或重做接頭時安裝線芯式傳感器。并設計了對應的便攜式采集器和在線監測采集器。

3? ? ? 傳感器和采集器的實現

3.1? ?無源無線線芯溫度傳感器

無源無線溫度線芯傳感器（見圖4）由無源無線溫度感知元件、無線采集天線、CT取電裝置組成。其中，無源無線感知元件與接頭冷壓連接管一體化，在接頭制作時安裝在線芯接頭處，無線采集天線和CT取電裝置安裝在絕緣冷縮套管外、銅屏蔽網內。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外，通過連接線和采集天線及CT取電裝置連接。

當使用巡檢模式時，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

當使用在線監測模式時，將采集接口和取電接口分別與在線監測采集器的對應接口連接，實現在線監測功能。

3.2? ?表皮式無源無線溫度傳感器

表皮式傳感器（見圖5）通過捆扎方式固定在電纜中間接頭的表皮外，內部包含無源標識器和無源無線溫度傳感器。各類型采集器通過天線可讀取標識器信息和溫度信息，從而自動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，采集器內包含溫度采集模塊、標識器識讀模塊、表皮式讀取天線、線芯式傳感器采集接口。

當讀取表皮式傳感器時，將表皮式讀取天線貼近表皮式傳感器即可自動獲取電纜信息和表皮溫度。

當需要讀取線芯傳感器時，將線芯時傳感器采集接口與對應傳感器的采集接口連接，即可讀取和記錄線芯溫度。

采集器采集數據后將和云端建立遠程連接，并將數據保存在本地的SD卡或者硬盤中，遠程連接建立后將數據傳輸到云端（可支持NB-IOT，WIFI，4G等無線傳輸方式），云端對數據進行校驗后存儲到數據庫。

3.4? ?在線監測采集器

在線監測監測采集器（見圖6）主要用于線芯式傳感器的在線監測，包含無源無線解析模塊，傳感器采集接口、數據遠傳模塊和遠傳接口、CT電源接口以及選配表皮式讀取天線。無源無線解析模塊用于解析傳感器數據，數據遠傳模塊實現數據的遠程傳輸，根據工況的不同，可選擇低功耗廣域網、4G移動網絡或光纖有線傳輸等。當進行在線監測時，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，并連接相應的遠傳接口，即可進行在線監測。對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，捆綁在對應的傳感器外側，將天線連接至采集接口，實現在線監測。

4? ? ? 監測平臺

監測平臺主要用于遠端的數據存儲和算法實現以及業務展示，平臺包含的模塊有數據概況，設備統計，APP分析，故障統計，用戶反饋，用戶管理，菜單管理，設備管理，實施監測，周期巡檢，報警監測，異常狀態監測等子組件（見圖1），通過后期開發，可以在該基礎框架上構建更多的業務邏輯。

平臺基于MQTT/TCP/UDP等協議，采集便攜式采集器和在線監測采集器的數據，再存儲到數據庫中，平臺的業務人員根據數據庫的數據進行一系列的操作后，展示到平臺。根據目前的場景可提供在線的實施監測界面，周期巡檢界面，報警監測界面，異常狀態監測界面。設備有專用的識別ID作為唯一鍵，更好地管理和控制數量級的設備接入。

平臺提供相應的API接口，可以根據相應的接口，創建第三方展示平臺，包括大屏展示，業務邏輯算法，應用業務展示等。

5? ? ? 結? ? 論

本文針對電纜中間接頭急需溫度監測但存在數量眾多，存量與新建并存，且不同線路的負荷情況不同，重要程度不同的現狀，采用基于聲表面波技術的無源無線溫度傳感技術，設計了包括線芯測溫傳感器、絕緣表皮測溫傳感器、在線監測采集器、便攜式采集器、監測平臺在內的電纜中間接頭監測系統，系統針對不同負荷情況和安裝條件，提供了周期巡檢監測、短時在線監測、長期在線監測等多種監測業務模式和新增安裝、存量安裝多種安裝形式，從而在可控成本下，實現了對電纜中間接頭狀態的持續監測。

主要參考文獻

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