CN105531572A - 用于监测导电体温度的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种***(100)，该***用于监测电缆的导电体的温度并包括温度传感器单元(100a)和收发器单元(100b)。温度传感器单元(100a)被定位于第一(半)导电层的内部，并且包括微控制器(120)、温度传感器(110)、能量获取子单元(140)和无线发射器(130)。温度传感器(110)被适配为检测表示导电体的温度的第一信号(SI)并且将第一信号(SI)供应至微控制器(120)。收发器单元(100b)被定位于第一(半)导电层的外部并包括能量发射器(160)和无线接收器(150)。能量获取子单元(140)被适配为从能量发射器(160)获取电磁功率并将电力提供至微控制器(120)。无线发射器(130)被适配为在微控制器(120)的控制下与无线接收器(150)接合，以便将由第一信号(SI)转换的第二信号(S2)传输至无线接收器(150)。能量获取子单元(140)和无线发射器(130)被设计为具有不同的工作频率。

Description

用于监测导电体温度的***和方法

技术领域

本发明整体涉及用于监测导电体温度的***和方法，并且具体地，涉及用于监测被包围在至少(半)导电层中的导电体，例如高压配电***中的电力线缆的导电体的温度的***和方法。

背景技术

高压配电***在现代社会中扮演了重要的角色。对于此类高压配电***的“健康”来说，安全和保障始终是重要的因素。因此，应存在能够监测高压配电***的“健康”的技术。

在高压配电***中，电缆的导体的温度将随着由线缆携载的电流的增加而增加。因此，在此类***中，可通过例如在可为弱点的线缆接头或结点处，监测在线导电体的温度来评估此类***的“健康”。通常，流过线缆接头或结点的正常电流可产生至高约90摄氏度的温度。如果线缆接头或结点的温度增加超过那个温度，那么可能指示该配电***中发生某种错误。另一方面，知道现有配电***是否处于最大载流容量、知道是否能够使用现有***可靠地分配额外的电力或者知道是否需要额外的基础结构支出也是有用的。

高压配电***中的在线电力线缆以及线缆接头和结点通常被多个绝缘和(半)导电层绝缘和保护，并且常常被埋在地下或者被架在高空。因此，例如直接在线缆接头或结点处，监测在线导电体的温度并不容易。

如本说明书中所用：

“(半)导电的”指根据特定构造，该层可为半导电的或导电的。

两个制品之间的“热接触”指制品可以热量方式彼此交换能量。

两个制品之间的“直接接触”指物理接触。

图1示出一种类型的标准高压线缆拼接组件30，其中电缆10的两个节段为拼接的。如图1所示，电缆10包括导电体31、绝缘层33和(半)导电层35。连接器12同心地围绕拼接的导电体31。第一(半)导电(或电极)层13(例如为金属层)同心地围绕拼接的导电体31和连接器12，从而围绕连接器12和导电体31形成屏蔽法拉第笼。绝缘层11(包含几何形的应力控制元件16)围绕第一(半)导电层13。上述构造被设置在用作屏蔽和接地层的第二(半)导电层14(在这种情况下为金属外壳)的内部。树脂17通过端口18中的一个被倾注到金属外壳14中，以填充围绕绝缘层11的区域。并且，可收缩的套管层15充当最外层。

因此，存在开发解决方案以例如在高压配电***中，监测被包围在至少(半)导电层中的导电体的温度的需求。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开了一种用于监测被包围在至少第一(半)导电层中的导电体的温度的***。该***包括温度传感器单元和收发器单元。温度传感器单元被定位于第一(半)导电层的内部，并且包括微控制器、温度传感器、能量获取子单元和无线发射器。温度传感器被适配为检测表示导电体的温度的第一信号并且将该第一信号供应至微控制器。收发器单元被定位于该第一(半)导电层的外部并且包括能量发射器和无线接收器。能量获取子单元被适配为从能量发射器获取电磁功率并且将电力提供至微控制器。无线发射器被适配为在微控制器的控制下与无线接收器接合，以便将由第一信号转换的第二信号传输至无线接收器。能量获取子单元和无线发射器被设计为具有不同的工作频率。

根据本公开的另一个方面，公开了一种监测被包围在至少第一(半)导电层中的导电体的温度的方法，并且该方法包括以下步骤：

由在第一工作频率下工作的能量获取子单元获取电力并将电力提供至第一微控制器，所述第一微控制器和能量获取子单元位于第一(半)导电层的内部；

由位于第一(半)导电层的内部的温度传感器单元检测表示导电体的温度的第一信号；

由第一微控制器将第一信号转换成适于经由无线方式传输的第二信号；

由无线发射器将第二信号传输至位于第一(半)导电层的外部的无线接收器，无线发射器位于第一(半)导电层的内部并且在不同于第一工作频率的第二工作频率下工作。

在一些实施例中，无线发射器的工作频率与能量获取子单元的工作频率的比率大于100。例如，能量获取子单元被设计为具有数十KHz至数百KHz的范围内的工作频率。无线发射器被设计为具有数十MHz至数千MHz的范围内的工作频率。

所述***的电力获取和信号传输可单独地并且在双重结构(即，能量获取子单元加上能量发射器作为一个结构并且无线发射器加无线接收器作为另一个结构)的不同工作频率下实现。因此，收发器单元的无线接收器的天线具有更大的安装自由并且不需要安装在无线发射器的天线的正上方；同时可实现良好的信号传输质量。因此，现场安装***将会更加容易。

附图说明

通过下文结合附图对本发明的优选实施例的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将是显而易见的并且更易于理解，其中：

图1是现有技术线缆拼接组件的部分切除示意图；

图2是根据本发明实施例的用于监测导电体温度的***的示意性框图；

图3是根据本发明实施例的用于监测导电体温度的***在线缆拼接组件中的应用的部分切除示意图。

本发明的范围将决不限于附图的简单示意图、构成部件的数量、其材料、其形状、其相对排列等等，而是仅作为实施例的示例来公开。

具体实施方式

在下文中将会参考附图详细地描述本公开的示例性实施例，其中类似的参考编号是指类似的元件。然而，本公开可以许多不同形式体现并且不应该理解为限于本文示出的实施例。

本公开提供用于例如在线缆接头或结点处，监测电缆的导电体温度的***的实施例。在一些实施例中，这种***能够远程地监测线缆内导体的温度。如上所述，线缆接头或结点在高压配电***中可能具有最弱载流容量，并且在电流过载时可能具有较高故障可能性。根据本发明实施例的用于监测导电体温度的***可被用于监测位于线缆接头或结点中的导电体的温度，使得可根据该温度判断导电体以及线缆接头或结点是否工作良好。

图2是根据本公开的一个实施例的用于监测被包围在至少第一(半)导电层中的导电体(未示出)温度的***100的示意图。常常，第一(半)导电层可紧紧地包围导电体并且可能不允许除了用于导电体进出的那些端口之外在其上存在任何端口或间隙。***100包括温度传感器单元100a和收发器单元100b。温度传感器单元100a被适配为测量导电体的温度并且向收发器单元100b供应表示该温度的信号。收发器单元100b被适配为允许温度传感器单元100a能够工作，并且接收信号，并且进一步基于所接收的信号来确定导电体的温度。温度传感器单元100a位于第一(半)导电层的内部，而收发器单元100b位于第一(半)导电层的外部。

温度传感器单元100a包括温度传感器110、微控制器(在下文中称为“第一微控制器”)120、无线发射器130和能量获取子单元140。温度传感器110被适配为检测表示导电体的温度的第一信号S1并且将第一信号S1供应至第一微控制器120。第一微控制器120被适配为控制温度传感器110工作，并且接收第一信号S1，并且然后处理该第一信号S1，以便获得适于由无线发射器130传输的第二信号S2。无线发射器130被适配为在第一微控制器120的控制下经由无线方式传输出由第一信号S1转换的第二信号S2。能量获取子单元140被适配为获取电磁功率并将电力提供至第一微控制器120。

收发器单元100b包括无线接收器150和能量发射器160。无线接收器150被适配为与无线发射器130接合以便接收第二信号S2。能量发射器160被适配为向能量获取子单元140发出类似连续的正弦波的触发信号，使得能量获取子单元140可从能量发射器160获取电磁功率并产生电力以便供应至微控制器110。此外，收发器单元100b包括微控制器(在下文中称为“第二微控制器”)170，该微控制器被配置为处理第二信号S2以便基于所接收的第二信号S2来确定导电体的温度值。另选地，第二微控制器170可被配置为控制能量发射器160发出触发信号。

能量获取子单元140和能量发射器160被配置为彼此接合并且具有第一工作频率。无线发射器130和无线接收器150被配置为彼此接合并且具有第二工作频率。第一工作频率不同于第二工作频率。优选地，第二工作频率与第一工作频率的比率大于100，更优选地大于250、或500、或1000、或3000、或5000、或甚至大于10000。优选地，第一工作频率在数十KHz至数百KHz的范围内，优选地小于1000KHz，例如10KHz至990KHz；甚至更优选地小于500KHz，例如10KHz至500KHz，更具体地诸如20KHz，或100KHz。第二工作频率在数十MHz至数千MHz的范围内，例如10MHz至10GHz；优选地大于433MHz，甚至更优选地433MHz至2.45GHz，更具体地诸如433MHz，或2.45GHz等。因此，能量获取和信号传输可分别得以实现并且可不会彼此干扰。另外，第一工作频率相对较低，而第二工作频率相对较高，高的第二工作频率具有更强的穿透性并且允许无线接收器150相对自由地定位，而非像本领域中现有温度***所要求的那样无线接收器与无线发射器之间要严格匹配。另外，第二工作频率是足够高的，因此传输距离可比低频率下的传输距离长得多。

另选地，温度传感器110被配置为与导电体直接接触或热接触。温度传感器110的类型不受限制，以所需的精确准确性和可靠性感测并测量温度的模拟温度传感器和数字温度传感器是可接受的。导电体可达到约90℃，或甚至更高的温度，因此希望温度传感器110可在某一高温下工作。作为实例，所述温度传感器可以是热电偶或感温元件等。感温元件例如可选自感温开关、感温感应线圈、感温电容器或感温电阻器，并且可与具有表示导电体温度的至少一个特性参数的其他电气部件形成电路，如PCT/CN2013/075135中所公开。因此，温度传感器110可检测表示导电体温度的信号(第一信号S1)并且输出该信号(第一信号S1)。此信号可以是温度数据，或体现导电体温度的一些其他参数，例如，随温度变化的电阻器电阻，或随温度变化的电容器电容。

另选地，无线发射器130包括天线和驱动电路。所述驱动电路是以高频无线信号的方式驱动天线来发射出第二信号S2。对应地，无线接收器150包括天线和驱动电路，所述驱动电路被适配为驱动天线来接收第二信号S2。

另选地，能量获取子单元140包括LC谐振电路，该LC谐振电路具有至少一个感应线圈141和一个电容器143并且被适配为一旦被能量发射器160触发就产生交流电。因此，LC谐振电路可被触发而振荡从而产生交流电。此外，能量获取子单元140包括被适配为将交流电转换成直流电的整流器电路145。

直流电优选地为稳定的并且被供应至第一微控制器120。一旦第一微控制器120被供电，它将工作并且向温度传感器110发出指令。然后，温度传感器110将检测表示导电体的温度的第一信号S1并且将第一信号S1供应至第一微控制器120。常常，第一信号S1是模拟信号。第一微控制器120将处理第一信号S1并且将该第一信号转换成适于经由无线信号例如数字信号传输的信号(即，第二信号S2)。

第二微控制器170被配置为接收第二信号S2并且基于第二信号S2确定导电体的温度。在此，可理解，第二微控制器170所接收的第二信号S2可以是由无线发射器130发射的第二信号S2本身，或可以是在传输过程期间由第二信号S2转化的信号，第二信号S2的术语用来表示此类信号。如果温度传感器110的第一信号S1是温度值，第二微控制器170可通过将第二信号S2转换成展示温度值的数据来确定导电体的温度。如果温度传感器110的第一信号S1是类似电容或频率而非温度值的另一种参数，第二微控制器170可包括展示导电体的温度与这种参数之间的关系的表，使得第二微控制器170可由第二信号S2计算出温度。第二微控制器170可进一步被配置为在温度数据与预先确定的阈值之间进行比较，如果温度数据大于预先确定的阈值，第二微控制器170可发出警报信号以指示导电体可能在不安全条件下工作。

第二微控制器170可进一步被配置为连接至能量发射器160并且控制能量发射器工作。当需要测量导电体的温度时，第二微控制器170将向能量发射器160发送指令S4，并且能量发射器160将向能量获取子单元140发射触发信号S6例如连续的正弦波，使得能量获取子单元140将振荡以产生交流电并且将电力提供至第一微控制器120。一旦第一微控制器120得到供电，它将向温度传感器110发出指令以检测信号S1。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，该实施例示出了用于测量被包围在线缆拼接组件30中的导电体31的温度的、本发明中公开的用于监测导电体温度的***的实施例。线缆拼接组件30，如图1所示，常常用于高压配电。

在这个实施例中，两条线缆10的导电体31被连接器12拼接并覆盖，并且然后被第一(半)导电层13、绝缘层11、第二(半)导电层14和可收缩的套管层15封闭。在这个实施例中，可收缩的套管层15包括两个重叠节段15a和15b，以在重叠部分之间留出通道15c。通道15c提供从可收缩的套管层15的外部穿过第二(半)导电层14上的一个端口18到第二(半)导电层14的内部的通路。因此，通道15c提供用于在温度传感器单元100a与收发器单元100b的部件的至少一部分之间通信的通路。

如图3所示，温度传感器单元100a可被定位成靠近导电体31并且在第一(半)导电层13的内部。优选地，导电体31的一部分被暴露在线缆10的绝缘层33与连接器12之间，并且温度传感器单元100a可被定位成围绕导电体31的暴露部分。并且，另选地，温度传感器110可直接附接在连接器12的表面上。框架结构可被设置成包裹在导电体31周围，并且温度传感器单元100a的其他部件如第一微控制器120、无线发射器130以及能量获取子单元140可被该框架结构容纳。关于收发器单元100b，能量发射器160可被定位于第一(半)导电层13与第二(半)导电层14之间。为了获得更好的通信效果，能量发射器160可被定位在能量获取子单元140的正上方以便改善电磁耦合。第二微控制器170可被定位于第二(半)导电层14的外部。提供电线175以使能量发射器160与第二微控制器170电接触。电线175可被容纳在通道15c内，使得电线175可从能量发射器160穿过端口18延伸至第二微控制器170。无线接收器150还可被定位于第二(半)导电层14的外部。提供电线155以使无线接收器150与第二微控制器170电接触。无线接收器150和第二微控制器170可被一起安装或单独安装在可收缩的套管层15的外部。这是因为无线接收器150被配置为在高频率下工作并且不存在应定位于无线发射器130的正上方的特殊要求。

另选地，包括电力感应线圈的另一个能量获取单元180可被定位在组件30的外部并且围绕线缆10，或者定位在第二(半)导电层14与可收缩的套管层15之间。这个能量获取单元180可用于通过电线185来向第二微控制器170供应电力。

贯穿本说明书，尽管电线155、175、185各自被称作“电线”，但应当理解，电线155、175、185中的任一者或两者可按***起作用的需求包括多根电线。

根据本公开的另一个实施例，提供了一种用于监测被包围在至少第一(半)导电层中的导电体的温度的方法。该方法将结合上述***100来描述。该方法包括如下步骤。

能量获取子单元140获取电力并将电力提供至第一微控制器120。另选地，能量获取子单元140被能量发射器160触发而振荡从而产生交流电，并且交流电在提供至第一微控制器120之前被整流器电路145转换成直流电。如以上所公开的，能量获取子单元140在数十KHz至数百KHz范围内的第一工作频率下工作。

温度传感器单元110检测表示导电体的温度的第一信号并且将该第一信号提供至第一微控制器120。另选地，温度传感器单元110在第一微控制器120的控制下工作。例如，第一微控制器120可向温度传感器单元110发出指令并且温度传感器单元110将开始检测第一信号。第一微控制器120然后将第一信号转换成适于经由无线方式传输的第二信号。

然后，无线发射器130经由无线方式将第二信号传输至无线接收器150并且无线发射器130在例如数十MHz至数千MHz的范围内的第二工作频率下工作。优选地，第二工作频率与第一工作频率的比率大于100。因此，能量获取和信号传输可分别得以实现并且可不会彼此干扰。然后，无线接收器150将所接收的第二信号提供至第二微控制器170并且第二微控制器170基于该第二信号确定导电体的温度。

虽然已经示出并解释了本公开的一般概念的一些实施例，但是本领域的技术人员将会知道，在不脱离本发明总体构思的实质和原理的情况下可执行对以上实施例的修改。本公开的范围应当由所附的权利要求书和其等同物来限定。

Claims (15)

1.一种用于监测被包围在至少第一(半)导电层中的导电体的温度的***，所述***包括：

温度传感器单元，所述温度传感器单元位于所述第一(半)导电层的内部，并包括微控制器、温度传感器、能量获取子单元和无线发射器，并且所述温度传感器被适配为检测表示所述导电体的温度的第一信号并将所述第一信号供应至所述微控制器；以及

收发器单元，所述收发器单元位于所述第一(半)导电层的外部并包括能量发射器和无线接收器；

其中，所述能量获取子单元被适配为从所述能量发射器获取电磁功率并将电力提供至所述微控制器；

所述无线发射器被适配为在所述微控制器的控制下与所述无线接收器接合以将由所述第一信号转换的第二信号传输至所述无线接收器；并且

所述能量获取子单元和所述无线发射器被设计为具有不同的工作频率。

2.根据权利要求1所述的***，其中所述能量获取子单元被设计为具有10KHz至990KHz范围内的工作频率。

3.根据权利要求1所述的***，其中所述无线发射器被设计为具有10MHz至10GHz范围内的工作频率。

4.根据权利要求1所述的***，其中所述无线发射器的工作频率与所述能量获取子单元的工作频率的比率大于100。

5.根据权利要求1所述的***，其中所述能量获取子单元包括LC谐振电路，所述LC谐振电路被适配为在被所述能量发射器触发之后产生交流电。

6.根据权利要求5所述的***，其中所述能量获取子单元包括整流器电路，所述整流器电路被适配为将所述交流电转换成直流电。

7.根据权利要求1所述的***，其中所述温度传感器与所述导电体直接接触或热接触。

8.根据权利要求1所述的***，其中所述第一(半)导电层被第二(半)导电层包围，所述能量发射器被定位于所述第一(半)导电层与所述第二(半)导电层之间。

9.根据权利要求8所述的***，其中所述收发器单元包括微控制器，所述微控制器位于所述第二(半)导电层的外部并经由电线与所述能量发射器连接。

10.根据权利要求9所述的***，其中所述无线接收器被适配成位于所述第二(半)导电层的外部并与所述收发器单元的微控制器通信。

11.根据权利要求10所述的***，其中所述收发器单元的微控制器被配置为基于所接收的第二信号来确定所述导电体的温度。

12.一种监测被包围在至少第一(半)导电层中的导电体的温度的方法，所述方法包括以下步骤：

由在第一工作频率下工作的能量获取子单元获取电力并将所述电力提供至第一微控制器，所述第一微控制器和所述能量获取子单元位于所述第一(半)导电层的内部；

由位于所述第一(半)导电层的内部的温度传感器单元检测表示所述导电体的温度的第一信号；

由所述第一微控制器将所述第一信号转换成适于经由无线方式传输的第二信号；以及

由无线发射器将所述第二信号传输至位于所述第一(半)导电层的外部的无线接收器，所述无线发射器位于所述第一(半)导电层的内部并在不同于所述第一工作频率的第二工作频率下工作。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二工作频率与所述第一工作频率的比率大于100。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述获取步骤包括由位于所述第一(半)导电层的外部的能量发射器发射触发信号以触发所述能量获取子单元振荡从而产生交流电的子步骤。

15.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括由位于所述第一(半)导电层的外部的第二微控制器基于所述第二信号来确定所述导电体的温度的步骤。