基于无源无线传感技术的电力电缆测温装置

基于无源无线传感技术的电力电缆测温装置

范志文肖高远

(国网浙江桐庐县供电有限公司浙江省杭州市311500)

摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，温度是电缆运行状态的关键参数，对电缆温度进行实时监测可有效防止事故发生，保障电力系统安全稳定运行。采用超高频ＲFID温度传感芯片研制一种基于无源无线传感技术的电力电缆测温装置，装置由基底、天线、ＲFID无源测温模块、固定基板及加固模块构成，将装置嵌入电力电缆内部来实现电缆测温。该装置的标签天线在920MHz工作频率下在金属表面可表现其优良性能，并且具有低剖面、小尺寸、低成本的优势。该电缆测温装置能够长期、安全、有效监测电力电缆的温度变化，避免因电力电缆温度过高引发的安全隐患，为电力系统的安全运行提供技术保障。

关键词：无源无线传感;测温装置;电力电缆;超高频;射频识别;温度传感芯片

引言

由于地下电力电缆的负荷不断增大，机构日益复杂，温湿度等环境因素影响的故障形式层出不穷，以及各种电力标准的实施，所以对无线传感节点及传感器进行更加深入研究和探讨是非常有必须要的。无线传感器网络(WirelesssensorNetwork,WSN)是一种新起的技术，始发于20世纪90年代初期，近年来，微机电系统、无线通信、嵌入式计算、分布式信息处理和人工智能等学科的飞速发展也引领了无线传感网络技术的深入研究，它是由部署在监测区域的无线传感节点组成，传感节点间以无线通信方式组成监控网络，能够实时地感知和采集网络监测区域内的环境或监测对象的相关信息，并对信息进行协作处理和网络传送。那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过无线传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。它的知识面牵涉到了很多的学科、也让这些学科很好的交织在一起，是现在热点并且前沿的科学研究领域，在民用和军事上有很好的应用前景。未来，无线传感器技术将为人类社会的变革带来巨大的功绩。

1无线传感网的技术

对于物联网而言无线传感器网络是非常重要的支撑技术之一，它扮演了现实世界和虚拟世界的桥梁，这种桥梁也是是现代信息领域研究的重点，有很多关键技术。1、定位技术:某些场合下，如何定位检测的信息是非常有必要的，确定发生事件的位置以及采集该事件相关的数据都是传感器应该具备的能力。这类传感节点分布位置广泛，部署之后应当能够确定自身坐标，而且资源有限，传输信息过程中容易受到外界干扰，还容易失去效用，因此这种机制需要满足多重要求。2、时间同步:之所以用到时间同步是因为能够让无线传感网络的整个系统能够做到协同工作，各有分工，但是由于每个节点都有自己的本地时钟，各具自身的特性，而且受到的干扰也是不一样的，所以一般复杂的同步算法并不能适用在每个传感网络上，因此很多研究都在集中设计一种适合的时间同步算法。3、网络安全:无线传感网络要进行数据采集处理算出等一系列任务，如何确保这些信息的安全可靠高效性，成了重点研究问题。无线传感网络必须具备安全机制，比如消息认证，机密认证，广播认证等，这些安全机制可以确保整个任务在处理执行过程中能够做到保密和可靠。4、网络拓扑控制:无线传感网络的节点是非常多，而且单个节点能力是有限的，为了保证网络的连通性，需要通过拓扑结构来完善通信路径，常用的网络拓扑结构有星型，总线型，网状等。一个健康的网络发展的前景取决网络的拓扑结构。此外无线传感器网络还有很多其他相关的技术，如数据管理，嵌入式操作系统，数据融合，网络协议等。

2系统组成及工作原理

本文所提到的装置由基底、天线、ＲFID无源测温模块、固定基板及加固模块构成，如图2所示。其中，天线附着于基底表面，通过表面贴片工艺，将ＲFID无源测温模块焊接在固定基板上，因为固定基板为PCB板，分为上下两层，通过导通过孔连接上下两层，作为ＲFID无源测温模块与天线连接的桥梁，同时在电力电缆弯折和拉伸过程中，保障ＲFID无源测温模块与天线稳定的电气连接，即ＲFID无源测温模块在弯折或拉伸环境下不易脱落。另外，加固模块为横向载条，与基底形成十字形结构，固定在基底上，保障测温装置安装于电缆指定位置，在注塑和使用过程中测温装置不发生位置的偏移。加固模块在植入时包裹电力电缆，增加电缆测温装置与电缆表层的接触面积和摩擦力，保障测温装置安装于电力电缆指定位置，在注塑和使用过程中测温装置不发生位置的偏移。在该装置中，基底为高介电软性电路板(flexiblehighdielectricprintcircuitboard)，具有轻薄、坚固、可弯曲、低成本、低功耗以及架构简单的特性，其良好的高介电特性有利增加电容密度提升、降低驱动电压的能力。在电磁场驱动元件中，能提供高电磁场效益给元件，大幅度有效降低元件跨压，为测温装置实用化提供材料支撑。所使用的天线采用柔性FPC、铜箔、油墨等导电材料，具有良好的导电性能，实现信号的发送与接收，天线中间位置设计有焊盘，通过焊盘使天线与ＲFID无源测温模块建立电气连接。ＲFID无源测温模块包括ＲFID芯片和温度传感器2部分，其原理框图如图3所示。ＲFID芯片和温度传感器集成于同一封装模块，封装模块阻抗采用自适应ＲFID芯片是该电缆测温装置的核心器件，其主要由无源ＲFID芯片和自适应调谐电路够成，ＲFID芯片满足900MHzEPCglobalClass1Gen2标准的ＲFID高效双向认证协议，自适应调谐电路是一种模拟信号处理电路，包括调谐电容和逻辑控制电路，并与ＲFID芯片的两个天线接口相连，可以自动改变输入端的阻抗特性，让封装模块处于自动调谐状态进行修正。根据ＲFID芯片特性和阻抗与温度的逻辑关系，可检测电缆测温装置的ID和表面温度。

3测温装置的应用

该装置采用ＲFID芯片与温度传感一体化的测温方案，将装置嵌入电力电缆内来实行监测，在生产时，测温装置植入电力电缆的绝缘层中，如图9所示。由于体积小而不影响的电缆规格，极大地方便了实际的应用。通过使用该装置，因为采用无源技术，所以无后期维护成本，并且ＲFID技术具有标识、识别距离远、识别速度快等特点，极大提高了该监测方案的精确性，同时该装置采用耐高温泡沫材料，具有耐高温和耐弯折的特点，可以无需担心高温作业以及电缆弯折等问题。将该标签装置紧密嵌入在电缆内部，可以极为精确地感应电缆温度变化。首先是读写器发送测温指令，测温装置接收到指令信号后，进行当前时刻的温度数据采集，并通过天线传送到读写器端，后台再根据读写器识别到的数据做出下一步的指令。在实际电缆线路中，我们选取一段长度200m的输电线缆，将起始位置记为0，间隔10m的位置放置本文设计的测温装置，连续监测线缆温度的变化。在上述的位置中，选取了位置0、50、90、1504个位置，分别记录用温度计测量的温度和测温装置得到的温度，进行比较。

结语

本文设计的以超高频ＲFID芯片与温度传感器一体化方案，因为测试装置体积小，将之嵌入电力电缆内，对现有的电缆规格尺寸无任何影响，再通过无线通信技术将采集的电缆温度信息传送给监控计算机系统，从而实现了对电缆温度变化的有效监测。其结构简单，并且可以保证监测装置长期有效地工作，可大力推广应用，对维护电力工业的安全发展具有重要意义。

参考文献

[1]刘勇,黄茂云,张东升,等.电缆接头无线测温装置设计[J].科技创新与应用,2017(5):38－39．

[2]崔丽,周宇浩,张益,等.电力电缆智能温度巡检系统设计[J].实验室研究与探索,2016，35(4):78－81．