國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司景德鎮(zhèn)供電分公司 楊丹青 劉 宇 彭 峰 寧定業(yè) 李西猷 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 陳樂(lè)飛

隨著電力電纜在城市和大中型企業(yè)的供電系統(tǒng)中占比越來(lái)越大，電纜的運(yùn)行狀態(tài)正影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全[1]。而電力電纜的運(yùn)行環(huán)境較差，隨著電纜線路運(yùn)行時(shí)間的增加，難免會(huì)出現(xiàn)電纜老化現(xiàn)象[2]。為避免電纜線路故障的發(fā)生，需要對(duì)電力電纜實(shí)施巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除電纜缺陷和異常，保證電纜設(shè)備正常運(yùn)行[3]。

電纜巡檢需要對(duì)電纜溫度和局部放電情況進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[4-6]使用物聯(lián)網(wǎng)、分布式光纖等技術(shù)對(duì)電纜進(jìn)行在線巡檢，但是這些遠(yuǎn)程在線檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)到故障之后仍需人工巡檢確認(rèn)故障。文獻(xiàn)[7-8]利用巡檢機(jī)器人對(duì)輸電管廊進(jìn)行巡檢，但巡檢機(jī)器人存在成本過(guò)高、場(chǎng)景適應(yīng)性較差等問(wèn)題，因此，現(xiàn)有的智能化巡檢設(shè)備無(wú)法完全替代人工巡檢。

當(dāng)前，人工巡檢一般需要對(duì)電纜的溫度和局部放電故障進(jìn)行檢測(cè)，通常采用高頻電流法[9]、震蕩波法[10]檢測(cè)局部放電，使用紅外測(cè)溫儀[11]檢測(cè)電纜溫度。但老式高頻電流檢測(cè)裝置體積較大，難以適應(yīng)巡檢需求；震蕩波法檢測(cè)裝置需要在斷電條件下使用，增加了巡檢人員的工作量。此外，紅外測(cè)溫與局部放電檢測(cè)使用不同的裝置，需要多人操作，裝置功能單一。因此亟需研發(fā)一種便攜的多功能的電纜巡檢裝置輔助電纜巡檢人員工作。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)多功能的電纜巡檢裝置已開(kāi)展了一定的研究。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種多參量帶電檢測(cè)裝置，將超聲波法和特高頻法用于電纜巡檢。文獻(xiàn)[12]通過(guò)超聲波和紫外光信號(hào)對(duì)電纜頭局放進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[13]基于高頻電流法、特高頻法和超聲法對(duì)電纜狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。但以上研究都只是將多種檢測(cè)方法機(jī)械的融合在一個(gè)裝置中，并沒(méi)有考慮多種檢測(cè)方法之間的互補(bǔ)性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于紅外成像、高頻電流、超聲波、特高頻等技術(shù)的多功能一體化電纜巡檢裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜管廊的巡檢。該裝置充分考慮了不同技術(shù)之間的互補(bǔ)性，從而提高檢測(cè)裝置的靈敏度與實(shí)用性。并具備取證標(biāo)識(shí)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)表生成等智能輔助服務(wù)功能，可降低巡檢人員技術(shù)要求。該裝置小巧便攜、使用靈活、安全可靠，可有效提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，降低人力物力和時(shí)間成本。

1 巡檢裝置總體設(shè)計(jì)

本裝置為應(yīng)對(duì)輸電管廊的巡檢要求，主要分為傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、處理器和輸出模塊四個(gè)模塊，具備紅外測(cè)溫、局部放電檢測(cè)、局部放電故障定位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)傳輸功能，巡檢裝置設(shè)計(jì)主要由硬件與軟件兩部分組成。

1.1 檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

巡檢裝置的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)裝置主要由傳感器模塊（光電、紅外、超聲波、特高頻、高頻電流）、信號(hào)調(diào)理模塊、處理器和輸出模塊（無(wú)線通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互、GPS 定位）組成。其中紅外探測(cè)器和光電傳感器安裝在手持終端，其余傳感器通過(guò)外接端口使用連接線與手持終端連接，根據(jù)具體的使用需求選擇合適的傳感器。傳感器模塊將所檢測(cè)的信號(hào)發(fā)送給信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理模塊將所接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換成能被處理器接收的電信號(hào)，信號(hào)在經(jīng)過(guò)處理器處理后發(fā)送給輸出模塊，其中人機(jī)交互模塊用于方便巡檢人員獲得相關(guān)信息，GPS 定位模塊用于確認(rèn)故障位置，存儲(chǔ)模塊用于臨時(shí)存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 檢測(cè)裝置硬件總體設(shè)計(jì)

1.1.1 外接傳感器

外接傳感器主要有高頻電流傳感器、超聲波傳感器和特高頻傳感器。

高頻電流傳感器。高頻電流傳感器主要通過(guò)高頻磁芯來(lái)檢測(cè)局部放電。高頻磁芯耦合局部放電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的局放電流，在線圈二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓作用在電阻上轉(zhuǎn)化成用于檢測(cè)的感應(yīng)電流，檢測(cè)頻帶為3MHz～50MHz。高頻電流傳感器在使用的過(guò)程中可直接鉗在電纜中間接頭、本體或者終端上，不需要改變電纜的運(yùn)行狀態(tài)。高頻電流傳感器原理如圖2所示。

圖2 高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)

特高頻傳感器。特高頻傳感器由信號(hào)檢測(cè)天線與信號(hào)放大電路組成。用于感應(yīng)局部放電所激發(fā)出的特高頻電磁波，其采用微帶天線結(jié)構(gòu)，檢測(cè)頻帶為300MHz～1500MHz。UHF 傳感器在使用過(guò)程中放置在電纜終端環(huán)氧套管處或者電纜外部屏蔽層，同時(shí)可通過(guò)放置多個(gè)UHF 傳感器，根據(jù)時(shí)差定位原理x=(L-v×Δt)/2計(jì)算出故障源位置，用于局放故障定位。特高頻傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 特高頻傳感器結(jié)構(gòu)

超聲波傳感器：超聲波傳感器可將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)圖像顯示和音頻輸出等方式供巡檢人員分析。超聲波檢測(cè)是一種非電檢測(cè)方法，可以避免受到電信號(hào)的干擾。超聲波傳感器在使用過(guò)程中可直接貼在電氣設(shè)備表面，檢測(cè)的原理如圖4所示。

圖4 超聲波傳感器原理圖

1.1.2 信號(hào)調(diào)理模塊

傳感器所檢測(cè)的信號(hào)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)制解調(diào)、電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)、濾波、A/D 轉(zhuǎn)化等步驟以便于信號(hào)的傳輸與處理。不同處理方法的作用如表1所示。

表1 信號(hào)調(diào)理對(duì)應(yīng)問(wèn)題

1.1.3 手持終端

巡檢過(guò)程需要全程對(duì)電纜進(jìn)行紅外測(cè)溫，將紅外探測(cè)器集成在手持終端可以避免傳感器的頻繁安裝切換，同時(shí)也為局部放電和溫度同時(shí)檢測(cè)提供了可能。手持終端可通過(guò)人機(jī)交互界面顯示從傳感器收集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與發(fā)送。

紅外探測(cè)器：紅外傳感器可以檢測(cè)到物體的熱輻射，將檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換使信號(hào)轉(zhuǎn)變成可識(shí)別的圖像信號(hào)。結(jié)合攝像頭接收的可見(jiàn)光圖像通過(guò)雙視融合技術(shù)融合，呈現(xiàn)出物體表面的溫度分布圖像，使巡檢人員可以更加直觀的發(fā)現(xiàn)異常熱源位置。其測(cè)量溫度范圍在-20～1500 ℃， 溫度校準(zhǔn)范圍為5-90。紅外檢測(cè)原理如圖5所示。

圖5 紅外檢測(cè)原理圖

人機(jī)交互界面：人機(jī)交互界面將設(shè)備信息與檢測(cè)信息直觀的顯示在界面方便巡檢人員查看，巡檢人員可以直接在人機(jī)交互界面進(jìn)行檢測(cè)方式的替換、測(cè)量量程的更改、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與發(fā)送等行為。

嵌入式CPU：采用高工作穩(wěn)定性、功耗小、環(huán)境適應(yīng)度較強(qiáng)的嵌入式CPU Freescale iMX257，具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與保護(hù)、多任務(wù)處理、多通道信號(hào)采集等功能，并能根據(jù)需求對(duì)CPU 進(jìn)行更新和擴(kuò)展。該設(shè)計(jì)可有效降低設(shè)備體積，減少測(cè)量過(guò)程中的人工操作，以提高其在現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)用性。

1.2 檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 軟件架構(gòu)

本裝置采用模型－視圖－控制器（MVC）架構(gòu)，其具有耦合性低、重用性高、生命周期成本低、可維護(hù)性高等特點(diǎn)。

模型：模型中包含著數(shù)據(jù)，巡檢過(guò)程中檢測(cè)到的局放數(shù)據(jù)通過(guò)控制器輸送到模型中，也可以從模型中調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。

視圖：視圖是與用戶進(jìn)行信息交互的界面，將手持終端的設(shè)備狀態(tài)和探測(cè)器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在人機(jī)交互界面顯示，通過(guò)圖像曲線和數(shù)值的形式觀察檢測(cè)數(shù)據(jù)。

控制器：檢測(cè)人員通過(guò)控制器去調(diào)用模型中的數(shù)據(jù)和改變視圖的顯示，是模型層與控制層的連接媒介。

1.2.2 智能輔助服務(wù)

智能輔助服務(wù)流程如圖6所示，巡檢人員通過(guò)光電傳感器識(shí)別取證標(biāo)識(shí)，確認(rèn)電纜型號(hào)后從云端下載電纜終端技術(shù)規(guī)范與電纜歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)，輔助判斷電纜巡檢狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)裝置進(jìn)行巡檢后，故障位置、檢測(cè)圖像與檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到云端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)管理，自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)表并歸檔保存。

圖6 智能輔助服務(wù)流程

2 檢測(cè)方式互補(bǔ)性處理

2.1 裝置模式設(shè)計(jì)

局放檢測(cè)方式的特征如表2所示。

表2 不同局放檢測(cè)方式的特征

通過(guò)觀察特征可發(fā)現(xiàn)高頻電流法雖然可以直接檢測(cè)出是否有局放現(xiàn)象，但無(wú)法確認(rèn)故障位置，而特高頻超聲波檢測(cè)雖然可以進(jìn)行局放故障定位，但由于其檢測(cè)距離較短，需對(duì)電纜進(jìn)行多次檢測(cè)才能完成巡檢任務(wù)，因此可采用高頻電流法判斷是否存在局放現(xiàn)象，用特高頻和超聲波檢測(cè)進(jìn)行局放定位。

2.2 巡檢流程設(shè)計(jì)

為充分利用檢測(cè)裝置的互補(bǔ)關(guān)系，提高巡檢效率，考慮電纜中間接頭和電纜本體兩種檢測(cè)情況，設(shè)計(jì)了巡檢裝置的巡檢流程。此外，為滿足巡檢流程的需要，設(shè)計(jì)了如圖7巡檢裝置的檢測(cè)模式巡檢流程，其中常規(guī)檢測(cè)模式用于電纜本體的巡檢，手動(dòng)模式用于必要時(shí)的單項(xiàng)檢測(cè)。

圖7 巡檢裝置檢測(cè)模式

2.2.1 電纜中間接頭巡檢流程

在巡檢電纜中間接頭時(shí)，將裝置調(diào)整到手動(dòng)模式選擇紅外測(cè)溫功能，使用手持終端檢測(cè)電纜中間接頭溫度。由于電纜中間接頭沒(méi)有鎧裝層和屏蔽層的信號(hào)屏蔽，在測(cè)溫完成之后選擇超聲波檢測(cè)功能，將超聲波傳感器與裝置連接，對(duì)中間接頭進(jìn)行局放檢測(cè)。

2.2.2 電纜本體巡檢流程

對(duì)電纜本體巡檢時(shí)，將裝置調(diào)整到常規(guī)檢測(cè)模式。將高頻電流傳感器通過(guò)連接線連接到手持終端，對(duì)電纜進(jìn)行局部放電檢測(cè)，根據(jù)是否檢測(cè)到局部放電現(xiàn)象來(lái)選擇下一步操作。

若未檢測(cè)到局部放電，將裝置切換至紅外測(cè)溫模式對(duì)電纜全程進(jìn)行溫度檢測(cè)；

若檢測(cè)到局部放電，則需要對(duì)剩余電纜進(jìn)行溫度檢測(cè)的同時(shí)，確定局部放電位置。將裝置切換至特高頻—紅外檢測(cè)模式，將特高頻傳感器通過(guò)連接線連接到手持終端，以特高頻檢測(cè)的量程（10米）為長(zhǎng)度對(duì)電纜進(jìn)行分段檢測(cè)。在每一次分段檢測(cè)之間，使用手持裝置對(duì)電纜進(jìn)行測(cè)溫，使得檢測(cè)人員可以同時(shí)進(jìn)行電纜測(cè)溫和局放檢測(cè)，避免對(duì)電纜全程進(jìn)行局放檢測(cè)后再原路返回對(duì)電纜全程進(jìn)行測(cè)溫。特高頻檢測(cè)到局放信號(hào)后，可進(jìn)行粗略的局放定位，之后將裝置切換至超聲波—紅外檢測(cè)模式，檢測(cè)人員一手持設(shè)備對(duì)電纜進(jìn)行紅外測(cè)溫，另手持外接的超聲波探測(cè)器，對(duì)局放進(jìn)行精確定位。在確認(rèn)局部放電位置后，可切換回手動(dòng)模式下的紅外測(cè)溫模式對(duì)剩余電纜進(jìn)行溫度檢測(cè)。

2.3 多數(shù)據(jù)顯示

為實(shí)現(xiàn)特高頻—紅外和超聲波—紅外檢測(cè)功能，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的之間的聯(lián)系合理的安排各種數(shù)據(jù)的顯示。如圖8所示，將設(shè)備狀態(tài)、紅外圖像和局放圖像分層顯示，使得巡檢人員可以在檢測(cè)線纜溫度的同時(shí)定位局部放電位置，可有效避免檢測(cè)功能的頻繁切換和電纜重復(fù)巡檢。

圖8 檢測(cè)信號(hào)耦合處理

3 裝置測(cè)試

3.1 巡檢流程測(cè)試

本文巡檢裝置和常規(guī)巡檢裝置的巡檢流程對(duì)比如圖9所示，設(shè)置四種模式進(jìn)行對(duì)比。

圖9 巡檢裝置流程對(duì)比

場(chǎng)景一：使用常規(guī)巡檢裝置進(jìn)行巡檢。

場(chǎng)景二：使用本文巡檢裝置進(jìn)行巡檢，不考慮本文巡檢流程。

場(chǎng)景三：使用本文巡檢裝置進(jìn)行巡檢，考慮本文巡檢流程。

由場(chǎng)景一、二對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本文巡檢裝置由于加入了特高頻檢測(cè)與超聲波檢測(cè)，考慮了各個(gè)檢測(cè)方法的互補(bǔ)特性，可精確定位局放點(diǎn)故障位置，但由于沒(méi)有使用本文的巡檢流程，在定位局放故障點(diǎn)后，需要對(duì)之前局放檢測(cè)的電纜再進(jìn)行檢測(cè)，巡檢路程增加了一倍。由場(chǎng)景二、三對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，由于使用了本文的巡檢流程，在特高頻檢測(cè)之間進(jìn)行紅外測(cè)溫，當(dāng)特高頻檢測(cè)檢測(cè)到局放信號(hào)后，切換至超聲波—紅外檢測(cè)模式對(duì)故障進(jìn)行定位，在完成局放定位和電纜測(cè)溫任務(wù)的同時(shí)，使得巡檢路程減少了一半。

3.2 裝置功能測(cè)試

裝置外觀如圖10所示，裝置前部可拆卸進(jìn)行傳感器模塊的切換，紅外探測(cè)器在裝置上方，顯示圖像通過(guò)數(shù)據(jù)線連接移動(dòng)設(shè)備并在移動(dòng)設(shè)備中顯示。

圖10 裝置外觀

裝置測(cè)試由于考慮了多數(shù)據(jù)顯示，可以在一個(gè)界面同時(shí)觀察電纜超聲波圖像和紅外檢測(cè)圖像，實(shí)現(xiàn)了電纜局放溫度同時(shí)檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式多功能電纜巡檢裝置，裝置具有多種傳感器，可單機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度和局放檢測(cè)巡檢目標(biāo)。

本文考慮了多種檢測(cè)方法的互補(bǔ)特性，設(shè)計(jì)了裝置的巡檢流程，并考慮了多檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示。經(jīng)測(cè)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用本文巡檢流程可將巡檢路程縮短一半，有效的提高了巡檢效率。

通過(guò)智能輔助服務(wù)，有效降低了巡檢人員的培訓(xùn)成本。