基于声表面波无源无线传感技术的电缆中间接头监测系统

姜鑫东 秦勇 徐晓轶 秦玲

[摘    要] 针对电缆中间接头急需温度监测，但存在数量众多，存量与新建并存，且不同线路的负荷情况不同，重要程度不同的现状，采用基于声表面波技术的无源无线温度传感技术，设计了包括线芯测温传感器、绝缘表皮测温传感器、在线监测采集器、便携式采集器、监测平台在内的电缆中间接头监测系统，系统针对不同负荷情况和安装条件，提供了周期巡检检测、短时在线监测、长期在线监测等多种监测业务模式和新增安装、存量安装多种安装形式，从而在可控成本下，实现了对电缆中间接头状态的持续监测。

[关键词] 声表面波;无源无线;传感技術;电缆中间接头;设备一体化;一二次融合

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

[中图分类号] TP315    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）15- 0203- 03

0      引    言

受电缆中间接头材料性能、制作工艺、接触电阻、冷热收缩、运行环境等因素的影响，电缆中间接头处容易温度过高从而导致电缆爆燃，给电网的安全稳定运行带来了极大的威胁。这些故障都要经历一个由量变到质变的渐进过程，通过对电缆中间接头，特别是线芯处温度的变化进行长期、连续的监测，就可以了解和掌握其运行状况及故障趋势。

目前，各类新型传感器层出不穷，例如：自取电式红外点阵测温传感器、半导体测温传感器以及无线射频供电半导体测温传感器等。近年来涌现的声表面波（SAW）式温度传感器在配网设备（包括：开关柜、环网柜、电缆接头等）温度实时、智能监测方面逐渐受到关注[1-5]。但电缆中间接头数量众多，存量与新建并存，且不同线路的负荷情况不同，重要程度不同，全盘采用在线监测方式投入过高，不利于电缆状态监测的大范围推广实施。

针对此现状，本文结合声表面波无源无线传感器的技术原理和特点，采用以声表面波为基础的无源无线技术，设计了线芯测温传感器、绝缘表皮测温传感器，针对不同负荷情况，探讨了周期巡检监测、短时在线监测、长期在线监测等多种监测模式，从而在可控成本下，实现对电缆中间接头状态的持续监测。

1      声表面波无源无线传感器的原理和特点

在如图1所示的SAW无线传感系统中，阅读器发射机通过天线发射窄带电磁波激励无源单端口声表面波谐振器（SAWR），根据压电材料的逆压电效应，传感器天线接收到的电磁波被叉指换能器（IDT）转换为窄带声表面波。SAWR的实际谐振频率由谐振腔结构和基片环境温度决定。当窄带电磁激励消失后，带内各频率分量的SAW会以不同的时间常数自由衰减振荡，SAW由IDT通过压电效应再次转化为电磁波并由天线辐射出来。只有频率等于SAWR谐振频率的电磁波能量最大，持续时间最长。阅读器接收该衰减振荡的电磁波后提取回波频率，即可实现温度的无线测量。因此，激励信号的中心频率应该与SAWR谐振频率尽量一致，才能使SAWR获取最大能量。

每台阅读器可以访问多个SAW传感器，传感器之间通过频分复用机制来区分。基于上述工作原理，SAW无线无源传感器具有以下技术特点：

（1）SAW器件本身工作在射频频段，采用数/能同传方式工作，可以确保高低压绝对分离，抗电压绝缘安全性高。

（2）SAW器件采用在压电材料（非半导体）制作，能够直接实现电磁波与SAW相互转换且不需要电源供能。这种本质无源使其工作时不需要电池或取电，也不需要无线供电。

（3）由于SAW传感侧无任何电子元器件，不牵涉半导体材料中电子的迁移过程，因此具有寿命长、抗放电冲击和抗电场、磁场等干扰能力强等许多独特优点，非常适用于电力系统中。

2      电缆中间接头监测系统的构成和监测业务模式

电缆中间接头在线温度监测系统，如图2所示，由前端温度感知层、数据采集及传输层、数据平台层等部分组成。温度传感器安装于电缆接头部位，根据新建和存量、电压等级和负荷的不同，安装在线芯或表皮，获取温度信息。通过便携式和在线监测采集器，周期性巡检或在线监测温度信息并通过远程网络传输至数据平台层。客户可通过互联网，查询数据平台层内的设备温度信息。数据平台层可提供对应数据接口，以帮助用户结合负荷等其他数据，综合进行电缆状态判断，以进行各种数据应用的开发。例如，当发生温度超限时，将报警设备详细信息发送至相关责任人手机，指导设备的检查与故障处理工作。

为了应对存量和新增、高负荷和低负荷等不同电缆的安装、监测要求，在系统内设计了多种监测业务模式，包括在线监测、短时在线监测和周期巡检监测，针对不同电缆的情况还可在各个监测模式间进行切换，如图3所示。

（1）周期巡检监测：针对110kV以下的中低负荷电缆，周期性地读取电缆绝缘外表皮或线芯的温度传感器数值，并上传至平台。

（2）短时在线监测：对于周期性巡检中发现的高温电缆接头，连接在线监测采集器，进行24小时以上的连续监测，针对监测的情况可选择转为持续在线监测或巡检监测。

（3）在线监测：针对110kV以上及110kV以下的高负荷、重要节点进行持续在线监测。对于经过短时在线监测持续高温的中低负荷线路，通过连接在线监测采集器，可转为在线监测。

为实现系统需要的功能和业务模式，以声表面波技术为基础，针对存量和新建电缆，设计了线芯和表皮两种传感器，新建电缆同时安装两种传感器，存量电缆先安装表皮式传感器，在维护或重做接头时安装线芯式传感器。并设计了对应的便携式采集器和在线监测采集器。

3      传感器和采集器的实现

3.1   无源无线线芯温度传感器

无源无线温度线芯传感器（见图4）由无源无线温度感知元件、无线采集天线、CT取电装置组成。其中，无源无线感知元件与接头冷压连接管一体化，在接头制作时安装在线芯接头处，无线采集天线和CT取电装置安装在绝缘冷缩套管外、铜屏蔽网内。采集天线和CT取电装置分别连接有采集接口和取电接口，采集接口和取电接口在铜屏蔽网外，通过连接线和采集天线及CT取电装置连接。

当使用巡检模式时，将采集接口与便携式采集器的采集接口连接，即可读取线芯温度

当使用在线监测模式时，将采集接口和取电接口分别与在线监测采集器的对应接口连接，实现在线监测功能。

3.2   表皮式无源无线温度传感器

表皮式传感器（见图5）通过捆扎方式固定在电缆中间接头的表皮外，内部包含无源标识器和无源无线温度传感器。各类型采集器通过天线可读取标识器信息和温度信息，从而自动显示和记录温度信息。

3.3   便携式采集器

便携式采集器用于周期性巡检工作模式，采集器内包含温度采集模块、标识器识读模块、表皮式读取天线、线芯式传感器采集接口。

当读取表皮式传感器时，将表皮式读取天线贴近表皮式传感器即可自动获取电缆信息和表皮温度。

当需要读取线芯传感器时，将线芯时传感器采集接口与对应传感器的采集接口连接，即可读取和记录线芯温度。

采集器采集数据后将和云端建立远程连接，并将数据保存在本地的SD卡或者硬盘中，远程连接建立后将数据传输到云端（可支持NB-IOT，WIFI，4G等无线传输方式），云端对数据进行校验后存储到数据库。

3.4   在线监测采集器

在线监测监测采集器（见图6）主要用于线芯式传感器的在线监测，包含无源无线解析模块，传感器采集接口、数据远传模块和远传接口、CT电源接口以及选配表皮式读取天线。无源无线解析模块用于解析传感器数据，数据远传模块实现数据的远程传输，根据工况的不同，可选择低功耗广域网、4G移动网络或光纤有线传输等。当进行在线监测时，将线芯式传感器的采集接口连接至传感器采集接口，将取电接口连接至CT电源接口，并连接相应的远传接口，即可进行在线监测。对于存量电缆的表皮式传感器，可采用选配的表皮式读取天线，捆绑在对应的传感器外侧，将天线连接至采集接口，实现在线监测。

4      监测平台

监测平台主要用于远端的数据存储和算法实现以及业务展示，平台包含的模块有数据概况，设备统计，APP分析，故障统计，用户反馈，用户管理，菜单管理，设备管理，实施监测，周期巡检，报警监测，异常状态监测等子组件（见图1），通过后期开发，可以在该基础框架上构建更多的业务逻辑。

平台基于MQTT/TCP/UDP等协议，采集便携式采集器和在线监测采集器的数据，再存储到数据库中，平台的业务人员根据数据库的数据进行一系列的操作后，展示到平台。根据目前的场景可提供在线的实施监测界面，周期巡检界面，报警监测界面，异常状态监测界面。设备有专用的识别ID作为唯一键，更好地管理和控制数量级的设备接入。

平台提供相应的API接口，可以根据相应的接口，创建第三方展示平台，包括大屏展示，业务逻辑算法，应用业务展示等。

5      结    论

本文针对电缆中间接头急需温度监测但存在数量众多，存量与新建并存，且不同线路的负荷情况不同，重要程度不同的现状，采用基于声表面波技术的无源无线温度传感技术，设计了包括线芯测温传感器、绝缘表皮测温传感器、在線监测采集器、便携式采集器、监测平台在内的电缆中间接头监测系统，系统针对不同负荷情况和安装条件，提供了周期巡检监测、短时在线监测、长期在线监测等多种监测业务模式和新增安装、存量安装多种安装形式，从而在可控成本下，实现了对电缆中间接头状态的持续监测。

主要参考文献

[1]韩韬，吉小军，李平，等.声表面波无线无源传感器[J].上海交通大学学报，2018，52（10）：1314-1323.

[2]T Han， C Zhang，et al.Recent Research Results on Wireless Passive Acoustic Sensors for Smart Grids Application[C]//2016 IEEE International Conference of Ultrasonics Symposium （IUS），2016.

[3]丁永生，赵仰东，张晨睿，等.配电变压器油温油位一体化无源无线监测系统[J].测控技术，2019，38（6）：33-37.

[4]郑天祥，李璐，陈硕.声表面波传感技术在能源互联网在线监测中的应用研究综述[J].智能电网，2015，3（12）：1112-1117.