无源无线多功能传感器在低压600 V系统中的应用研究

摘要：该文提出了一种无源无线多功能传感器，能够利用电缆周围的电磁能量和热能进行供电，同时测量电缆的温度值和电流值，根据电缆的带电状态进行判断和报警。详细介绍该传感器的原理、结构、技术细节和工作流程，并以特高压换流站伴热带为例，展示该传感器的应用方案和效果。实验结果表明，该传感器能够实现对电缆的实时监测和分析，提高电缆运行的安全性和可靠性，节约能源和成本，简化安装和维护，适用于各种环境，具有较高的创新性和实用性。

关键词：无源无线多功能传感器；低压600 V系统；在线监测；电缆温度；电缆电流

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.055

中图分类号：TM 7，TP 212.6 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）07-0-03

Application Research of Passive Wireless Multifunctional Sensors in Low-voltage 600 V Systems

WANG Yuelong1， JIANG Yuhan2， LI Shirong1， LI Yuansheng1

（1. Inner Mongolia Ultra High Voltage Branch of State Grid Inner Mongolia East Power Co.， Ltd.， Xilinhot 026000， China; 2. Bahrain Right Banner Power Supply Branch of State Grid Inner Mongolia East Power Co.， Ltd.， Chifeng 025150， China）

Abstract： This article proposes a passive wireless multifunctional sensor that can use the electromagnetic and thermal energy around the cable for power supply， measure the temperature and current values of the cable， and make judgments and alarms based on the charged state of the cable. Provide a detailed introduction to the principle， structure， technical details， and workflow of the sensor， and demonstrate the application scheme and effectiveness of the sensor using the tracing belt of the ultra-high voltage converter station as an example. The experimental results show that the sensor can achieve real-time monitoring and analysis of cables， improve the safety and reliability of cable operation， save energy and costs， simplify installation and maintenance， and is suitable for various environments， with high innovation and practicality.

Keywords： passive wireless multifunctional sensor; low voltage 600 V system; online monitoring; cable temperature; cable current

0 引言

无线传感器技术是一种利用无线通信技术实现对物理量或环境参数的监测和控制的技术，它具有布线简单、成本低、维护方便、适应性强等优点，广泛应用于工业、农业、医疗、交通等领域[1]。然而，无线传感器的供电问题一直是制约其发展的一个重要因素，传统的电池供电方式存在能量有限、更换困难、污染环境等缺点，因此，如何实现无线传感器的无源供电，即利用环境中的能量进行供电，是无线传感器技术的一个研究热点和难点。

1 无源无线多功能传感器的原理和结构

1.1 工作原理

无源无线多功能传感器由两部分组成：一部分是无源无线电流传感器，另一部分是无源无线温度传感器。无源无线电流传感器利用电缆周围的电磁能量进行供电，通过电流互感器对电缆的电流值进行测量，然后通过无线通信模块将电流数据发送给主采集终端。无源无线温度传感器利用电缆的热能进行供电，通过温度传感器对电缆的温度值进行测量，然后通过无线通信模块将温度数据发送给主采集终端。主采集终端接收到电流数据和温度数据后，进行数据的处理和分析，判断电缆的带电状态，捕捉设备运行异常状态，实现无线电流及温度的监测和分析。

1.2 功能特点

无源无线多功能传感器是一种创新的传感器技术，它利用电缆周围的电磁能量和热能进行供电，无需外部电源，实现了能源的节约，降低了成本，并延长了使用寿命。这种传感器无需布线，通过无线通信技术进行数据的传输，简化了安装过程，便于维护，并且适用于各种环境。它能够同时测量电缆的温度值和电流值，实现对电缆的运行状态的实时监测和分析。根据电缆的带电状态，它可以判断电缆是否有电压，是否存在短路或断路等故障，并能及时报警和处理[2]。此外，根据电缆的温度值和电流值，它可以判断电缆是否过热或过载，是否存在火灾或爆炸等危险，并能及时报警和处理。最后，它还可以根据电缆的温度值和电流值，判断电缆的老化程度和损耗情况，以便及时更换或维修。

1.3 组成部分

无源无线多功能传感器是由无源无线电流传感器、无源无线温度传感器和主采集终端三部分组成的。无源无线电流传感器由电流互感器、无线通信模块和电源模块组成，它的主要功能是测量电缆的电流值，并将数据无线发送给主采集终端。无源无线温度传感器由温度传感器、无线通信模块和电源模块组成，它的主要功能是测量电缆的温度值，并将数据无线发送给主采集终端。主采集终端由无线通信模块、数据处理模块和显示模块组成，它的主要功能是接收电流数据和温度数据，并进行数据的处理和分析，显示电缆的带电状态、电流值和温度值，报警和控制。这三部分共同工作，实现了对电缆的实时监测和分析，提高了电缆的安全性和可靠性。

1.4 工作流程

无源无线多功能传感器的工作流程是一种高效且精确的过程。当电缆有电流通过时，无源无线电流传感器利用电缆周围的电磁能量进行供电，通过电流互感器对电缆的电流值进行测量，然后通过无线通信模块将电流数据发送给主采集终端。同样，当电缆有温度变化时，无源无线温度传感器利用电缆的热能进行供电，通过温度传感器对电缆的温度值进行测量，然后通过无线通信模块将温度数据发送给主采集终端。主采集终端接收到电流数据和温度数据后，进行数据的处理和分析，判断电缆的带电状态，捕捉设备运行异常状态，实现无线电流及温度的监测和分析。最后，主采集终端根据数据的分析结果，显示电缆的带电状态、电流值和温度值，报警和控制。这个过程确保了电缆的安全运行，提供了实时的监测和分析，使得问题能够被及时发现和处理。

2 无源无线多功能传感器的技术细节

2.1 安装

无源无线多功能传感器的安装过程是一种简单且高效的步骤，详见图1。首先，打开互感器，将其卡在线缆上，使用工具拧紧线缆螺丝，将其固定牢固，然后挤压互感器的上弧面与下弧面，使其闭合。接下来，将温度传感器贴紧电缆，用胶带或绑带固定，以确保温度传感器与电缆的热接触良好。然后，将主采集终端安装在合适的位置，连接电源，打开开关，检查指示灯是否正常。最后，将无线通信模块与主采集终端配对，确保无线通信模块与主采集终端之间的信号强度足够。这个过程确保了无源无线多功能传感器的正确安装和有效运行，为电缆的监测和维护提供了强大的支持。

图1 传感器安装示意图

2.2 使用

无源无线多功能传感器的使用方法是一种简单且高效的过程。首先，该传感器适用于电压0.6 kV以内，频率50～60 Hz的低压系统的线缆状态在线监测。用户需要将传感器安装在待监测部位，确保温度传感器贴紧电缆，并准确闭合传感器。当监测回路电流大于传感器启动电流时，传感器将进入正常工作模式，采集温度、电流及其他相关数据，并通过无线通信上传至主采集终端。然而，若线路处于空载或负载电流小于启动电流（启动电流1 A），则传感器不会工作。这个过程确保了电缆的安全运行，提供了实时的监测和分析，使得问题能够及时被发现和处理。

2.3 指示灯

无源无线多功能传感器配备了一个指示灯，这个指示灯是传感器工作状态的直观显示。当绿灯常亮时，表示传感器已经闭合，可以正常工作。如果绿灯在闪烁，那就意味着传感器正在采集数据，并通过无线通信上传至主采集终端[3]。而红灯常亮则表示传感器未闭合，无法工作。如果红灯在闪烁，那就表示传感器出现了故障，需要进行检查或更换。这个指示灯的设计使得用户可以快速、直观地了解到传感器的工作状态，从而更好地使用和维护设备。

2.4 数据上传

无源无线多功能传感器通过433 MHz无线通信将采集的数据上传至主采集终端。这些数据主要包括电缆的温度、电流幅值以及带电状态。温度数据用于监测电缆的温度，单位为摄氏度，这对于判断电缆是否过热或存在火灾等危险情况至关重要。电流数据用于监测电缆的电流幅值，单位为安培，这有助于了解电缆的负载情况。带电状态数据用于监测线路是否有电压，其中0表示无电压，1表示有电压，这对于判断电缆是否存在短路或断路等故障非常有用。

3 无源无线多功能传感器在特高压换

流站伴热带的应用案例

3.1 应用背景

特高压换流站是特高压直流输电系统的重要组成部分，其主要功能是将交流电转换为直流电，或将直流电转换为交流电，实现电能的长距离输送。换流站内部存在大量的高压、大电流、强磁场等特殊环境，对电力设备的运行状态提出了高要求[4]。特别是换流站的伴热带，其作用是在换流变压器的油箱内部加热油温，保证油温在一定范围内，防止油温过低导致油品变质或油箱内部结露。伴热带的温度和电流是反映其运行状况的重要参数，如果超过正常范围，可能会导致伴热带的老化、损坏或故障，影响换流变压器的运行安全和寿命。

传统的伴热带监测方法是采用有线传感器，通过电缆连接传感器和采集终端，实现数据的采集和传输。但是，这种方法存在以下缺点。

（1）布线复杂，成本高，维护难，易受外界干扰，不适用于高电压、大电流、强磁场的特殊环境。

（2）数据采集不及时，不准确，不能实现实时监测和分析，不能及时发现和处理异常情况，不能有效保障伴热带的运行安全和寿命。

为了解决上述问题，本文提出一种基于无源无线多功能传感器的伴热带在线监测方案，利用无源无线多功能传感器实现伴热带的带电状态、电流值和温度值的在线监测和分析，无需外部电源供电，无需布线，适用于各种环境，提高了监测的效率和准确性，保障了伴热带的运行安全和寿命。

3.2 应用方案

基于无源无线多功能传感器的伴热带在线监测方案由无线无源多功能传感器、无线通信（集中器）模块、后台服务器组成，其中后台服务器使用已有的电气设备无线无源温度在线监测系统服务器并进行软件系统接入。本项目只需增加无线无源多功能传感器3个、无线通信（集中器）模块1台。具体安装位置见表1。

无线通信（集中器）模块通过无线自组网把3个传感器数据集中到500KV#61滤波器组断路器智能组件（IED）柜内的无线通信（集中器）模块，之后无线发送至主控楼后台服务器。

3.3 应用效果

（1）实现了伴热带的带电状态、电流值和温度值的在线监测和分析，无需外部电源供电，无需布线，适用于各种环境，提高了监测的效率和准确性。

（2）实现了伴热带的运行状态的实时显示，报警和控制，及时发现和处理异常情况，保障了伴热带的运行安全和寿命。

（3）实现了伴热带的历史数据的存储，查询和分析，生成历史曲线和数据报表，为伴热带的运行管理和维护提供了依据。

4 结束语

本文设计的无源无线多功能传感器能够实现对低压系统中电缆的带电状态、电流值和温度值的在线监测和分析，无需外部电源供电，无需布线，适用于各种环境，提高监测的效率和准确性。该传感器由无源无线电流传感器、无源无线温度传感器和主采集终端组成，利用电缆周围的电磁能量和热能进行供电，通过无线通信技术进行数据的传输，实现了对电缆的实时监测和分析。该传感器在特高压换流站伴热带的应用案例中，显示其良好的性能和效果，保障伴热带的运行安全和寿命。该传感器为电力设备的温度和电流的监测提供一种创新的解决方案，具有一定的应用价值。

参考文献

[1] MUHAMMAD MUSTAFA．使用两个继电器开关用于多功能LC无源无线传感器系统[D]．南京：东南大学，2018．

[2] 董蕾．基于LC无源无线传感的探测方法[D]．南京：东南大学，2017．

[3] 李明，赖永杰．基于无源无线传感器的10kV高压室测温方案研究[J]．电器工业，2023（2）：59-62．

[4] 吴润发，鄂振伟，付东，等．基于声表面波技术的变压器无线温度传感器信号处理方法[J]．压电与声光，2023，45（1）：82-88．