摘要：該文提出了一種無源無線多功能傳感器，能夠利用電纜周圍的電磁能量和熱能進行供電，同時測量電纜的溫度值和電流值，根據電纜的帶電狀態(tài)進行判斷和報警。詳細介紹該傳感器的原理、結構、技術細節(jié)和工作流程，并以特高壓換流站伴熱帶為例，展示該傳感器的應用方案和效果。實驗結果表明，該傳感器能夠實現對電纜的實時監(jiān)測和分析，提高電纜運行的安全性和可靠性，節(jié)約能源和成本，簡化安裝和維護，適用于各種環(huán)境，具有較高的創(chuàng)新性和實用性。

關鍵詞：無源無線多功能傳感器；低壓600 V系統；在線監(jiān)測；電纜溫度；電纜電流

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.055

中圖分類號：TM 7，TP 212.6 文獻標志碼：A 文章編碼：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

無線傳感器技術是一種利用無線通信技術實現對物理量或環(huán)境參數的監(jiān)測和控制的技術，它具有布線簡單、成本低、維護方便、適應性強等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、交通等領域[1]。然而，無線傳感器的供電問題一直是制約其發(fā)展的一個重要因素，傳統的電池供電方式存在能量有限、更換困難、污染環(huán)境等缺點，因此，如何實現無線傳感器的無源供電，即利用環(huán)境中的能量進行供電，是無線傳感器技術的一個研究熱點和難點。

1 無源無線多功能傳感器的原理和結構

1.1 工作原理

無源無線多功能傳感器由兩部分組成：一部分是無源無線電流傳感器，另一部分是無源無線溫度傳感器。無源無線電流傳感器利用電纜周圍的電磁能量進行供電，通過電流互感器對電纜的電流值進行測量，然后通過無線通信模塊將電流數據發(fā)送給主采集終端。無源無線溫度傳感器利用電纜的熱能進行供電，通過溫度傳感器對電纜的溫度值進行測量，然后通過無線通信模塊將溫度數據發(fā)送給主采集終端。主采集終端接收到電流數據和溫度數據后，進行數據的處理和分析，判斷電纜的帶電狀態(tài)，捕捉設備運行異常狀態(tài)，實現無線電流及溫度的監(jiān)測和分析。

1.2 功能特點

無源無線多功能傳感器是一種創(chuàng)新的傳感器技術，它利用電纜周圍的電磁能量和熱能進行供電，無需外部電源，實現了能源的節(jié)約，降低了成本，并延長了使用壽命。這種傳感器無需布線，通過無線通信技術進行數據的傳輸，簡化了安裝過程，便于維護，并且適用于各種環(huán)境。它能夠同時測量電纜的溫度值和電流值，實現對電纜的運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析。根據電纜的帶電狀態(tài)，它可以判斷電纜是否有電壓，是否存在短路或斷路等故障，并能及時報警和處理[2]。此外，根據電纜的溫度值和電流值，它可以判斷電纜是否過熱或過載，是否存在火災或爆炸等危險，并能及時報警和處理。最后，它還可以根據電纜的溫度值和電流值，判斷電纜的老化程度和損耗情況，以便及時更換或維修。

1.3 組成部分

無源無線多功能傳感器是由無源無線電流傳感器、無源無線溫度傳感器和主采集終端三部分組成的。無源無線電流傳感器由電流互感器、無線通信模塊和電源模塊組成，它的主要功能是測量電纜的電流值，并將數據無線發(fā)送給主采集終端。無源無線溫度傳感器由溫度傳感器、無線通信模塊和電源模塊組成，它的主要功能是測量電纜的溫度值，并將數據無線發(fā)送給主采集終端。主采集終端由無線通信模塊、數據處理模塊和顯示模塊組成，它的主要功能是接收電流數據和溫度數據，并進行數據的處理和分析，顯示電纜的帶電狀態(tài)、電流值和溫度值，報警和控制。這三部分共同工作，實現了對電纜的實時監(jiān)測和分析，提高了電纜的安全性和可靠性。

1.4 工作流程

無源無線多功能傳感器的工作流程是一種高效且精確的過程。當電纜有電流通過時，無源無線電流傳感器利用電纜周圍的電磁能量進行供電，通過電流互感器對電纜的電流值進行測量，然后通過無線通信模塊將電流數據發(fā)送給主采集終端。同樣，當電纜有溫度變化時，無源無線溫度傳感器利用電纜的熱能進行供電，通過溫度傳感器對電纜的溫度值進行測量，然后通過無線通信模塊將溫度數據發(fā)送給主采集終端。主采集終端接收到電流數據和溫度數據后，進行數據的處理和分析，判斷電纜的帶電狀態(tài)，捕捉設備運行異常狀態(tài)，實現無線電流及溫度的監(jiān)測和分析。最后，主采集終端根據數據的分析結果，顯示電纜的帶電狀態(tài)、電流值和溫度值，報警和控制。這個過程確保了電纜的安全運行，提供了實時的監(jiān)測和分析，使得問題能夠被及時發(fā)現和處理。

2 無源無線多功能傳感器的技術細節(jié)

2.1 安裝

無源無線多功能傳感器的安裝過程是一種簡單且高效的步驟，詳見圖1。首先，打開互感器，將其卡在線纜上，使用工具擰緊線纜螺絲，將其固定牢固，然后擠壓互感器的上弧面與下弧面，使其閉合。接下來，將溫度傳感器貼緊電纜，用膠帶或綁帶固定，以確保溫度傳感器與電纜的熱接觸良好。然后，將主采集終端安裝在合適的位置，連接電源，打開開關，檢查指示燈是否正常。最后，將無線通信模塊與主采集終端配對，確保無線通信模塊與主采集終端之間的信號強度足夠。這個過程確保了無源無線多功能傳感器的正確安裝和有效運行，為電纜的監(jiān)測和維護提供了強大的支持。

圖1 傳感器安裝示意圖

2.2 使用

無源無線多功能傳感器的使用方法是一種簡單且高效的過程。首先，該傳感器適用于電壓0.6 kV以內，頻率50～60 Hz的低壓系統的線纜狀態(tài)在線監(jiān)測。用戶需要將傳感器安裝在待監(jiān)測部位，確保溫度傳感器貼緊電纜，并準確閉合傳感器。當監(jiān)測回路電流大于傳感器啟動電流時，傳感器將進入正常工作模式，采集溫度、電流及其他相關數據，并通過無線通信上傳至主采集終端。然而，若線路處于空載或負載電流小于啟動電流（啟動電流1 A），則傳感器不會工作。這個過程確保了電纜的安全運行，提供了實時的監(jiān)測和分析，使得問題能夠及時被發(fā)現和處理。

2.3 指示燈

無源無線多功能傳感器配備了一個指示燈，這個指示燈是傳感器工作狀態(tài)的直觀顯示。當綠燈常亮時，表示傳感器已經閉合，可以正常工作。如果綠燈在閃爍，那就意味著傳感器正在采集數據，并通過無線通信上傳至主采集終端[3]。而紅燈常亮則表示傳感器未閉合，無法工作。如果紅燈在閃爍，那就表示傳感器出現了故障，需要進行檢查或更換。這個指示燈的設計使得用戶可以快速、直觀地了解到傳感器的工作狀態(tài)，從而更好地使用和維護設備。

2.4 數據上傳

無源無線多功能傳感器通過433 MHz無線通信將采集的數據上傳至主采集終端。這些數據主要包括電纜的溫度、電流幅值以及帶電狀態(tài)。溫度數據用于監(jiān)測電纜的溫度，單位為攝氏度，這對于判斷電纜是否過熱或存在火災等危險情況至關重要。電流數據用于監(jiān)測電纜的電流幅值，單位為安培，這有助于了解電纜的負載情況。帶電狀態(tài)數據用于監(jiān)測線路是否有電壓，其中0表示無電壓，1表示有電壓，這對于判斷電纜是否存在短路或斷路等故障非常有用。

3 無源無線多功能傳感器在特高壓換

流站伴熱帶的應用案例

3.1 應用背景

特高壓換流站是特高壓直流輸電系統的重要組成部分，其主要功能是將交流電轉換為直流電，或將直流電轉換為交流電，實現電能的長距離輸送。換流站內部存在大量的高壓、大電流、強磁場等特殊環(huán)境，對電力設備的運行狀態(tài)提出了高要求[4]。特別是換流站的伴熱帶，其作用是在換流變壓器的油箱內部加熱油溫，保證油溫在一定范圍內，防止油溫過低導致油品變質或油箱內部結露。伴熱帶的溫度和電流是反映其運行狀況的重要參數，如果超過正常范圍，可能會導致伴熱帶的老化、損壞或故障，影響換流變壓器的運行安全和壽命。

傳統的伴熱帶監(jiān)測方法是采用有線傳感器，通過電纜連接傳感器和采集終端，實現數據的采集和傳輸。但是，這種方法存在以下缺點。

（1）布線復雜，成本高，維護難，易受外界干擾，不適用于高電壓、大電流、強磁場的特殊環(huán)境。

（2）數據采集不及時，不準確，不能實現實時監(jiān)測和分析，不能及時發(fā)現和處理異常情況，不能有效保障伴熱帶的運行安全和壽命。

為了解決上述問題，本文提出一種基于無源無線多功能傳感器的伴熱帶在線監(jiān)測方案，利用無源無線多功能傳感器實現伴熱帶的帶電狀態(tài)、電流值和溫度值的在線監(jiān)測和分析，無需外部電源供電，無需布線，適用于各種環(huán)境，提高了監(jiān)測的效率和準確性，保障了伴熱帶的運行安全和壽命。

3.2 應用方案

基于無源無線多功能傳感器的伴熱帶在線監(jiān)測方案由無線無源多功能傳感器、無線通信（集中器）模塊、后臺服務器組成，其中后臺服務器使用已有的電氣設備無線無源溫度在線監(jiān)測系統服務器并進行軟件系統接入。本項目只需增加無線無源多功能傳感器3個、無線通信（集中器）模塊1臺。具體安裝位置見表1。

無線通信（集中器）模塊通過無線自組網把3個傳感器數據集中到500KV#61濾波器組斷路器智能組件（IED）柜內的無線通信（集中器）模塊，之后無線發(fā)送至主控樓后臺服務器。

3.3 應用效果

（1）實現了伴熱帶的帶電狀態(tài)、電流值和溫度值的在線監(jiān)測和分析，無需外部電源供電，無需布線，適用于各種環(huán)境，提高了監(jiān)測的效率和準確性。

（2）實現了伴熱帶的運行狀態(tài)的實時顯示，報警和控制，及時發(fā)現和處理異常情況，保障了伴熱帶的運行安全和壽命。

（3）實現了伴熱帶的歷史數據的存儲，查詢和分析，生成歷史曲線和數據報表，為伴熱帶的運行管理和維護提供了依據。

4 結束語

本文設計的無源無線多功能傳感器能夠實現對低壓系統中電纜的帶電狀態(tài)、電流值和溫度值的在線監(jiān)測和分析，無需外部電源供電，無需布線，適用于各種環(huán)境，提高監(jiān)測的效率和準確性。該傳感器由無源無線電流傳感器、無源無線溫度傳感器和主采集終端組成，利用電纜周圍的電磁能量和熱能進行供電，通過無線通信技術進行數據的傳輸，實現了對電纜的實時監(jiān)測和分析。該傳感器在特高壓換流站伴熱帶的應用案例中，顯示其良好的性能和效果，保障伴熱帶的運行安全和壽命。該傳感器為電力設備的溫度和電流的監(jiān)測提供一種創(chuàng)新的解決方案，具有一定的應用價值。

參考文獻

[1] MUHAMMAD MUSTAFA．使用兩個繼電器開關用于多功能LC無源無線傳感器系統[D]．南京：東南大學，2018．

[2] 董蕾．基于LC無源無線傳感的探測方法[D]．南京：東南大學，2017．

[3] 李明，賴永杰．基于無源無線傳感器的10kV高壓室測溫方案研究[J]．電器工業(yè)，2023（2）：59-62．

[4] 吳潤發(fā)，鄂振偉，付東，等．基于聲表面波技術的變壓器無線溫度傳感器信號處理方法[J]．壓電與聲光，2023，45（1）：82-88．