TW201526438A - 用於監控電導體溫度之系統及方法 - Google Patents

用於監控電導體溫度之系統及方法 Download PDF

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TW201526438A
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Zheng Huang
si-hua Yuan
xue-tao Yu
Ming Zhang
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Abstract

本發明提供一種用於監控一電纜之一電導體之溫度的系統，且該系統包含一溫度感測器單元以及一收發器單元。該溫度感測器單元定位於該第一(半)傳導層內部，並且包含一微控制器、一溫度感測器、一能量採集子單元以及一無線傳輸器。該溫度感測器經調適以偵測表示該電導體之溫度之一第一信號並且供應該第一信號至該微控制器。該收發器單元定位於該第一(半)傳導層外部並且包含一能量傳輸器以及一無線接收器。該能量採集子單元經調適以採集來自該能量傳輸器之電磁功率並且提供電功率至該微控制器。該無線傳輸器經調適以在該微控制器之控制下而與該無線接收器接合，以傳輸轉換自該第一信號之一第二信號至該無線接收器。該能量採集子單元及該無線傳輸器經設計以具有不同工作頻率。

Description

用於監控電導體溫度之系統及方法
本發明一般係關於用於監控電導體溫度之系統及方法，且具體而言，係關於用於監控圍封在至少一(半)傳導層中之電導體(例如，一高電壓配電系統中之一電力電纜之一電導體)之溫度的系統及方法。
高電壓配電系統在現代社會扮演重要角色。安全及保安性始終是此種高電壓配電系統「健康狀況」的考量因素。據此，應有一種可監控高電壓配電系統「健康狀況」的技術。
在高電壓配電系統中，電纜之導體溫度將會隨著電纜載送的電流增加而上升。據此，可藉由監控此系統中(舉例而言)可為弱點的電纜編接或接合點處的線上(on-line)電導體溫度來評估此系統之「健康狀況」。通常，流動通過電纜編接或接合點的正常電流會產生高達約攝氏90度之溫度。若電纜編接或接合點之溫度上升超過此溫度，則此可指示出此配電系統有某處可能出錯。另一方面，知道現有配電系統是否處於其最大載流量、知道現有系統是否能可靠分配額外電力、或知道是否需要額外基礎建設支出亦有所用處。
高電壓配電系統中的線上電力電纜以及電纜編接與接合點一般藉由數個絕緣及(半)傳導層予以絕緣及保護，並且通常埋設在地下或架空在高處。因此，不容易(舉例而言)直接在電纜編接或接合點處監控線上電導體之溫度。
如此說明書中所用：
「(半)傳導」係指，層取決於具體構造可為半傳導性或傳導性。兩個物品之間之「熱接觸」意指，物品可依熱之形式彼此交換能量。
兩個物品之間之「直接接觸」意指實體接觸。
圖1圖解說明一種類型之標準高電壓電纜編接總成30，其中編接一電纜10的兩個區段。如圖1中所示，電纜10包括電導體31、絕緣層33、及(半)傳導層35。一連接器12同心地包圍編接之電導體31。一第一(半)傳導(或電極)層13(舉例而言，一金屬層)同心地包圍編接之電導體31及連接器12，形成圍繞連接器12及電導體31之一屏蔽法拉第籠。一絕緣層11(含有幾何應力控制元件16)包圍第一(半)傳導層13。以上構造置於一第二(半)傳導層14內，在此情況中為一金屬外殼，其作用為一屏蔽及接地層。通過通口18中之一者傾注一樹脂17至金屬外殼14中，以充填絕緣層11四周之區域。且一可收縮套管層15充當一最外層。
因此，有需要開發一種解決方案，以監控(舉例而言)高電壓配電系統中之圍封在至少一(半)傳導層中之電導體之溫度。
根據本發明之一態樣，揭示一種用於監控圍封在至少一第一(半)傳導層中之一電導體之溫度之系統。該系統包含一溫度感測器單元以及一收發器單元。該溫度感測器單元定位於該第一(半)傳導層內，並且包含一微控制器、一溫度感測器、一能量採集子單元及一無線傳輸器。該溫度感測器經調適以偵測表示該電導體之溫度之一第一信號並且供應該第一信號至該微控制器。該收發器單元定位於該第一(半)傳導層外部並且包含一能量傳輸器以及一無線接收器。該能量採集子單元經調適以採集來自該能量傳輸器之電磁功率並且提供電功率至該微控制器。該無線傳輸器經調適以在該微控制器之控制下而與該無線接收器接合，以傳輸轉換自該第一信號之一第二信號至該無線接收器。該能量採集子單元及該無線傳輸器經設計以具有不同工作頻率。
根據本發明之另一態樣，揭示一種監控圍封在至少一第一(半)傳導層中之一電導體之溫度之方法，且該方法包括下列步驟：由以一第一工作頻率運作之一能量採集子單元採集電功率並且提供該電功率至一第一微控制器，該第一微控制器及該能量採集子單元定位於該第一(半)傳導層內；由定位於該第一(半)傳導層內之一溫度感測器單元偵測表示該電導體之溫度之一第一信號；由該第一微控制器轉換該第一信號成適於經由一無線方式予以傳輸之一第二信號； 由一無線傳輸器傳輸該第二信號至定位於該第一(半)傳導層外部之一無線接收器，該無線傳輸器定位於該第一(半)傳導層內並且以一第二工作頻率運作，該第二工作頻率不同於該第一工作頻率。
在某些實施例中，該無線傳輸器之該工作頻率對該能量採集子單元之該工作頻率的比率大於100。舉例而言，該能量採集子單元經設計以具有自數十KHz至數百KHz之一範圍中之一工作頻率。該無線傳輸器經設計以具有自數十MHz至數千MHz之一範圍中之一工作頻率。
該系統之電功率採集及信號傳輸可分開達成並且在雙結構之不同工作頻率下完成，即，該能量採集子單元加上該能量傳輸器作為一個結構，而該無線傳輸器加上無線接收器作為另一結構。因此，可更自由地安裝該收發器單元之該無線接收器之天線，並且不需要安裝在該無線傳輸器之天線的正上方，同時可達成良好品質之信號傳輸。所以現場安裝該系統將會更加容易。
10‧‧‧電纜
11‧‧‧絕緣層
12‧‧‧連接器
13‧‧‧第一(半)傳導(或電極)層
14‧‧‧第二(半)傳導層/金屬外殼
15‧‧‧可收縮套管層
15a‧‧‧重疊區段
15b‧‧‧重疊區段
15c‧‧‧通路
16‧‧‧幾何應力控制元件
17‧‧‧樹脂
18‧‧‧通口
30‧‧‧高電壓電纜編接總成
31‧‧‧電導體
33‧‧‧絕緣層
35‧‧‧(半)傳導層
100‧‧‧系統
100a‧‧‧溫度感測器單元
100b‧‧‧收發器單元
110‧‧‧溫度感測器
120‧‧‧微控制器/第一微控制器
130‧‧‧無線傳輸器
140‧‧‧能量採集子單元
141‧‧‧感應線圈
143‧‧‧電容器
145‧‧‧整流器電路
150‧‧‧無線接收器
155‧‧‧電線
160‧‧‧能量傳輸器
170‧‧‧微控制器/第二微控制器
175‧‧‧電線
180‧‧‧能量採集單元
185‧‧‧電線
S1‧‧‧第一信號
S2‧‧‧第二信號
S4‧‧‧指令
S6‧‧‧觸發信號
結合附圖閱讀本發明之較佳實施例之下列說明，本發明之這些及/或其他態樣以及優點將變的顯而易見且更容易瞭解，圖式中：圖1為先前技術之高電壓電纜編接總成之部分剖視示意圖；圖2為根據本發明之一實施例之用於監控電導體之溫度之系統之示意方塊圖； 圖3為根據本發明之一實施例之用於監控電導體之溫度之系統應用於高電壓電纜編接總成之部分剖視示意圖。
本發明之範疇絕非受限於圖式之簡單示意圖、構成組件之數量、其材料、其形狀、其相對配置等等，且僅揭示作為實施例之實例。
下文將參考附圖詳細說明本發明之例示性實施例，其中相似元件符號指代相似元件。但是，本發明可體現成許多不同形式並且不應被解釋為受限於本文所提出之實施例。
本發明提供用於(例如)在電纜編接或接合點處監控電纜之電導體溫度之系統之實施例。在某些實施例中，此類系統能夠遠端監控電纜內之導體溫度。如上文提及，電纜編接或接合點可具有高電壓配電系統中之最弱載流量並且在電流過載時會具有較高故障可能性。根據本發明實施例之用於監控電導體溫度之系統，可用於監控定位於電纜編接或接合點處之電導體之溫度，使得能夠基於溫度來判斷電導體以及電纜編接或接合點是否運作良好。
圖2係根據本發明之一實施例之用於監控圍封於至少一第一(半)傳導層中之電導體(圖中未繪示)之溫度之一系統100之示意圖。通常，第一(半)傳導層可緊實圍封電導體並且不允許其上有任何通口或間隙，惟用於電導體進出之通口除外。系統100包含一溫度感測器單元100a及一收發器單元100b。溫度感測器單元100a經調適以測量電導體之溫度並且供應表示溫度之信號至收 發器單元100b。收發器單元100b經調適以使溫度感測器單元100a能夠運作並且接收信號及進一步基於所接收之信號判定電導體之溫度。溫度感測器單元100a定位於第一(半)傳導層內，而收發器單元100b定位於第一(半)傳導層外部。
溫度感測器單元100a包含一溫度感測器110、一微控制器(下文稱為「第一微控制器」)120、一無線傳輸器130以及一能量採集子單元140。溫度感測器110經調適以偵測表示電導體溫度之一第一信號S1並且供應第一信號S1至第一微控制器120。第一微控制器120經調適以控制溫度感測器110運作並且接收第一信號S1，並且接著處理第一信號S1以便達成適於以無線傳輸器130傳輸之一第二信號S2。無線傳輸器130經調適以在第一微控制器120之控制下經由無線方式傳輸出轉換自第一信號S1之第二信號S2。能量採集子單元140經調適以採集電磁功率並且提供電功率至第一微控制器120。
收發器單元100b包含一無線接收器150以及一能量傳輸器160。無線接收器150經調適成與無線傳輸器130接合，以便接收第二信號S2。能量傳輸器160經調適以發送出一觸發信號(如一連續正弦波)至能量採集子單元140，使得能量採集子單元140可採集來自能量傳輸器160之電磁功率並且產生用於供應至微控制器110之電功率。另外，收發器單元100b包含一微控制器(下文稱為「第二微控制器」)170，其經組態以處理第二信號S2，以基於所 接收之第二信號S2判定電導體之溫度值。替代地，第二微控制器170可經組態以控制能量傳輸器160發送出觸發信號。
能量採集子單元140及能量傳輸器160經組態以彼此接合並且具有一第一工作頻率。無線傳輸器130及無線接收器150經組態以彼此接合並且具有一第二工作頻率。第一工作頻率不同於第二工作頻率。較佳地，第二工作頻率對第一工作頻率的比率大於100，更佳地大於250、或500、或1000、或3000、或5000、或甚至大於10000。較佳地，第一工作頻率係在自數十KHz至數百KHz之一範圍中，較佳地小於1000KHz，舉例而言，自10KHz至990KHz；甚至更佳地小於500KHz，舉例而言，自10KHz至500KHz，更特定來說，諸如為20KHz或為100KHz。第二工作頻率係在自數十MHz至數千MHz之一範圍中，舉例而言，自10MHz至10GHz；較佳地大於433MHz，甚至更佳地自433MHz至2.45GHz，更特定來說，諸如為433MHz或為2.45GHz或相似值。因此，能量採集及信號傳輸可分開達成並且不會彼此干擾。再者，第一工作頻率在相較之下為低，而第二工作頻率在相較之下為高，高的第二工作頻率具有更強的穿透性且容許相較之下更自由地定位無線接收器150，而非如此項技術中現有溫度系統所需之使無線接收器與無線傳輸器之間嚴格匹配。再者，第二工作頻率係足夠高，使得傳輸距離可比在低頻率下時更加長。
替代地，溫度感測器110經組態成與電導體直接接觸或熱接觸。溫度感測器110之類型未受限制，能以所需精確準確度 及可靠度進行感測及測量溫度之類比及數位溫度感測器皆可接受。電導體會達到約90℃或甚至更高之溫度，所以希望溫度感測器110可在某種程度的高溫下運作。舉例來說，電導體可為熱電偶或溫度敏感元件等。例如，溫度敏感元件可選自溫度敏感開關、溫度敏感感應線圈、溫度敏感電容器、或溫度敏感電阻器，並且可與其它電組件形成一電路，以具有表示電導體溫度之至少一特性參數，如PCT/CN2013/075135中所揭示。因此，溫度感測器110可偵測表示電導體溫度之信號(第一信號S1)並且輸出該信號(第一信號S1)。此信號可為具體化電導體溫度之溫度資料或某些其它參數，例如，隨溫度變化的電阻器之電阻，或隨溫度變化的電容器之電容。
替代地，無線傳輸器130包含一天線以及一驅動器電路。驅動器電路係用以驅動天線以依高頻無線信號方式發射出第二信號S2。相對應地，無線接收器150包含一天線以及一驅動器電路，驅動器電路經調適以驅動天線以接收第二信號S2。
替代地，能量採集子單元140包括一LC諧振電路，其具有至少一感應線圈141及一電容器143並且經調適以一旦被能量傳輸器160觸發即產生一AC功率。因此，LC諧振電路可經觸發而振盪以產生AC功率。另外，能量採集子單元140包含一整流器電路145，其經調適以轉換AC功率至DC功率。
DC功率較佳地穩定且被供應至第一微控制器120。第一微控制器120一經供電就會運用並且發送出一指令至溫度感測器110。接著，溫度感測器110將偵測表示電導體溫度之第一信號S1 並且供應第一信號S1至第一微控制器120。通常，第一信號S1為類比信號。第一微控制器120將處理第一信號S1並且將其轉換成適於經由無線信號(例如，數位信號)傳輸之一信號(即，第二信號S2)。
第二微控制器170經組態以接收第二信號S2並且基於第二信號S2判定電導體之溫度。此處，可明白，由第二微控制器170所接收之第二信號S2可為無線傳輸器130所發射之第二信號S2本身，或是在傳輸處理期間自第二信號S2所變換之一信號，用詞第二信號S2係用於表示此類信號。如果溫度感測器110之第一信號S1為一溫度值，則第二微控制器170可藉由轉換第二信號S2成顯示溫度值之資料來判定電導體溫度。如果溫度感測器110之第一信號S1為另一參數，如電容或頻率，而不是溫度值，則第二微控制器170可包含顯示電導體溫度與此類參數之間之關係的一表格，使得第二微控制器170可自第二信號S2計算溫度。第二微控制器170可進一步經組態以比較溫度資料與一預定臨限值，如果溫度資料大於一預定臨限值，則第二微控制器170可發送出一警示信號，以指示出電導體可能在不安全條件下運作。
第二微控制器170可進一步經組態以連接至能量傳輸器160並且控制能量傳輸器160之運作。當需要測量電導體溫度時，第二微控制器170將發送一指令S4至能量傳輸器160，且能量傳輸器160將發射一觸發信號S6(例如，連續正弦波)至能量採集子單元140，使得能量採集子單元140將振盪而產生AC功率並且提供 電功率至第一微控制器120。一旦第一微控制器120被供電，則將發送出一指令至溫度感測器110以偵測信號S1。
根據本發明之一實施例，如圖3中所圖解說明，圖中展示本發明中揭示之用於監控電導體溫度之系統之一實施例，其經應用於測量圍封於一高電壓電纜編接總成30中之電導體31之溫度。高電壓電纜編接總成30(如圖1中所示)通常用在高電壓配電。
在此實施例中，兩個電纜10之電導體31經編接且由一連接器12所覆蓋，且接著由一第一(半)傳導層13、一絕緣層11、一第二(半)傳導層14、以及一可收縮套管層15所圍封。在此實施例中，可收縮套管層15包含兩個重疊區段15a與15b，以在重疊部分之間留下一通路15c。通路15c可使得能夠通過第二(半)傳導層14上之一通口18而自可收縮套管層15外部對第二(半)傳導層14內部進行接取。因此，通路15c可使得能夠接取溫度感測器單元100a與收發器單元100b之組件之至少一部分之間之通訊。
如圖3中所示，溫度感測器單元100a可經定位成接近電導體31且在第一(半)傳導層13內部。較佳在電纜10之絕緣層33與連接器12之間曝露一部分電導體31，且溫度感測器單元100a可經定位於電導體31之曝露部分周圍。以及，替代地，溫度感測器110可直接附接在連接器12之表面上。可提供包繞於電導體31四周之一框結構，且該框結構可容納溫度感測器單元100a的其它組件，如第一微控制器120、無線傳輸器130以及能量採集子單元140。關於收發器單元100b，能量傳輸器160可定位於第一(半) 傳導層13與第二(半)傳導層14之間。為了獲得更佳通訊效果，能量傳輸器160可定位於能量採集子單元140正上方，以便改善電磁耦合。第二微控制器170可定位於第二(半)傳導層14外部。提供一電線175以使能量傳輸器160與第二微控制器170電接觸。電線175可容納於通路15c內，使得電線175可自能量傳輸器160延伸通過通口18而至第二微控制器170。無線接收器150亦可定位於第二(半)傳導層14外部。提供一電線155以使無線接收器150與第二微控制器170電接觸。無線接收器150及第二微控制器170可安裝在一起或分開安裝在可收縮套管層15外部。由於無線接收器150經組態以在高頻率下運作，並且無任何應定位於無線傳輸器130正上方的特殊需求。
替代地，包含一功率感應線圈之另一能量採集單元180可定位於高電壓電纜編接總成30外部並環繞電纜10，或定位於第二(半)傳導層14與可收縮套管層15之間。此能量採集單元180可用於透過電線185供應電力至第二微控制器170。
整份此說明書中，雖然電線155、175、185各指稱一「電線」，但是應瞭解，電線155、175、185任一者或全部可按系統運作所需包括多條電線。
根據本發明之另一實施例，提供一種監控圍封在至少一第一(半)傳導層中之一電導體之溫度之方法。將結合上述之系統100來說明該方法。該方法包含如下步驟。
能量採集子單元140採集電功率並且提供電功率至第一微控制器120。替代地，能量採集子單元140係由能量傳輸器160予以觸發而振盪以產生AC功率，並且由整流器電路145將AC功率轉換成DC功率，之後提供至第一微控制器120。如上述所揭示，能量採集子單元140以自數十KHz至數百KHz之一範圍中之第一工作頻率運作。
溫度感測器單元110偵測表示電導體溫度之第一信號並且提供第一信號至第一微控制器120。替代地，溫度感測器單元110在第一微控制器120之控制下運作。舉例而言，第一微控制器120可發送出一指令至溫度感測器單元110，並且溫度感測器單元110將開始偵測第一信號。接著，第一微控制器120轉換第一信號成適於經由一無線方式予以傳輸之第二信號。
接著，無線傳輸器130經由一無線方式傳輸第二信號至無線接收器150，並且無線傳輸器130以例如，自數十MHz至數千MHz之一範圍中之第二工作頻率運作。較佳地，第二工作頻率對第一工作頻率的比率大於100。因此，能量採集及信號傳輸可分開達成並且不會彼此干擾。接著，無線接收器150提供所接收之第二信號至第二微控制器170，且第二微控制器170基於第二信號判定電導體之溫度。
雖然已展示及解說本發明一般觀念之某些實施例，但是熟悉此項技術者應明白可修改上文實施例，而未脫離本發明一般 觀念之精神與原理。本發明之範疇應由隨附申請專利範圍及其同等物定義。
100‧‧‧系統
100a‧‧‧溫度感測器單元
100b‧‧‧收發器單元
110‧‧‧溫度感測器
120‧‧‧微控制器/第一微控制器
130‧‧‧無線傳輸器
140‧‧‧能量採集子單元
141‧‧‧感應線圈
143‧‧‧電容器
145‧‧‧整流器電路
150‧‧‧無線接收器
160‧‧‧能量傳輸器
170‧‧‧微控制器/第二微控制器
S1‧‧‧第一信號
S2‧‧‧第二信號
S4‧‧‧指令
S6‧‧‧觸發信號

Claims (15)

  1. 一種用於監控圍封在至少一第一(半)傳導層中之一電導體之溫度的系統，該系統包括：一溫度感測器單元，其定位於該第一(半)傳導層內部，並且包括一微控制器、一溫度感測器、一能量採集子單元以及一無線傳輸器，且該溫度感測器經調適以偵測表示該電導體之溫度的一第一信號並且供應該第一信號至該微控制器；以及一收發器單元，其定位於該第一(半)傳導層外部並且包括一能量傳輸器以及一無線接收器；其中，該能量採集子單元經調適以採集來自該能量傳輸器之電磁功率並且提供電功率至該微控制器；該無線傳輸器經調適以在該微控制器之控制下而與該無線接收器接合，以傳輸轉換自該第一信號之一第二信號至該無線接收器；且該能量採集子單元及該無線傳輸器經設計以具有不同工作頻率。
  2. 如請求項1之系統，其中該能量採集子單元經設計以具有自10KHz至990KHz之一範圍中之一工作頻率。
  3. 如請求項1之系統，其中該無線傳輸器經設計以具有自10MHz至10GHz之一範圍中之一工作頻率。
  4. 如請求項1之系統，其中該無線傳輸器之該工作頻率對該能量採集子單元之該工作頻率的比率大於100。
  5. 如請求項1之系統，其中該能量採集子單元包括一LC諧振電路，該LC諧振電路經調適以在經該能量傳輸器所觸發後產生一AC功率。
  6. 如請求項5之系統，其中該能量採集子單元包括一整流器電路，該整流器電路經調適以轉換該AC功率至DC功率。
  7. 如請求項1之系統，其中該溫度感測器與該電導體直接接觸或熱接觸。
  8. 如請求項1之系統，其中該第一(半)傳導層由一第二(半)傳導層所圍封，該能量傳輸器定位於該第一(半)傳導層與該第二(半)傳導層之間。
  9. 如請求項8之系統，其中該收發器單元包括一微控制器，該微控制器定位於該第二(半)傳導層外部並且經由一電線而與該能量傳輸器連接。
  10. 如請求項9之系統，其中該無線接收器經調適以定位於該第二(半)傳導層外部並且與該收發器單元之該微控制器通訊。
  11. 如請求項10之系統，其中該收發器單元之該微控制器經組態以基於所接收之該第二信號來判定該電導體之溫度。
  12. 一種監控圍封在至少一第一(半)傳導層中之一電導體之溫度的方法，其包括下列步驟：由以一第一工作頻率運作之一能量採集子單元採集電功率並且將該電功率提供至一第一微控制器，該第一微控制器及該能量採集子單元定位於該第一(半)傳導層內部；由定位於該第一(半)傳導層內部之一溫度感測器單元偵測表示該電導體之溫度之一第一信號；由該第一微控制器將該第一信號轉換成適於經由一無線方式予以傳輸之一第二信號；以及由一無線傳輸器將該第二信號傳輸至定位於該第一(半)傳導層外部之一無線接收器，該無線傳輸器定位於該第一(半)傳導層內部並且以不同於該第一工作頻率之一第二工作頻率運作。
  13. 如請求項12之方法，其中該第二工作頻率對該第一工作頻率的比率大於100。
  14. 如請求項12之方法，其中該採集步驟包含由定位於該第一(半)傳導層外部之一能量傳輸器發射一觸發信號以觸發該能量採集子單元進行振盪以產生AC功率之一子步驟。
  15. 如請求項12之方法，其包括由定位於該第一(半)傳導層外部之一第二微控制器基於該第二信號來判定該電導體之該溫度之步驟。
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