一种配电电缆接头温度传感系统的制作方法

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1.本发明属于配电电缆温度检测技术领域，特别涉及一种配电电缆接头温度传感系统。


背景技术：

2.电缆在城市配电网中被广泛使用，它们能否可靠运行对于电力系统的供电稳定性至关重要。但长时间运行的配电电缆接头由于施工不当，或受电场、热场和机械力的长时间作用难免发生劣化，导致接触电阻升高，继而引发过热甚至起火故障，严重威胁电网的安全稳定运行。近年来，随着我国经济社会的不断发展，对城市供电可靠性的要求日益提高。加强配电电缆温升检测、及时发现电缆接头存在的缺陷，从而实现电缆接头过热故障预警具有重要意义。
3.传统的配电电缆接头温度检测方法主要有以下四种：感知测温法、接触式无线测温法、红外成像测温法和光纤测温法：1)感知测温；感知测温是传统的发热监视方法，包括人工观察接头表面颜色，通过异常气味发现设备过热以及通过异常音响发现设备过热等。这样的方法用在封闭的电缆通道内有很大局限性，对预防事故作用不大。2)接触式无线测温；接触式无线测温法采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件监测电缆接头温度，其中温度传感器属有源器件，需要通过高品质的电池供电，中间处理单元采用无线通讯的方式实现与传感器之间的数据传输，并采用数据管理系统实现温度数据分析及报警功能。由于无线测温需要采用电池供电，维护工作量较大，且电池本身可能成为安全隐患，因此接触式无线测温不适用于电缆接头的温度监测。3)红外探头测温；红外探头测温法是通过红外测温探头接收电缆接头的红外辐射来确定其温度。但是此种测温方法精度不高，受接头表面清洁状况影响极大，难以准确获取温度情况。4)光纤测温；光纤测温法的关键器件是光纤温度传感器，包括分布式光纤温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器等。光纤温度传感器具有体积小，重量轻，不受电磁干扰，抗辐射，分布式测量等显而易见的优势。然而，光纤测温需要配备昂贵的激光器、光电探测器等光电子器件，且在电缆沟内应用时，光纤存在布线困难等问题，很难广泛应用。因此，研究一种高精度、低成本、无线式的配电电缆接头温度传感系统十分必要。


技术实现要素：

4.本发明提出一种配电电缆接头温度传感系统，包括声表面波温度传感器封装结构、读写器、后台信息处理系统。所述声表面波温度传感器封装结构用于和待测配电电缆连接，声表面波温度传感器包括声表面波温度传感器，声表面波温度传感器与读写器间通过无线通信连接，读写器与后台信息处理系统间通过引线通信连接。
5.所述温度传感器封装结构还包括封装组件，声表面波温度传感器封装于封装组件内，且用于和待测配电电缆连接。
6.所述封装组件包括环状金属、塑料外壳和位于所述环状金属和塑料外壳之间的灌
封层，塑料外壳套设于环状金属的外侧；环状金属的外侧壁开设凹槽，声表面波温度传感器安装于所述凹槽。
7.所述声表面波温度传感器采用导热胶粘接于所述凹槽。
8.所述环状金属与塑料外壳同轴设置。
9.所述环状金属为铝环，塑料外壳为聚四氟乙烯外壳，所述灌封层采用环氧树脂灌封。
10.所述声表面波温度传感器包括叉指换能器、压电基片、反射栅及内置式读写天线，叉指换能器和反射栅均位于压电基片的上表面，叉指换能器的两个端口分别与内置式读写天线的端口相连。
11.所述压电基片材质为128
°
yx-linbo3(铌酸锂)。
12.所述读写器包括天线与信号激励模块，天线与激励模块通过引线连接，后台信息处理系统与激励模块通过引线连接。
13.所述天线为蘑菇形柱状结构。
14.所述信号激励模块采用高频信号源和低频dds信号源混频的方式产生正弦激励信号，并通过低通滤波和功率放大处理后注入天线中，由天线发送出去。
15.本发明可实现配电电缆接头温度的无源、无线式检测，解决了现有温度检测手段面临的布线复杂、需要本地电源供电等的难题，可广泛应用于配电电缆接头温度在线检测场景，可为城市配电电缆的智能化运维提供全新的技术手段。
附图说明：
16.图1为本发明提供的一种配电电缆接头温度传感系统结构示意图。
17.图2为本发明提供的一种配电电缆接头温度传感系统中声表面波温度传感器结构示意图。
18.图中，1—铝环、2—聚四氟乙烯外壳、3—环氧树脂灌封层、4—声表面波温度传感器、5—读写器、6—天线探头、7—底座、8—信号激励模块、9—同轴线缆、10—后台信息处理系统、11—叉指换能器、12—压电基片、13—反射栅、14—内置式读写天线、15—引线。
具体实施方式：
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.声表面波的基本传感原理如下：声表面波器件主要包括压电基片、叉指换能器(idt)和反射栅等结构。当在叉指换能器两端加上交变电压时，会在叉指换能器下面的压电基片表面和表面附近的空间产生交变电场，并通过逆压电效应在压电基片表面产生相应的弹性形变，从而激发声表面波。当外界环境变化时，会影响到声表面波在压电基片上的传播速度，使得激励信号和经过反射栅返回的回波信号出现时延或相位变化，因此通过检测信号的时延或相位差即可得到待测信息。
21.声表面波传播速度和外界因素关系如下式所示。
[0022][0023]
式中v为声表面波传播速度，m为质量，c为弹性系数，ε为介电常数，t为温度，p为压力。
[0024]
由公式(1)可见，声表面波的传播速度v取决于环境因素的变化，任何一种影响因素的变化都会导致声表面波波速发生变化，通过增强主导影响因素的效应，削弱其他因素的影响，设计出对某一影响因素敏感的声表面波器件。
[0025]
基于上述基本原理，本发明提出了一种基于声表面波的配电电缆接头温度传感系统。
[0026]
配电电缆接头温度传感系统包括声表面波温度传感器封装结构、读写器和后台信息处理系统，表面波温度传感器封装结构包括声表面波温度传感器和封装组件，封装组件用于将声表面波温度传感器固定于待测配电电缆接头处。声表面波温度传感器与读写器间通过无线通信连接，读写器与后台信息处理系统间通过引线通信连接。该系统的工作原理如下：
[0027]
后台信息处理系统通过读写器向安装在待测配电电缆接头处的声表面波温度传感器发送激励信号，该激励信号经声表面波温度传感器的内置式读写天线接收后，利用叉指换能器通过逆压电效应转换为同频声表面波，声表面波在压电基片上传播并被反射栅反射回叉指换能器。反射回的声表面波再通过压电效应转换为电信号，经由叉指换能器端的天线辐射出去，形成回波信号。该回波信号再由读写器接收送回后台信息处理系统。当配电电缆接头因为电流的焦耳热效应发热后，通过热传导引起声表面波在压电材料上的传播速度发生变化，进而导致激励信号与回波信号的时延发生改变。通过检测、分析激励信号与回波信号的时延变化情况即可反演出压电基片的温度信息。由于激励信号和回波信号是以电磁波形式在读写器与内置式天线间传递，两者之间无需导线连接，据此可以实现无线温度检测。
[0028]
下面结合附图对本发明提供的配电电缆接头温度传感系统做进一步详细描述：
[0029]
声表面波温度传感器包括叉指换能器11、压电基片12、反射栅13、内置式读写天线14及引线15。叉指换能器11和反射栅13均位于压电基片12的上表面，叉指换能器11的两个端口分别与内置式读写天线14的端口相连。该内置式读写天线14为多匝环形结构，相比于螺旋天线，其具有更强的抗电磁干扰能力。压电基片12设置为128
°
yx-linbo3，工作频率点为433.92mhz。将内置式读写天线14的两端通过引线15与叉指换能器11的引脚连接，接收和反馈声表面波检测信号。
[0030]
封装组件为圆环形，内侧为铝环1，外侧为聚四氟乙烯外壳2，铝环1内径与待测配电电缆接头外径相等。将声表面波温度传感器4固定在铝环1外侧凹槽中，与铝环1间通过导热胶紧密结合。为了提高传感器的机械性能，用环氧树脂材料进行灌封，使得声表面波温度传感器4、铝环1以及聚四氟乙烯外壳2形成一个整体。该封装组件可穿入配电电缆，并紧贴于电缆接头。
[0031]
读写器5包括天线探头6、底座7与信号激励模块8。天线探头6为“蘑菇形”柱状结构。“蘑菇状”天线可使得读写器具有全向性，保证有效的发送和接收到各个方向上的电磁
波信号。信号激励模块8安装于底座7中，其采用高频信号源和低频dds信号源混频的方式产生频率为433mhz的正弦激励信号，而后通过截止频率500mhz的低通滤波、放大倍数为40db的功率放大处理后注入天线探头6中，由天线探头6发送出去。
[0032]
后台信息处理系统10负责控制激励信号的产生与回波信号的处理。系统工作模式分为发送周期与接收周期，依次循环。在发送周期，后台信息处理系统10控制读写器5中的信号激励模块8以0.5ms为间隔产生持续时间为0.5ms的间隙正弦信号，该信号经天线探头6辐射出后被声表面波温度传感器4接收，继而返回携带温度信息的电磁回波信号。在接收周期，后台信息处理系统10控制读写器5中的天线探头6接收回波信号，并经过滤波、放大、a/d转换处理后转换为数字信号，经由labview集成开发的软件实现温度数据的显示与存储。
[0033]
本技术实施例提供的配电电缆接头温度传感系统的有益效果为：可实现配电电缆接头温度的无源、无线式检测，解决了现有温度检测手段面临的布线复杂、需要本地电源供电等的难题，可广泛应用于配电电缆接头温度在线检测场景，可为城市配电电缆的智能化运维提供全新的技术手段。
[0034]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0035]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，包括声表面波温度传感器封装结构、读写器、后台信息处理系统；所述声表面波温度传感器封装结构用于和待测配电电缆连接，声表面波温度传感器与读写器间通信连接，读写器与后台信息处理系统间通信连接。2.根据权利要求1所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述声表面波温度传感器封装结构还包括封装组件，声表面波温度传感器封装于封装组件内，且用于和待测配电电缆连接。3.根据权利要求2所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述封装组件包括环状金属、塑料外壳和位于所述环状金属和塑料外壳之间的灌封层，塑料外壳套设于环状金属的外侧；环状金属的外侧壁开设凹槽，声表面波温度传感器安装于所述凹槽。4.根据权利要求3所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述声表面波温度传感器采用导热胶粘接于所述凹槽。5.根据权利要求3所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述环状金属与塑料外壳同轴设置。6.根据权利要求3所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述环状金属为铝环，塑料外壳为聚四氟乙烯外壳，和/或，所述灌封层采用环氧树脂灌封。7.根据权利要求1所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述声表面波温度传感器包括叉指换能器、压电基片、反射栅及内置式读写天线，叉指换能器和反射栅均位于压电基片的上表面，叉指换能器的两个端口分别与内置式读写天线的端口相连。8.根据权利要求7所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述压电基片材质为128
°ꢀ
yx-linbo3（铌酸锂）。9.根据权利要求1所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述读写器包括天线与信号激励模块，天线与激励模块通过引线连接，后台信息处理系统与激励模块通过引线连接。10.根据权利要求9所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述天线为蘑菇形柱状结构。11.根据权利要求9所述配电电缆接头温度传感系统，其特征在于，所述信号激励模块采用高频信号源和低频dds信号源混频的方式产生正弦激励信号，并通过低通滤波和功率放大处理后注入天线中，由天线发送出去。

技术总结
本发明涉及一种基于声表面波的配电电缆接头温度传感系统，属于配电电缆状态检测技术领域，包括铝环，聚四氟乙烯外壳，环氧树脂灌封层，声表面波温度传感器，天线探头，底座，信号激励模块，同轴线缆，后台信息处理系统；本发明通过声表面波温度传感器内的叉指换能器结构实现电磁波信号与声表面波信号的互相转换，并利用声表面波在压电材料内传播速度受温度影响的特性，使得电磁激励信号与电磁回波信号的时延与温度间建立映射关系，以此实现远程无线温度温度检测；本发明可广泛应用于配电电缆接头温度在线检测场景，可为城市配电电缆的智能化运维提供全新的技术手段。化运维提供全新的技术手段。化运维提供全新的技术手段。


技术研发人员：马国明 周宏扬 谢洋洋 牛荣泽 徐铭铭 冯光
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司电力科学研究院 国网河南省电力公司 国家电网有限公司
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/5